如何在CATV中應用SDH技術

2019-11-03 09:06:03

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供稿：網友

何淑貞

　　摘要本文重點介紹SDH在廣播電視傳輸網中的應用：SDH技術如何傳輸廣播電視信號，在HFC接入網中ip是如何傳送的，以及SDH技術在我國廣播電視傳輸網中的應用概況。

　　一傳輸體制SDH簡介

　　1 SDH同步數字系列產生的時代背景

　　SDH傳送網的概念最初于1985年由美國貝爾通信研究所提出，稱之為同步光網絡(Synchronous Optical NETwork .SONET)。它是由一整套分等級的標準傳送結構組成的，適用于各種經適配處理的凈負荷(即網絡節點接口比特流中可用于電信業務的部分)在物理媒質，如光纖、微波、衛星等上進行傳送。該標準于1986年成為美國數字體系的新標準。國際電信聯盟標準部(ITU-T)的前身國際電報電話咨詢委員會(CCITT)于1988年接受SONET概念并與美國標準化協會(ANSI)的TI委員會達成協議，將SONET修訂后重新命名為同步數字系列(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)，使之成為同時適用于光纖、微波、衛星傳送的通用技術體制。

　2 SDH數字傳輸網的傳輸原理

　　1) SDH傳輸網的基本構成

　　SDH傳輸網是由一些SDH網絡單元組成的，在光纖、微波或衛星上進行同步信息傳送，融復接、傳輸、交換功能于一體，由統一的網絡管理操作的綜合信息網?？蓪崿F網絡有效管理、動態網絡維護、對業務性能監視等功能，能有效的提高網絡資源的利用率，能滿足廣播電視干線傳輸網的信息傳輸和交換的要求，對提高廣播電視傳輸質量有了質的飛躍，因而SDH技術正成為廣播電視領域傳輸技術方面的發展和應用熱點。

　　SDH有全世界統一的網絡節點(NNI)，從而簡化了信號的互通以及信號的傳送、復用、交叉連接和交換過程，它有一套標準化的信息結構等級，稱為同步傳送模塊(Synchronous Transport Module)，STM-N。當n=1、4、16時，其最基本的模塊為 STM-1、STM-4和STM-16，并具有一種塊狀幀結構，允許安排豐富的開銷比特(即在網絡節點接口比特流中扣除凈負荷后的剩余部分)用于網絡的運行、管理和維護(OAM)。它的基本網絡單元有同步光纖線路系統或SDH微波傳送系統、同步復用器(SM)、分插復用器(ADM)和同步數字交叉連接設備(SDXC)等等，其功能各異，但都有統一的標準光接口或電接口，能夠在基本的傳送線路上實現橫向兼容性，即允許不同廠家的設備在傳送線路上互通。它有一套特殊的復用結構，允許現存的PDH體系、SDH體系和B-ISDN信號都能進入其幀結構，因而具有廣泛的適應性。SDH還大量采用軟件進行網絡配置和控制，使得新功能和新特性的增加比較方便，適于將來不斷發展。

　　SDH傳送網最重要的兩個網絡單元是終端復用器和分插復用器。以STM-1為例，終端復用器的主要任務是將低速支路信號和155Mb/s電信號納入STM-1幀結構，再經CMI(符號反轉碼)變換后進入微波傳送系統，其逆程正好相反。分插復用器，將同步復用與數字交叉連接功能綜合于一體，具有靈活的分插任意支路信號的能力，在網絡設計上有很大的靈活性。由這兩種基本網絡單元組成的典型網絡應用有多種形式，有點到點應用、線型應用、構成樞紐網、構成環形網、構成雙環形網和網孔形應用，在實際應用中還可出現其他以外的形式。

　　2) SDH技術的傳輸原理

　　SDH用來承載信息的是一種塊狀幀結構，塊狀幀由縱向9行和橫向270×N列字節組成，每個字節含8b(bit)。整個幀結構由段開銷區、凈負荷區和管理單元指針區三部分組成。其中段開銷區主要用于網絡的運行、管理、維護及指配，以保證信息能夠正常靈活地傳送，管理單元指針用來指示凈負荷區域內的信息首字節在STM-N幀內的準確位置，以便接收時能正確分離凈負荷。凈負荷區域用來存放用于信息業務的比特和少量的用于通道維護管理的通道開銷字節。

