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第5章 数字信号传输 数字信号传输基本理论 传输码型 数字信号的基带传输 数字信号的频带传输 SDH传输网 5.1 5.2 5.3 5.4
第5章 数字信号传输 数字信号传输基本理论 5.1 传输码型 5.2 数字信号的基带传输 5.3 数字信号的频带传输 5.4 SDH传输网 5.5
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本章首先研究数字信号传输的基本理论，然后讨论传输码型、数字信号的基带传输及数字信号的频带传输问题，最后介绍SDH传输网。
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5.1 数字信号传输基本理论 5.1.1 数字信号传输方式 1.基带传输
5.1 数字信号传输基本理论 数字信号传输方式 1.基带传输 基带传输就是编码处理后的数字信号（此信号叫基带数字信号）直接在信道中传输，基带传输的信道是电缆信道。
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2.频带传输 频带传输是将基带数字信号的频带搬到适合于光纤、无线信道传输的频带上再进行传输。显然频带传输的信道是光纤或微波、卫星等无线信道。
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数字信号波形与功率谱 数字信号波形如图5-1所示。
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图5-1 二进制数字信号信号序列的基本波形
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图5-3是几种随机二进制数字信号序列的功率谱曲线（设“0”码和“1”码出现的概率均为1/2）。
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图5-3 二进制数字信号序列的功率谱
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经分析得出，随机二进制数字信号序列的功率谱包括连续谱和离散谱两个部分（图中箭头表示离散谱分量，连续曲线表示连续谱分量）。
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连续谱部分总是存在的。 离散谱部分则与信号码元出现的概率和信号码元的宽度有关，它包含直流、数码率以及的奇次谐波成份，在某些情况下可能没有离散谱分量。
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基带传输系统的构成 数字信号基带传输系统的基本构成模型如图5-4所示。
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图5-4 数字基带传输系统的基本构成模型
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图中：形成滤波器（也叫发送滤波器）的传递函数为S（ ），其作用是将原始的数字信号序列） 变换为适合于信道传输的信号，即形成适合于在信道中传输的信号波形。
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信道是各种电缆，其传递函数是L（ ），n（t）为噪声干扰。
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接收滤波器的传递函数为E（ ）,其作用是限制带外噪声进入接收系统以提高判决点的信噪比，另外还参与信号的波形形成（形成判决点的波形）。
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接收滤波器的输出端（称为抽样判决点或简称判决点）波形用R（t）表示，其频谱为R（ ）。
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抽样判决器对判决点的波形R（t）进行抽样判决，以恢复原数字信号序列。
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为了分析方便起见，通常用单位冲激脉冲序列近似表示原始的数字信号序列，即：
（5-3）
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其中： 是二进制码元（“0”码或“1”码）， 是码元间隔。
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在上述假定的条件下，图5-4所示基带传输系统的总特性可以写成：
（5-4）
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图5-4可简化为如图5-7。 图5-7 基带传输系统简化模型
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即：形成滤波器、信道、接收虑波器可等效为一个传输网络（称为基带形成滤波器），R（ ）为其传递函数。
此传输网络输入为单位冲激脉冲（序列）δ（t），输出响应（序列）则为R（t）。
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5.1.4 数字信号传输的基本准则 （无码间干扰的条件）
1.无码间干扰的时域条件（不考虑噪声干扰） 无码间干扰的时域条件为： 1（归一化值） =0（本码判决点） 0（非本码判决点）（5-5）
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结论：对于等效成截止频率为 的理想低通网络来说，若数字信号以 的符号速率传输，则在各码元的间隔处
（即 的整数倍处）进行抽样判决，不产生码间干扰，可正确识别出每一个码元。
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这一信号传输速率与理想低通截止频率的关系就是数字信号传输的一个重要准则——奈奎斯特第一准则，简称奈氏第一准则。
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3.滚降低通传输网络 具有奇对称滚降特性的低通滤波器作为图5-7所示的传输网络。 图5-12定性画出滚降低通的幅频特性。
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图5-12 滚降低通的幅频特性
