SDH(同步数字体系)技术及其在广播电视传输网中的应用

2019-11-03 10:32:27

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　　摘要:介绍同步数字体系(SDH)技术的基本传输原理、SDH传输广播电视信号过程以及SDH技术在江苏广电光缆网中的应用和SDH技术在国内省级广播电视传输网中的应用概况。

　　关键词: SDH 广播电视网络, 应用

　　一、引言　

　　国际电信联盟标准部(ITU-T)的前身国际电报电话咨询委员会(CCITT)在1988年与美国国家标准化协会(ANSI)的T1委员会达成协议,将美国贝尔通信研究所1985年提出的同步光网络(Synchronous Optical Network ,缩写为SONET)概念和标准修订后重新命名为同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy,缩写为SDH),称为SDH技术。光纤传输具有传输频带宽、传输容量大、传输损耗低、传输信息不受电磁干扰等优点,用光纤传输的广播电视信号不仅传输质量好且信号稳定因而光纤已成为传输广播电视信号的新媒介,SDH技术与光纤技术相结合而构成的同步数字传输网是一个融复接、线路传输及交换功能于一体由统一网管系统管理操作的综合信息网络,可实现网络有效管理、动态网络维护、开业务时的性能监视等功能,有效地提高了网络资源的利用率,满足了广播电视传输网的信息传输和交换的要求,SDH技术目前已成为广播电视领域传输技术方面的发展和应用热点。

　　二、SDH技术的基本传输原理

　　SDH采用的信息结构等级称为同步传送模块STM-N(Synchronous Transport Module的缩写,N=1,4,16,64),最基本的模块为STM-1,四个STM-1同步复用构成STM-4,16个STM-1或四个STM-4同步复用构成STM-16；SDH采用块状的帧结构来承载信息,每帧由纵向9行和横向270*N列字节组成,每个字节含8比特,整个帧结构分成段开销(Section Over Head,缩写为SOH)区、STM-N净负荷区和管理单元指针(AU PTR)区三个区域,其中段开销区主要用于网络的运行、管理、维护及指配以保证信息能够正常灵活的传送,它又分为再生段开销(Regenerator Section Over Head,缩写为RSOH)和复用段开销(Multiplex Section Over Head,缩写为MSOH)；管理单元指针用来指示净负荷区域内的信息首字节在STM-N帧内的准确位置以便接收时能正确分离净负荷；净负荷区域用于存放真正用于信息业务的比特和少量的用于通道维护管理的通道开销字节。SDH的帧传输时按由左到右、由上到下的顺序排成串型码流依次传输,每帧传输时间为125微秒, 每秒传输1/125*10(-6)=8000帧,对STM-1而言每帧字节为8比特/字节*(9*270*1)字节=19440比特,则STM-1的传输速率为19440*8000=155.520Mb/s；而STM-4的传输速率为4*155.520Mb/s=622.080Mb/s；STM-16的传输速率为16*155.520(或4*622.080) =2488.320Mb/s。

　　SDH传输业务信号时各种业务信号要进入SDH的帧都要经过映射、定位和复用三个步骤：映射是将各种速率的信号先经过码速调整装入相应的标准容器(C),再加入通道开销(POH)形成虚容器(VC)的过程,帧相位发生偏差称为帧偏移,定位即是将帧偏移信息收进支路单元(TU)或管理单元(AU)的过程,它通过支路单元指针(TU PTR)或管理单元指针(AU PTR)的功能来实现；复用则是将多个低价通道层信号通过码速调整使之进入高价通道或将多个高价通道层信号通过码速调整使之进入复用层的过程；

　　以139.24Mb/s信号到STM-1的形成过程为例,139.264Mb/s信号首先进入容器VC-4,速率调整后输出149.76Mb/s的数字信号,进入虚容器VC-4中加入通道开销(POH)576Kb/s后输出150.336Mb/s的信号,在管理单元AU-4内加入管理单元指针(AU PTR)576Kb/s后输出150.912Mb/s的信号,因STM-N中的N=1故由一个管理单元组AUG加入段开销(SOH)4.608Mb/s后输出155.520Mb/s的STM-1信号。

