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1、国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文=_ _-=摘要随着S D H 传送网逐步向高速、智能化发展，在网络的安装、开通、验收、维护与故障查询中，测试的作用越来越重要。在国内的S D H 测试设备长期依赖于国外进口的背景下，根据课题要求，本文以虚拟仪器的设计思想，设计了基于P C IE x p r e s s 总线的S D H 光纤通信测试仪，并通过了实验验证，主要研究的内容如下：1 S D H 传输系统的相关内容。研究了S D H 帧结构、帧定位、映射与复用结构、指针调整、扰码与解扰等相关内容。2 S D H 传输系统中误码测试与指针分析。介绍了S D H 传输系统误码产生的原因、分布规律与
2、指针调整的统计特性，并讨论了误码与指针的测试分析方法。3 基于P C IE x p r e s s 总线的高速数据通道的建立。为实现采集、存储与回放2 5 G b p sS D H 光纤信号，从硬件、软件两个方面讨论了基于P C IE x p r e s s 总线的高速数据通道的建立方法。4 提出了系统的总体设计方案并进行了可行性分析，对系统各个功能模块的设计方法进行了详细的说明。关键词：S D HP C IE x p r e s s 误码测试指针分析第i 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文第一章绪论随着S D H 光传送网的迅速发展，相应的测试仪也必然同步的发展起来，在网络工程的安装
3、、验收、维护与排障进程中，S D H 测试仪都起着非常重要的作用。S D H 光传送网带宽高，承载内容复杂，对其测试不仅需要提取超高速光信号进行误码率等项目的测试，而且有时还需要将信号存储进行承载内容的分析，P C IE x p r e s s 作为新一代的总线系统，具有相当低的延时和非常高的带宽，在虚拟仪器日益流行的趋势下，这样的带宽特别适合于测试和测量应用。1 1S D H 光同步传送网及其测试的概述S D H(S y n c h r o n o u sD i g i t a lH i e r a r c h y，同步数字体系)是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作
4、的综合信息传送网络，是美国贝尔通信技术研究所提出来的同步光网络(S O N E T)。国际电话电报咨询委员会(C C I T T)(现I T U T)于1 9 8 8 年接受了S O N E T 概念并重新命名为S D H，使其成为不仅适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。它可实现网络有效管理、实时业务监控、动态网络维护、不同厂商设备间的互通等多项功能，能大大提高网络资源利用率、降低管理及维护费用、实现灵活可靠和高效的网络运行与维护，受到人们的广泛重视【l J。S D H 网是由一些S D H 网元组成的，在光纤(或无线)上进行同步信号传输、复用、分插和交叉连接的网络。它有符合国际标
5、准的网络节点接口和标准化的信息结构等级，称为同步传送模块S T M-1，S T M-4，S T M 1 6，S T M 6 4 和S T M 2 5 6，具有块状帧结构，允许安排丰富的开销比特(即网络节点接口比特流中扣除净荷后的剩余部分)用于网络的运行、管理和维护。S T M 1 的帧结构如图1 1 所示【1 1。多年来一直有人预测S D H 会迅速消亡，但这个看起来陈旧的技术却显示了它顽强的生命力和良好的适应性。互联网泡沫破灭之后，电信产业也开始回归现实，降低成本、削减花费已成为发展主旋律。运营商们普遍采取更为谨慎的投资态度和最大限度利用现有网络的策略。另外，电信设备市场已由新型运营商向有政
6、府背景的传统运营商过渡，由于大多数传统运营商在S D H 设备上都有大量投资，有价值3 0 0 0 亿美元的装机量为基础，S D H 在未来的几年之内，都仍将是最主要的传送网协议，必将占有相当大的市场份额。目前，我国已完成了全国数字同步骨干网以及大部分省内数字同步网的建设工作。S D H 正逐步向高速、智能化迈进，网内多种新技术、新业务不断的出现，对网络的稳定、可监控、动态维护又提出了第l 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文崭新的课题。对S D H 光纤通信自动测试相关领域的研究，已经受到了网络制造商和运营商的高度重视。9 x 2 7 0 x N 字节-一-，一一-一-，-J f 身世