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只要滚降低通的幅频特性以 点呈奇对称滚降，则可满足无码间干扰的条件（此时仍需满足符号速率= ）。
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5.2 传输码型 5.2.1 对传输码型的要求 1.传输码型的功率谱中应不含直流分量，同时低频分量要尽量少
5.2 传输码型 5.2.1 对传输码型的要求 1.传输码型的功率谱中应不含直流分量，同时低频分量要尽量少 2.传输码型的功率谱中高频分量应尽量少
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3.便于定时时钟的提取 4.传输码型应具有一定的检测误码能力 5.对信源统计依赖性最小 6.要求码型变换设备简单、易于实现
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5.2.2 常见的传输码型 1.单极性不归零码（即NRZ码） 编码器直接编成这种最原始的码型输出。
常见的传输码型 1.单极性不归零码（即NRZ码） 编码器直接编成这种最原始的码型输出。 单极性不归零码（全占空τ＝ ）的码型及其功率谱如图5-13所示。
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图5-13 单极性不归零码及功率谱
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NRZ码不符合要求，它不适合在电缆信道中传输。
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2.单极性归零码（即RZ码） 单极性归零码（τ= /2）的码型及功率谱如图5-14所示。
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图5-14 单极性归零码（τ= /2）及功率谱
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RZ码与NRZ码相比， 成份不为零，其他缺点仍然存在。
所以单极性归零码也不适合在电缆信道中传输。
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3.传号交替反转码（AMI码） 传号交替反转码的码型及功率谱如图5-15所示。
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图5-15 AMI码及功率谱
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例如： 二进码序列： AMI码序列：+l AMI码符合要求，是CCITT建议采用的传输码型之一。
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但AMI码的缺点是二进码序列中的“0”码变换后仍然是“0”码，如果原二进码序列中连“0”码过多，AMI码中便会出现长连“0”，这就不利于定时钟信息的提取。
为了克服这一缺点，引出了HDB3码。
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4.三阶高密度双极性码（HDB3码） HDB3码编码规则：
（1）进码序列中的“0”码在HDB3码中原则上仍编为“0”码，但当出现4个连“0”码时，用取代节000V或B00V代替。
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取代节中V码、B码均代表“1”码，它们可正可负（即V+代表+1，V-代表-1，B+代表＋1，B-代表-1）。
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（2）取代节的安排顺序是：先用000V，当它不能用时，再用B00V。
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000V取代节的安排要满足以下两个要求： ①各取代节之间的V码要极性交替出现。 ②V码要与前一个传号码的极性相同。
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当上述两个要求能同时满足时，用000V代替原二进码序列中的4个“0”（用000V+）或000V-）；而当上述两个要求不能同时满足时，则改用B00V（B+00V+）或B-00V-，实质上是将取代节000V中第一个“0”码改成B码）。
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（3）HDB3码序列中的传号码（包括“1”码、V码和B码）除V码外要满足极性交替出现的原则。
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例: 二进码序列： HDB3码序列：V V-+1 0 –1 B+ 0 0 V+0 –1 +1– V-B+0 0 V+0-1
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码型反变换的原则是：接收端当遇到连着3个“0”前后“1”码极性相同时，后边的“1”码（实际是V码）还原成“0”；当遇到连着2个“0”前、后“1”码极性相同时，前、后2个“1”（前边的“1”是B码，后边的“1”是V码）均还原成“0”。
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另外，其他的±1一律还原为+1，其他的“0”不变。
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5.传号反转码（CMI码） 表 CMI码变换规则 输入二元码 CMI码 与11交替出现
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传输码型的误码增殖 数字信号在线路中传输时，由于信道不理想和噪声干扰，接收端会出现误码，当线路传输码中出现n个数字码错误时，在码型反变换后的数字码中出现n个以上的数字码错误的现象称为误码增殖。
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5.2.4 传输码型特性的分析比较 1.最大连“0”数及定时钟提取 AMI码 HDB3码 CMI码 最大连“0”数 未限 3个 3个
传输码型特性的分析比较 1.最大连“0”数及定时钟提取 AMI码 HDB3码 CMI码 最大连“0”数 未限 个 个 定时钟提取 不利 有利 有利