　　SDH网络设备有交换设备,包括配有SDH标准光接口和电接口的交换机,传送设备包括终端复用器、分插复用器和数字交叉连接设备及再生器,接入设备包括数字环路载波、光纤环路系统等；其中分插复用器(Add/Drop Multiplexer 缩写为ADM)是SDH网络中应用最广泛的设备,它利用时隙交换实现宽带管理即允许两个STM-N信号之间的不同VC实现互连,并具有无需分接和终接整体信号即可将各种G703《数字体系接口物理/电气特性》规定的STM-N信号接入STM-M(M＞N)内作任何支路的能力,ADM在环形网中应用时还具有独特的自愈能力,即网络发生故障时无需人为干预就可在极短时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务,也就是说使网络具备发现故障的能力并能找到替代路由在时限内重新建立通信线路。

　　三、SDH技术传输广播电视信号的过程

　　SDH技术基本处于ISO/OSI的第一层,用来保障比特流传输的正确性,它不具备动态链路建立和交换能力,只拥有静态的电路分插复用和交叉连接能力,即通过操作员发出电路连接指令来建立某个物理通道；广播电视领域的SDH网起着公共的物理传输平台的作用,在此平台上一部分带宽用来传输经数字终端设备(CODEC)编解码的广播电视节目,另一部分用来直接传输用户数据或是传输从ATM、IP交换机汇聚来的数据流等。

　　用SDH技术传输广播电视信号必须先对信号进行数字化处理,数字化处理分为取样、量化、编码等步骤,取样即是以一定的取样频率抽取输入信号的一个瞬时幅度值(取样值),取样后得到一系列的脉冲式的取样值称为取样序列,量化即是对取样序列进行幅度上的离散化过程,编码就是用二进制代码表示量化值,在信号传输的目的地将量化值转换为信号的过程称为解码。由于电视信号编码后数据量大因而需对其进行压缩编码, 压缩编码主要是通过减少图像像素之间的相关性来达到压缩图像的目的,其主要优点是对传输容量的要求有所降低,缺点是当压缩所含信息量大的图像时由于要牺牲掉部分图像信息从而导致方块效应；图象压缩编码后每个数码对前后图像都有影响如果传输中发生误码则接收端还原出来的图像将会受较大影响即误码扩散问题；此外压缩编码还将给图像信号中插入如股票行情等增值信息带来不便等。

　　SDH的传输速率中34.368Mb/s和139.264Mb/s 是最适合电视图像传输的速率,广播电视节目信号是模拟信号,要先经过编码器变换成数字信号压缩后形成139.264Mb/s码率进入到C4容器或者压缩后形成34.368Mb/s进入C3容器并最终形成STM-1,广播电视节目的视频和音频信号存放在SDH的帧结构中的净负荷区域内,SDH设备的34Ms/s(或45Mb/s)和139.264Mb/s接口接图像编码器, 2Mb/s接口接数据和话音输入设备,转换成SDH形式的广播电视信号通过光纤或者微波发射进行传输,信号传到业务站点后经解码器将图像数据信号还原成模拟信号,通过调制器将其变换到相应频道经有线电视网传到用户家中。

　　我国的彩色电视采用是PAL制式,亮度信号(Y)取样频率13.5MHz,色差信号(R-Y,B-Y)的取样频率各为6.75MHz,Y,R-Y,B-Y每个取样信号被8bit量化则总的传输码率为13.5*8+6.75*8+6.75*8=216Mbit/s,对传输速率2.5Gb/s的STM-16而言只能传输8路视频信号,因而用SDH传输电视信号首先要对其进行压缩编码处理；传输广播电视信号常用的压缩编码技术有差值脉冲编码调制(DPCM),利用图像数据在空间和时间上的冗余特性用相邻的已知像素或图像块对当前待编码的像素或图像块进行预测然后对预测值和真实值的差值即预测误差进行量化和编码,这种压缩方式算法简单易于实现,缺点是编码压缩比低、对信道噪声及误码敏感、易产生误码扩散等。广播电视信号的传输目前采用这种压缩技术较多,每路电视信号经DPCM压缩编码成70Mb/s,两路70Mb/s信号复合成140Mb/s进入STM-1,即每个STM-1传输两路DPCM压缩的电视信号。除此之外还有MPEG-2压缩技术这是当前电视编解码的标准,电视节目信号可压缩到 1.5~15Mb/s,用SDH的STM-16(2.5Gb/s)可传输300多套MPEG-2压缩的数字电视信号,MPEG-2的缺点是压缩比较高时信号质量较差特别是压缩到2Mb/s以下时图像的马赛克效应非常明显,因而一般常压缩到8Mb/s,复用成34Mb/s进入C3容器最终形成STM-1,由于MPEG-2编解码器价格较高故目前应用较少。