7、ol戮：?!0 鹄，；毋，7镱妒#：徽；帮孑雾 静：驾x滋JA 1 A lA 2A 2m知!：拓施。，孙弘，茹。，圭鹾A 兹。i J“：盘二蕊菇$孰。8B lE lF l3D lD 2D 34管理单元(A L D 指针S 1 1-N 净负荷5B 2B 2B 2K lK 2o,a g o a d)D 4D 5D 6D 7D 8D 9D l OD l lD 1 29S lM lE 21图1 1S T M-1 帧结构任何网络的安装、开通、验收、维护乃至故障查询等，都离不开测试。S D H具有自己的特点与特性，其测试方法和测试内容与传统的电信测试有许多不同。S D H 系统是一个开放系统，它为大容量光
8、纤通信系统提供了标准的网络节点接口，使得来自不同厂家的S D H 网络设备能够直接在光路上互通，对于系统测试来说则必须对网络设备的大容量线路接口进行严格的测试，确认是否满足一系列必要的要求。根据电信设备及网络所处的状态，S D H 测试分为三类 2 1：(1)单机测试。指单个网络单元测试，包括功能、物理参数验证等；(2)系统测试。网络单元在互联情况下的系统指标测试，检查链路是否合乎设计要求，如误码性能、网络管理、服务质量等；(3)维护测试。指系统已经开通运行，当网络的业务质量下降时，通常系统自身的检测系统能够给出网络哪部分失常，即系统能够进行自动的故障定位。从测试角度看，S D H 网络或网络
9、段的输入输出接口和支路输入输出接口与单个S D H 网络单元所具有的接口是完全相同的，测试者完全可以在这两种情况下采用同样的测试配置。有关S D H 测试内容大致可划分为四大类【2】：(1)传送能力的测试。包括B E R 测试，映射和去映射测试等，用以显示S D H传送净负荷的能力。即考察净负荷通过网络传输后的完整性。(2)指针测试。包括定时偏移，净负荷输出抖动测试等，用以显示S D H 容许异第2 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文步工作的能力。即考察净负荷通过网络传输后，信息码流的频率及相位变化。(3)嵌入开销测试。包括告警和性能监视功能测试，协议分析等，用以确认开销功能，检查设备
10、对开销字节的利用情况。(4)线路接口测试。包括一系列电接1 2 1 和光接口参数的测试，用以保证光路上的横向兼容性，以及保证传输质量。1 2P C IE x p r e s s 系统体系结构简介P C IE x p r e s s 是用来互连诸如计算机和通信平台应用中外围设备的第三代高性能I O 总线。P C IE x p r e s s 体系结构继承了第二代P C I 总线结构最有用的特点，并且采用了计算机体系结构中新的开发成果，是一种能够应用于移动设备、台式电脑、工作站、服务器、嵌入式计算和通信平台等所有周边I O 设备互连的总线。P C IE x p r e s s 高端服务器系统的拓扑
11、结构如图1 2 所示【3】。图1 2P C IE x p r e s s 高端服务器系统P C IE x p r e s s 规范定义了一种分层的设备设计体系结构，使用基于数据包的协议来编码事务，如图1 3 所示。它共分为四层，从上到下分别为：软件层(S o i h a r el a y e r)、处理层(T r a n s a c t i o nL a y e r)、数据链路层(D a t aL i n kL a y e r)和物理层(P h y s i c a lL a y e r)，它们在垂直方向上又可以进一步分成两部分：处理出站流量的发送部分和处理入站流量的接收部分【3】。第3 页国防
12、科学技术大学研究生院工学硕士学位论文P C I E x p r e s s 设备AP C I E x p r e s s 设备B图1 3P C IE x p r e s s 设备的分层(1)软件层。软件兼容性是P C IE x p r e s s 最重要的特性之一。软件层的寻址模式与P C I 标准保持兼容，保证现有的所有应用程序和驱动都可以进行直接移植。操作系统在P C IE x p r e s s 初始化过程中能够发现系统中所有的附加硬件设备，并进行系统资源的分配，P C IE x p r e s s 架构内部的初始化模型与P C I 相比没有变化，因此所有的操作系统都可以不作任何修改，直
13、接在一个基于P C IE x p r e s s 的机器上启动，另外，P C IE x p r e s s 架构保持了P C I 标准使用的运行态软件模型，以保证所有的现有软件都可以不经修改直接移植。(2)处理层。处理层使用了一种基于数据包的协议。它从软件层接受读写操作请求，并创建请求数据包发送到链路层。所有的请求都将单独处理，其中的一些请求数据包还需要响应数据包的配合，处理层同样接受链路层发送的响应数据包，并与原始的软件请求进行匹配，每个数据包都有唯一的标识符，使得响应数据包能够正确指向发起请求的数据包。(3)链路层。链路层保证了数据包能够可靠地通过P C IE x p r e s s 连接