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2.检测误码能力 AMI码、HDB3码和CMI码均具有一定的检测误码能力。
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3.误码增殖 由前面分析可见：AMI码和CMI码无误码增殖，而HDB3码有误码增殖。
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4.电路实现 AMI码和CMl码的实现电路（即码型变换电路）简单，HDB3码实现电路比较复杂一些，也可以实现。
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由以上分析可见，AMI码、HDB3码和CMI码各有利弊。
综合考虑，选择HDB3码作为基带传输的主要码型（主要从对定时钟提取有利方面考虑），当然AMI码也是CCITT建议采用的基带传输码型。
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另外，HDB3码作为PCM一∽三次群的接口码型，而CMI码则作为PCM四次群的接口码型。
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5.3 数字信号的基带传输 基带传输信道特性 一个脉宽为0.4μs、幅度为1伏的矩形脉冲（实际上它代表1个“1”码）通过不同长度的电缆传输后的波形示意图如图5-19所示（没考虑噪声干扰）。
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图5-19 经电缆传输后的脉冲波形示意图
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由于数字信号序列经过电缆信道传输后会产生波形失真，而且传输距离越长，波形失真越严重。
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当传输距离增加到某一长度时，接收到的信号将很难识别。
为此，PCM信号传输距离将受到限制。
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为了延长通信距离，在传输通路的适当距离应设置再生中继装置，即每隔一定的距离加一个再生中继器，使已失真的信号经过整形后再向更远的距离传送。
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再生中继系统 1．再生中继系统的构成 再生中继系统的方框图如图5-20所示。
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图5-20 基带传输的再生中继系统
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再生中继的目的是：当信噪比下降得不太大、波形失真的还不很严重时，对失真的波形及时识别判决（识别出是“1”码还是“0”码），只要不误判，经过再生中继后的输出脉冲会完全恢复为原数字信号序列。
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2．再生中继系统的特点 （1）无噪声积累 （2）有误码率的积累
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3．再生中继器 图5-21 再生中继器方框简图
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再生中继器由三大部分组成，即均衡放大、定时钟提取和抽样判决与码形成（即判决再生）。它们的主要功能是：
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均衡放大——将接收的失真信号均衡放大成宜于抽样判决的波形（均衡波形）。
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定时钟提取——从接收信码流中提取定时钟频率成份，以获得再生判决电路的定时脉冲。
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抽样判决与码形成（判决再生）一一对均衡波形进行抽样判决，并进行脉冲整形，形成与发端一样的脉冲形状。
再生中继器完整的方框图，如图5-22所示。
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图5-22 再生中继器方框图
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再生中继系统的误码性能 1．误码率及误码率的累积 产生误码的原因是多方面的，例如：噪声、串音以及码间干扰等。
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当总干扰幅度超过再生中继器的判决门限电平，将会产生误判而误码。
衡量误码多少的指标是信道误码率，简称误码率。
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（1）误码率 误码率的定义为：在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元之比。即 （5-12）
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（2）误码率的累积 具有 个再生中继段的误码率 为： （5-13）
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当每个再生中继段的误码率均相同为 时，则全程总误码率为：
（5-14）
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2．误码信噪比 具有误码的码字被解码后将产生幅值失真，这种失真引起的噪声称误码噪声。
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这种误码噪声除与误码率有关外，还与编码律以及误码所在的段落等有关。
这里主要分析A律13折线的误码信噪比。
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（5-16）
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对于话音信号来说，为了减少过载量化噪声，音量应适当，当 / =1/10，
=20lg（ / ）＝-20dB时， 根据式（5-16）画出的误码信噪比曲线，如图5-23所示。