　　SDH技术传输广播电视信号时要求SDH网较好的时钟同步性能和低抖动性能,网络的同步性能差会引起指针调整,指针调整将导致彩色电视信号瞬时变色,而网络的低抖动性能将通过SDH网传递给解码器在解码器输出端产生抖动引起信号色彩的变化；目前主要采用比特泄漏技术来减少指针调整的问题,或者在SDH信号进入映射器前将时钟信号和数据信号分离使数据信号经过映射器后再和时钟信号合成,但这种方法需对SDH设备作较大的改动。消除抖动的有效办法就是选用不引入抖动的SDH设备和能容忍抖动的图像编解码器等。SDH技术主要是为传输话音和数据业务而制定的,对视频业务而言SDH技术还存有许多不足之处有待于今后在实践中不断完善从而使其更加适合于广播电视信号的传输。

　　四、SDH技术在江苏广电光缆网中的应用

　　江苏省广播电视光缆传输网(简称江苏广电光缆网)是宽频带大容量双向式的数字传输网络,它外连全国广播电视传输网,内连省内各市县的有线电视网,最终发展目标是成为适应江苏省广播电视事业长远发展需要的数字化的宽带综合业务传输网络,1996年底原广播电影电视部通过了该网络总体技术方案的论证,一年后网络的建设工程全面展开,13个省辖市在省广电厅统一指挥下负责各自境内的光缆架设、熔接以及机房建设和设备安装等工作,经过一年多的建设该网络于1998年12月26日正式开通投入使用。

　　江苏广电光缆网主要由苏北光缆环网和苏南光缆环网两个环形网组成；苏南环网由省网中心出发经南京、镇江、常州、无锡、到苏州,从苏州的张家港市东沙镇过长江后到达南通,从南通到泰州、扬州等市再回到省网中心；苏北环网则将淮阴、宿迁、徐州、连云港、盐城等省辖市连接起来,苏南苏北两个光缆环网在扬州、泰州两地交汇,江苏电视台和江苏有线电视台与省网中心三点又组成一个小的SDH环网,整个网络总长1891公里,覆盖全省13个市64个县(市)五百多万有线电视用户。

　　SDH技术具有传输容量大、传输距离远、传输质量好、具有较强的网管功能和自愈功能、不同厂家的SDH设备能相互兼容且易于升级扩容并可传递综合业务等优点；国外电信运营商传输语音、视频和数据信号均采用SDH技术,国家广电总局已明确规定部级和省级广播电视干线网全部采用SDH传输技术；江苏广电光缆网采用SDH传输技术,传输容量为 STM-16,传输速率2.5Gb/s,苏南苏北两个SDH光缆环网的传输容量均为STM-16,其中13个STM-1(155Mb/s)用于传送广播电视信号,用1个STM-1建立全省广播电视系统的内部通信网同时提供富裕容量为其他专业系统服务,用1个STM-1开展计算机广域联网服务为开展数据业务创造条件,用1个STM-1开展数据视频和数据音频业务,根据用户需求可提供50到100套以上的视频和音频节目,开展视频点播等视听新业务。

　　江苏广电光缆网采用法国阿尔卡特公司的的Alcatel 1715 VC多信道视频/音频编解码器和Alcatel 1664 SM2488Mb/s(STM-16)同步插分复用设备(即ADM2400)传输广播电视信号,1715VC采用的是混合差分脉码调制(HDPCM)技术,摸拟视频信号送入1715VC的编码器变换为数字比特流,经光缆线路传输到目的地后用解码器将其变换为摸拟视频信号；每个STM-1传送2路视频信号和4路音频信号。苏州、无锡、常州、徐州、淮阴、连云港等省辖市为市级中继站,可下载和向省网中心回传广播电视节目信号,主要设备是ADM2400和1715 VC；常熟、宝应、海安等地为再生中继站,主要设备是ADM2400,只对网络中传输的光信号起再生和放大作用,不可下载和回传广播电视节目信号。

