sdh技术及其在广播电视传输网中的应用

SDH(同步数字体系)技术及其在广播电视传输网中的应用 内容提要摘要: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(MN)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 1.515Mb/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 25Gb/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