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图5-23 A律13折线误码信噪比
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5.4 数字信号的频带传输 5.4.1 频带传输基本概念 1.频带传输的概念
5.4 数字信号的频带传输 5.4.1 频带传输基本概念 1.频带传输的概念 所谓数字信号的频带传输是对基带数字信号进行调制，将其频带搬移到光波频段或微波频段上，利用光纤、微波、卫星等信道传输数字信号。
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2.数字调制的概念和分类 对基带数字信号进行调制称为数字调制。
通过调制把基带数字信号进行了频率搬移，而且数字信号转换成了模拟信号，所以频带传输实际传输的是模拟信号。
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数字调制的具体实现是利用基带数字信号控制载波（正弦波）的幅度、相位、频率变化，因此，有三种基本数字调制方法：数字调幅（ASK，也称幅移键控）、数字调相（PSK，也称相移键控）、数字调频（FSK，也称频移键控）。
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数字信号的频带传输系统 数字信号的频带传输系统主要有光纤数字传输系统、数字微波传输系统和数字卫星传输系统，下面分别加以介绍。
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1.光纤数字传输系统 光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
光纤数字传输系统是对数字信号进行光调制（“1”码发光，“0”码不发光）将其转换为光信号，然后在光纤中传输的系统。其构成方框图如图5-24所示。
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图5-24 光纤数字传输系统
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光纤数字传输系统由电端机、光端机、光中继机、光纤线路和光活动连接器等组成。
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2.数字微波传输系统 数字微波通信是以微波作为载体传送数字信号的一种通信手段。 数字微波传输系统的方框图如图5-25所示。
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图5-25 数字微波传输系统
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图5-25中显示的是SDH数字微波传输系统，它由SDH终端复用器、调制解调器、微波收发信设备及微波信道等组成。
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3.数字卫星传输系统 数字卫星传输系统利用人造卫星作中继站，在地球上的无线电通信站之间传送数字信号。 其方框图如图5-26所示。
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图5-26 数字卫星传输系统
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5.5 SDH传输网 SDH传输网的拓扑结构 SDH网还有五种基本拓扑类型，见图5-27所示。
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图5-27 SDH网基本物理拓扑类型
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SDH自愈网 所谓自愈网就是无需人为干预，网络就能在极短时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已出了故障。
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自愈网的实现手段多种多样，目前主要采用的有线路保护倒换、环形网保护、DXC保护及混合保护等。
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1.线路保护倒换 线路保护倒换是最简单的自愈形式，其基本原理是当出现故障时，由工作通道（主用）倒换到保护通道（备用），用户业务得以继续传送。
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线路保护倒换有两种方式： ①1＋1方式 l＋1方式采用并发优收，即工作段和保护段在发送端永久地连在一起（桥接），信号同时发往工作段（主用）和保护段（备用），在接收端择优选择接收性能良好的信号。
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②1：n方式 所谓l：n方式是保护段由n个工作段共用，当其中任意一个出现故障时，均可倒至保护段（一般n的取值范围为1∽14）。 l：1方式是1：n 方式的一个特例。
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2.环形网保护 采用环形网实现自愈的方式称为自愈环。
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自愈环的结构种类很多，按环中每个节点插入支路信号在环中流动的方向来分，可以分为单向环和双向环；按保换倒换的层次来分，可以分为通道倒换环和复用段倒换环；按环中每一对节点间所用光纤的最小数量来分，可以划分为二纤环和四纤环。
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（1）二纤单向通道倒换环 二纤单向通道倒换环如图5-30（a）所示。
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图5-30 二纤单向通道倒换环
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二纤单向通道保护环采用l＋1保护方式，即利用S1光纤和P1光纤同时携带业务信号并分别沿两个方向传输，但接收端只择优选择其中的一路。
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（2）二纤双向通道倒换环 二纤双向通道倒换环的保护方式有两种：l＋l方式和1：1方式。 l＋l方式的二纤双向通道倒换环如图5-31（a）所示。