　　省有线台、省电视台和省网中心组成的小的SDH光缆环网的传输容量为STM-4, 其中一个STM-1用于省网中心向两个省级台回传各省辖市的节目信号, 两个省级台各用一个STM-1向省网中心传送电视节目信号,另一个STM-1用于组建数据传输系统；两个省级台的广播电视节目各自用数字编码设备变换成符合标准的数字信号通过传输容量为STM-4的SDH环网传到省网中心,直接进入省网中心的SDH光传输设备经光缆线路送到各市级中继站,在市级中继站再用数字解码设备将其还原成相应的广播电视节目信号；各市级中继站回传的广播电视节目用数字编码设备转换成数字信号后通过江苏广电光缆网直接传到两省级台再解码,这样可确保网络中的上、下行信号的传输质量。省有线台在苏州、常州、镇江等地现场直播《非常周末》节目时就是利用该网络先将节目信号传到省网中心再传到江苏有线台经编辑加工后再用该网络将节目信号传到其他市,由于网络技术指标较高因而网络很少出现不良的传输现象。

　　江苏广电光缆网的网络管理系统设在省网中心由省网中心利用SDH强大的网络管理能力对网络进行管理,采用的是Alcatel1353EML(网元管理层),它是管理SDH设备的集中的网络管理系统,主要提供配置管理功能即对所监视的网元进行控制、提供的故障管理功能使操作人员及时检测出网络的故障、性能管理功能主要提供网络性能的报告和评估等。

　　江苏广电光缆网采用两纤复用段保护环的保护形式,传输波长为1550nm ,所用光缆要求在1550nm窗口处光纤衰减系数≤0.22 dB/km,色散系数≤18ps/nm.km；在1550nm窗口下光纤接头熔接损耗一般应小于0.02dB,最大不超过0.06dB, 中继段衰减小于0.23dB/km。网络的技术指标, 按国内部分分配的方法折算的苏州-常熟中继段的误码指标为 ESR=0.2045%, SESR=0.002556%, BBER= 2.5562.E(-6),苏州-常熟中继段的光通道总衰减要求为17.66dB,总色散要求为792ps.nm。

　　江苏广电光缆网目前采用HDPCM浅压缩视频编解码的方式传输视音频信号,今后业务量大时则采用MPEG-2视频压缩编码和波分复用的方式进行扩容,传输容量将达到STM-64,传输速率达10Gb/s。网络目前的主要功能是传输广播电视节目信号,在此基础上可和节目制作部门合作开办专业频道形成各频道的特色从而为用户提供丰富多彩的各具特色的广播电视节目。在完成广播电视信号传输的同时网络还具有相当容量的通信和数据传输能力,为今后开展宽带、窄带数据业务创造了有利条件,例如可为政府部门、科研教育等专业用户提供数据通道使其能建立本系统的全省数据专用网；建立广播电视行业内部通信网开展可视电话、办公室会议系统、计算机联网等业务；利用广电网络和教育医疗部门合作为社会提供远程教学和远程医疗服务、和宾馆酒店合作建立视频会议系统会场提供面向社会和公众服务的视频会议系统；和商业部门合作建立购物频道实现网上购物等、建立广播电视宽带数据网实现新闻交换、资料交换,建立广播电视视音频数据库为社会提供各种实用信息等。