　　SDH的幀傳輸時，按由左向右，由小到大的順序排成串型碼流依次進行。每幀傳輸時間為125μS，每秒傳輸1/125×106 =8000幀。對STM-1而言，每幀能傳輸的比特數為8×(270×9×1)=19940b，則STM-1的傳輸速率為19440×8000=155.52Mb/s，而STM-4為622.080Mb/s、STM-16為2488.320Mb/s。

　　各種業務信號進入SDH的幀結構都要經過三個步驟，即映射、定位和復用。映射就是將各種進來的速率不等的信號先經過碼速調整，再裝入相應的標準容器C中，同時加入通道開銷POH形成虛容器VC。定位就是將幀相位發生偏差的(稱幀偏移)的信息收進支路單元或管理單元，它通過支路單元指針或管理單元指針的功能來實現。復用就是將多個低階通道層信號通過碼速調整進入高階通道或將多個高階通道層信號通過碼速調整進入復用層的過程。以139.264Mb/s信號到STM-1的形成為例來說明這三個步驟。139.264Mb/s信號首先進入標準容器，速率調整后輸出149.76Mb/s數字信號，進入虛擬容器，加入通道開銷576kb/s后輸出150.336Mb/s的信號，在管理單元內加入管理單元指針576kb/s，輸出150.336Mb/s的信號，因N=1，故由一個單元組加人段開銷4.608Mb/s后，輸出155.520Mb/s的STM-1信號。

　　3 SDH的特點

　　1) SDH統一了北美、日本和歐洲三個地區性標準，各種數字傳送信號在STM-1等級以上獲得統一，使國際電信互通成為可能。

　　2) 由于SDH電信傳送采用了同步復用方式和靈活的映射結構，可以利用軟件實現高階信號與低階支路信號之間所謂的一步復用，上下業務十分容易，大大簡化了交叉連接設備。

　　3) 由于SDH幀結構中安排了大約占總信號5%的豐富的開銷比特，極大的加強了網絡的運行、管理和維護能力。

　　4) SDH傳送網具有信息傳送透明性。

　　5) 統一了網絡接口標淮，使不同廠家的產品可以直接互通，各種傳送媒質如光纖、數字微波等可以直接連接，組網十分方便。

　　6) 網絡兼容能力強，它能與現有的PDH完全兼容，并容納各種新的業務信號。

　　二如何應用SDH技術傳輸廣播電視信號

　　廣播電視領域的SDH網起著公共物理傳輸平臺的作用，在此平臺上，一部分帶寬用來傳輸廣播電視節目，另一部分用來直接傳輸用戶數據或從ATM、IP交換機匯聚來的數據流等。下面將介紹目前廣播電視信號將如何由SDH技術傳輸。

　　1 將模擬電視信號變換為數字信號

　　SDH是同步數字系列，所傳輸的信號是數字信號，而我國目前的廣播電視節目是模擬信號，用SDH技術傳輸廣播電視信號必須先對信號進行數字化處理，其步驟為抽樣、量化、編碼等步驟。

　　1) 抽樣：抽樣是以一定的頻率抽取電視輸入信號的一個瞬時幅度值，稱為抽樣值，抽樣后得到一系列脈沖式的抽樣值，稱為抽樣系列。我國的彩色電視采用的是PAL制，亮度信號(Y)抽樣頻率是13.5MHz、色差信號(R-Y、B-Y)的抽樣頻率為6.75MHz。

　　2) 量化：模擬信號進行抽樣以后，其抽樣值還是隨信號幅度連續變化的。當這些連續變化的抽樣值通過噪聲信道時，接收端不能準確地估值所發送的抽樣。如果發送端用預先規定的有限個電平來表示抽樣值，且電平的間隔比干擾噪聲大，則接收端將有可能準確地估值所發送的抽樣。因此，有可能消除隨機噪聲的影響。