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图5-31 二纤双向通道倒换环
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（3）二纤单向复用段倒换环 二纤单向复用段倒换环如图5-32（a）所示。
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图5-32 二纤单向复用段倒换环
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二纤单向复用段倒换环采用1：1倒换方式，保护换环时遵照APS协议。
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（4）四纤双向复用段倒换环 四纤双向复用段倒换环如图5-33（a）所示。
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图5-33 四纤双向复用段倒换环
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四纤双向复用段倒换环采用1：1倒换方式，保护换环时遵照APS协议。
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（5）二纤双向复用段倒换环 二纤双向复用段倒换环采用了时隙交换（TSI）技术，使S1光纤和P2光纤上的信号都置于一根光纤（称S1／P2光纤），利用S1/P2光纤的一半时隙（例如时隙1到M）传S1光纤的业务信号，另一半时隙（时隙M＋1到N，其中M≤N/2）传P2光纤的保护信号。
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同样S2光纤和P1光纤上的信号也利用时隙交换技术置于一根光纤（称S2／P1光纤）上。 二纤双向复用段倒换环如图5-34（a）所示。
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图5-34 二纤双向复用段倒换环
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二纤双向复用段倒换环采用1：1倒换方式，保护换环时遵照APS协议。
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SDH传输网的分层结构 我国的SDH网络结构分为四个层面，如图5-37所示。
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图5-37 SDH网络分层结构
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最高层面为长途一级干线网，主要省会城市及业务量较大的汇接节点城市装有DXC4／4，其间由高速光纤链路STM-4或STM-16组成，形成了一个大容量、高可靠的网孔形国家骨干网结构，并辅以少量线形网。
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第二层面为二级干线网，主要汇接节点装有DXC4／4或DXC4／1，其间由STM-1或STM-4组成，形成省内网状或环形骨干网结构，并辅以少量线形网结构。
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第三层面为中继网（即长途端局与市局之间以及市话局之间的部分），可以按区域划分为若干个环，由ADM组成速率为STM-1或STM-4的自愈环，也可以是路由备用方式的两节点环。 最低层面为用户接入网。
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SDH传输网的网同步 1.网同步的基本概念 （1）网同步的概念 所有数字网都要实现网同步。
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所谓网同步是使网中所有交换节点的时钟频率和相位保持一致（或者说所有交换节点的时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内），以便使网内各交换节点的全部数字流实现正确有效的交换。
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（2）网同步的必要性 在数字网中为了防止滑动，必须使全网各节点的时钟频率保持一致。
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（3）网同步的方式 网同步的方式有好几种，目前各国公用网中交换节点时钟的同步主要采用主从同步方式。
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所谓主从同步方式是在网内某一主交换局设置高精度高稳定度的时钟源（称为基准主时钟或基准时钟），并以其为基准时钟通过树状结构的时钟分配网传送到（分配给）网内其他各交换局，各交换局采用锁相技术将本局时钟频率和相位锁定在基准主时钟上，使全网各交换节点时钟都与基准主时钟同步。
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（4）从时钟工作模式 ①正常工作模式 ②保持模式 ③自由运行模式
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2．SDH的网同步 （1）SDH网同步结构 SDH网同步通常采用主从同步方式。
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①局间应用 局间同步时钟分配采用树形结构，使SDH网内所有节点都能同步。
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②局内应用 局内同步分配一般采用逻辑上的星形拓扑。
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所有网元时钟都直接从本局内最高质量的时钟——综合定时供给系统（BITS）获取，BITS是从来自别的交换节点的同步分配链路中提取定时，并能一直跟踪至全网的基准主时钟。
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（2）SDH网同步的工作方式 ①同步方式 ②伪同步方式 ③准同步方式 ④异步方式
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