　　五、SDH技术在国内广播电视省级干线传输网中的应用概况

　　SDH技术已被国际电信联盟标准部(ITU-T)确定为长途传输的标准技术,国外电信运营商既用SDH技术传输语音信号和数据信号又用其传输视频信号；近年来全国许多省市都在兴建广播电视长途传输干线网,原广播电影电视部在1995年研究制定全国有线电视联网规划时已明确规定国家部级干线和各省级干线全部采用SDH传输技术,数据流的传输码率为2.5Gb/s即STM-16。近年来国内许多省份建设的广播电视省级干线网都采用了SDH技术,如山东省有线广播电视传输网呈一环五线型结构,光纤干线总长2300多公里,采用传输速率2.5Gb/s 的SDH技术,网络的保护方式采用两纤单向通道保护。可传32套浅压缩的视频和64套音频节目。天津市将在全市范围内建设3个环形数字光缆干线和通往蓟县的一条数字光缆干线,干线采用SDH技术传输数字信号,分中心向下采用HFC网络,每个光节点覆盖2000个用户,全市各区县目前已拥有400公里的光缆。广东省有线电视光纤联网的干线全长3500公里途经37个县市,覆盖了全省所有21个地级市,网络为环形和栅形相结合的结构,采用了传输速率2.5Gb/s的SDH技术和两纤双向复用段保护方式,选用12芯光缆和阿尔卡特公司的视音频传输设备；该网络能同时传输16套电视节目和8套广播节目；在SDH传输网的基础上广东还将利用ATM交换网在全省范围内引入视频节目实时交换、计算机广域网、会议电视系统业务等。浙江省于1997年3月开工建设有线广播电视光缆主干传输网,架设光缆长达1500公里,采用美国朗讯公司的数字压缩异步转移模式复接和数字同步系列光传输设备,除可以传送256套高质量的广播电视节目外还可用于数据传输、计算机联网等项目。湖北省有线广播电视传输网干线一期工程全长2247公里,连接全省15个地市和19个县市以及省卫星上行站,采用SDH技术其主干网容量为STM-16,传输速率为2．5Gb/s,下传电视节目采用MPEG-2视频压缩,上传采用浅压缩视频编码,设备采用朗讯公司的STM-16分插复用器Wavestar ADM 16/1和DVS-2000编解码器,所用光缆为8芯光纤,与国家干线同缆的部分则为24芯光纤,武汉到宜昌中继段则为28芯,国家干线在湖北省境内全长1700公里,占用16芯光纤,省干线与国家干线同缆时采用地埋敷设的方式,单独敷设则为架空形式；主环路采用二纤双向复用段倒换环保护形式；二期工程全长3437公里将连接到县市。河北省有线电视网主干网一期工程有1700公里光缆线路和336公里数字微波线路,覆盖全省11个省辖市120万用户,传递6套电视节目、3套立体声广播和多种图文信息等。网络采用加拿大北方电讯的SDH光传输设备和微波传输设备,传输容量STM-16,传输速率2.5Gb/s,采用双纤自愈环和128QAM微波技术。安徽省正在建设连接全省16个地市的全长2100公里的广播电视光纤省干线网,同时建设延伸到县的全长1910公里的省支干线,主网为二环一线型式,采用2.5Gb/s的SDH体系,其特点是光纤网一次规划到县,已通过原广播电影电视部鉴定。甘肃省有线广播电视传输网省级干线采用数字微波传输方式,网络呈树枝型结构分布,采用SDH传输体制,地区干线网采用光纤或微波等传输手段,传输网规划及技术方案已于1998年3月通过国家广电总局的论证。江西省广播电视光缆网于2000年2月15日正式开通,网络采用2.5Gb/s的SDH光传输系统和MPEG-2数字视频压缩技术,连接全省11个地市全长约2300公里,光缆铺设以直埋为主；目前可下传4套视/音信号及2套立体声广播音频信号至11个城市,11个地市同时各回传1套视/音频信号。云南省广播电视信息传输网省级干线一期工程全长1420公里,覆盖了云南省的昆明、玉溪等7个地市州和全省57%的人口,该省干线的传输速率为 2.5Gb/s,传输容量为STM-16,包括2.5Gb/s传输设备站点15个、会议电视会场和节目传送点7个,采用的是国内华为公司生产的获国家广电总局SDH设备入网认证的SBS2500和会议电视系统、电源系统等设备,一期工程目前完成；二期工程的光缆干线全长1824公里,将连接9个地市州。重庆市有线电视传输网干线总长度3096公里,采用SDH传输技术,网络结构为三环四链型,其中两个环网采用STM-16的传输容量,其余的环网和链形支路则为STM-4,传输内容为12套模拟电视节目和一个34Mb/s信道的数据下行。此外陕西省的陕南主干线SDH数字微波传输信号已于1997年7月全线开通,关中地区的省级光缆主干线网也已立项建设。吉林省的广播电视微波网的数字化改造工程也采用了SDH传输技术；广西壮族自治区也已开始规划建设连接全区14个地级市的广播电视光缆传输网,该网络也将采用SDH技术。

　　国家级广播电视光缆干线网也采用SDH技术,目前已架设了1.4万公里缆长的光缆,1999年10月连结京津冀鲁豫5省市的广播电视国家干线网已建成开通,采用国内华为公司2.5Gb/s的SDH设备；连结京津冀鲁豫鄂湘赣皖苏沪浙闽粤等14省市的广播电视国家干线网将于2000年上半年开通,连结晋陕川渝滇贵桂等7省区的广播电视国家干线网也将于2000年开通。

六、结束语

　　SDH技术是一种新型的传输技术, 这种技术的一系列优点使其非常适合传输广播电视信号因而近年来该技术在各级广播电视传输网中的应用正越来越普遍,但是SDH技术用于传输广播电视信号尚属于新兴技术因而在应用中还存在许多不足之处,有待于在今后的应用中不断完善；可以预料随着广播电视传输网络的建设不断发展SDH技术将在广播电视领域中获得更广泛的应用,同时SDH技术的应用也必将大大推动广播电视网络建设事业的发展。

摘自《光电产品世界》

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