　　利用預先規定的有限個電平來表示模擬抽樣值的過程稱為量化。抽樣是把一個時間連續信號變換成時間離散的信號，而量化則是將取值連續的抽樣變成取值離散的抽樣。

　　3) 壓縮編碼：編碼就是用二進制代碼表示量化值，在信號的接收端將量值轉換為信號的過程稱為解碼。由于編碼后數據量大，因而須進行壓縮，稱壓縮編碼。我們前面介紹的彩色PAL制對亮度信號Y、色差信號R-Y、B-Y，每個抽樣信號被8b量化，總的傳輸碼率為216Mb/s，對傳輸速率為2.5Gb/s的STM-16來說，也只能傳輸8路彩色電視信號，因而首先要對其進行壓縮碼處理。當前電視編解碼的標準是差值脈沖編碼調制(DPCM)和MPEG-2壓縮技術，使用MPEG-2技術，可將信號壓縮到1.5-15Mb/s，這樣一個STM-16的容量就可傳輸由沒有壓縮時的8套電視節目提高到300多套數字電視信號。

　　2 數字電視信號如何由SDH傳輸網傳輸

　　SDH的傳輸速率中34.368Mb/s和139.264Mb/s最適合電視圖像傳輸。廣播電視模擬信號，經過處理變換成數字電視信號后，壓縮形成139.264Mb/s碼率進入C-4容器，或者形成34.368Mb/s進入C-3容器并最終形成STM-1。廣播電視節目的視頻和音頻信號存放在SDH幀結構中的凈負荷區域中，SDH設備的34.368Mb/s和139,264Mb/s接口用于與圖像編碼器相連，2Mb/s接口用于數據和話音輸入設備相連。經這樣轉換成SDH形式的STM-1廣播電視信號通過光纖或者微波發射進行傳輸，信號傳到業務站點后經解碼器將圖像數據信號還原成模擬信號，通過調制器將其變換到相應的頻道，經有線電視HFC網傳到用戶家中。

　　三在CATV網中采用SDH傳輸IP

　　在有線電視網中用何種技術傳輸IP，取決于CATV網所采用的傳輸技術。現在我國的CATV網絡在省內和省外均采用了SDH傳輸體制，所以，在CATV網中的IP傳輸技術有IP over ATM、IP over SDH和IP over DWDM三種形式。下面簡單介紹這三種方式并作比較。

　　1 IP Over ATM

　　ATM作為多業務平臺，具有很強的多業務支持能力，ATM的優勢主要是它的可擴展性和靈活性。在廣播電視SDH環網中，可以容易地實現有線電視臺間節目交換，應用ATM的流控制可以實現視頻傳輸的分級服務，ATM還可以實現電視節目實時的非對稱傳輸，部分省內和地市以下的傳輸網仍采用ATM技術。

　　優點：可利用ATM的QoS特性，保證網絡的服務質量；網絡具有很好的可擴展性和靈活性；支持多種業務、數據、語音、視頻匯集到一個網絡上，并為不同業務類型提供不同的服務質量QoS；有很好的網絡流量管理和控制性能，表現在ATM流量控制方面非常精細，這一點對帶寬是非常寶貴的、線路費用非常高的廣域網來說就顯得十分重要，這是目前ATM能在廣域網中被廣泛采用的原因之一。

　　缺點：由于IP數據包須映射成ATM信元，由此形成的傳輸開銷稱為“信元稅”，故傳輸效率低；網絡管理比較復雜；不太適用于超大型IP骨干網。

　　2 IP Over SDH

　　 ATM能支持多種業務曾經是它獨一無二的特點，但隨著IP技術的發展和網絡硬件的不斷完善，今天的IP已成為各種業務的核心，數據、語音和視頻業務都可由IP承載，ATM的優點已由IP技術取代，特別是當數據的業務量超過語音和視頻時，更顯得ATM沒有存在的必要，況且去掉ATM還可以提高傳輸效率。因此，IP Over SDH應運而生，這一技術也極大的動搖了ATM在廣域網中的地位。

　　IP Over SDH是IP數據包通過采用點到點協議PPP，映射到SDH幀上, 采用的是高速路由器逐包轉發方式，按各次群相應的線速進行連續傳輸。

　　優點：省去了ATM層, 簡化了網絡結構，提高了傳輸效率百分之二十到三十；可以充分發揮SDH技術的各種優點，如SDH使國際電信互通成為可能，SDH幀結構中安排了豐富的開銷比特，可以加強網絡的運行、管理和維護能力，網絡有很好的兼容性等；將IP網絡技術建立在SDH傳輸平臺上，可以很容易的跨越地區和國界，兼容不同技術和標準，實現全球聯網。在廣電網絡的平臺上IP over SDH適用于省際網絡和省內網絡上的IP傳輸。

　　缺點：IP Over SDH目前尚不支持虛擬專用網VPN和電路仿真；在所有包交換技術中，ATM的QoS是最好的，它可以做到電路仿真，而IP Over SDH技術只能進行業務分級，不能提供較好的QoS；對大規模的網絡須處理龐大、復雜的路由表，而且查找困難，路由信息占用較大的帶寬。

　　3 IP Over WDM

　　隨著傳輸技術的發展，以IP業務為主對網絡的進一步優化設計將是IP over DWDM。

　　波分復用技術(WDM)是在一根光纖中能同時傳輸多個波長的光信號的一種技術。其原理是：在發送端將不同波長的光信號組合，在接收端又將組合的光信號分開并送入不同的終端，這就意味著，原來只能采用一個波長作為載波的單一光信道，變為數個不同波長的光信道同時在光纖中傳輸，從而使光通信的容量成倍的提高。WDM技術的實現，主要由波分復用器來完成。波分復用器是一個無源光學器件，器件結構簡單，體積小，可靠性高，易于和光纖耦合。WDM系統有三種基本結構，即光多路復用單向單纖傳輸，光多路復用雙向單纖傳輸和光分路插入傳輸。組網靈活，對開發帶寬新業務，充分挖掘和利用光纖帶寬的能力，實現超高速通信具有十分重要的意義。 IP Over WDM通俗的說法就是讓IP數據包直接在光路上跑，減少網絡層之間的冗余部分。由于省去了中間的ATM和SDH層，其傳輸效率最高，節省了網絡運營商的成本，同時也降低了用戶的費用，是一種最直接、最經濟的IP網絡結構體系，非常適用于特大型IP骨干網。

　　主要特點：充分利用光纖的低損耗波段，增加光纖的傳輸容量，效率最高，成本最低；可同時在一根光纖中實現雙向多媒體通信傳輸；可在不改變光纜設施的條件下，改變通信系統的組態，在網絡設計中有很大的靈活性，自由度大，擴容更方便；對器件性能要求不高，使用的主要器件波分復用器可靠性高，故障率低，便于維護。

　　4 三種方案比較及發展趨勢

　　在相當長一段時間里，三種技術方案還將視不同情況并存，而較理想的IP Over WDM在國際上正處在開發研制和進一步完善之中，距離商業應用還有一段距離。到IP over WDM商用時，廣電網絡已十分接近光纖入戶的理想接入方案，廣大的用戶被HFC寬帶接入信息高速公路的骨干網上，而成為不斷發展的網絡平臺。

　　四 SDH技術在我國CATV網中的應用概況

　　原廣播電影電視部在1995年研究制定全國有線電視聯網規劃時已明確規定，國家部級和省級干線全部采用SDH傳輸技術，數據流的傳輸碼率為2.5Gb/s，即STM-16。

　　五結束語

　　SDH傳輸技術，廣泛應用于傳輸領域，它的一系列優點非常適合于廣播信號的傳輸。但由于SDH技術原主要是為傳輸話音和數據業務而制定的，對視頻而言它還有許多需完善的地方，如使用SDH技術傳輸廣播電視信號時，要求有較好的時鐘同步性能和抖動性能。網絡的同步性能差會引起指針調整，而指針調整會使彩色電視信號瞬時變色，網絡的抖動性能不好，會引起解碼器輸出端產生抖動，引起信號色彩變化。這些問題有待在應用、發展中不斷完善。

----《通信世界》