14、完成传输。通过使用基于可靠性的数据流控制协议，P C IE x p r e s s 确保了在数据包传送时，仅在接收端有缓存空间可以接收数据，以此避免了任何的数据包重传和由此带来的第4 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文带宽损失。而在信号受损的情况下，链路层将自动重传数据。(4)物理层。在物理层中，P C IE x p r e s s 引入了多信道的概念，提升了系统的带宽。基本的物理层包括一个以传输对和接收对组成的双工信道，P C IE x p r e s s 的初始传输速度为2 5 G b p s，因此在单信道的每个传输方向上能提供2 5 0 M B s 的带宽，这已经是传统P C I
15、 设备的二至四倍，另外，与P C I 的设备之间共享带宽不同，P C I总线上每个设备是独享带宽的。P C IE x p r e s s 的带宽可以通过信道扩展而成倍增加，从理论上说，数据包将在被分割之后分别放入这些信道中，未来的性能提升方案，如编码技术或传输介质的改变，将仅仅影响到物理层。将两台设备连接在一起的一个P C IE x p r e s s 互连称为一条链路。一条链路在每个方向上可以有1、2、4、8、1 2、x1 6 或3 2 个信号对。这些信号称为通道。设计者可以根据给定链路要求的目标性能基准来确定实现多少条通道。表1 1 列出了各种链路宽度实现的总带宽数口1。表1 1P C I
16、E x p r e s s 各种链路宽度的总吞吐量P C IE x p r e s sl2481 21 63 2总带宽(G B S)O 5l24681 61 3 课题研究的背景和意义S D H 通信测试仪是S D H 网络设备研制、网络建设、开通和维护中必不可少的测试仪器，目前使用较多的都是S D H 综合测试仪，具有S D H 各等级速率的接口，传送各等级速率的信号，对误码、开销、抖动等指标进行测试，一般在发端还能对信号进行加抖，加指针调整、加误码、加告警，完成信道扫描种种测试功能。从结构上来说，一般都采用模块化设计，可根据需要进行配置，灵活方便，其发送部分按照标准S D H 复用结构安排产
17、生各种虚容器(V C)和相应的通道开销(P O H)，加上指针和段开销(S O H)组成S T M-N 帧，经电光转换成光线路信号，类似图案发生器。接收部分主要进行S O H 分析和选择需要的V C，诸如误码率(B E R)测量隋1，指针分析嘲，段开销和通道开销显示口3，告警检出等等乜1。S D H 测试仪国外产品主要有A g i l e n t 公司的O m n i B e r 7 1 8、安立公司的M P l 5 7 0 A 和A C T E R N A 公司的A N T 2 0 等 2 1。这些产品功能全，最高速率可达到1 0 G b p s，都是集发送和接收于一体，并采用模块插件式结构
18、，每一种模块均能在全速率下独立地完成特定的功能而不对其他模块造成影响。这样，对用户就十分灵活，用户可根据实际需要购买相应的配置，并可实现软硬件的功能升级。国内使用的S D H 通信测试设备基本上还依赖于国外进口，国外的产品成熟稳定、功能强大、做工细腻精美，但其价格十分的昂贵，对其维护和升级的代价很第5 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文高，再加上国外的技术封锁，国内用户无法基于其测试设备的架构进行二次开发，使我国长期处于被动局面，限制了S D H 网络的建设与发展。近几年，在国家政策的扶持下，具有我国自主知识产权的测试设备、测试技术不断涌现和快速向前发展，国内各大电信公司对S D H
19、传输网络的性能分析与测试方法已经有了较为成熟的经验，华中科技大学等高校对S D H 光电误码的分析、光接口各种性能指标的测试与综合网络的管理等方面，也已经开展了研究工作，中国电子科技公司第四十一研究所研制的A V 5 2 3 6 和A V 5 2 8 3 型S D H 测试分析仪与国外公司的仪器一样采用模块化插件式结构，可对其进行灵活的功能配置。因此，对S D H 光纤通信自动测试仪的研究与设计，必然会为S D H 高容量、安全可靠、可持续发展的目标提供有效支撑，进一步提高网络运行的质量，引起更好的经济效益和社会效益。1 4 课题研究的主要任务课题研究的主要任务就是研制一套基于P C IE x
20、 p r e s s 总线的S D H 光纤通信测试设备。该套测试设备以通用的计算机系统为架构，采用虚拟仪器的开发理念，通过开发计算机软件来辅助插卡式硬件设备完成一系列的测试任务。这种架构的测试设备，通过软件动态配置P C IE x p r e s s 总线设备的方法，来实现不同功能的切换，以小系统实现多功能。与厂商定制的仪器相比，软件定义方法能带来更强大的灵活性，而且由于建立在成熟的P C 技术基础之上，决定了测试设备的稳定性，功能上的发展也要快得多，不仅降低了开发难度，易于升级，而且可以大大节省开发成本。该测试系统主要对2 5 G b p sS D H 光纤信号进行测试，功能如下所示：(1
21、)S D H 传输系统的误码测试。(2)S D H 传输系统的指针分析。(3)采集并存储光纤线路上2 5 G b p sS D H 信号。(4)模拟发送实际光纤线路上传输的2 5 G b p sS D H 信号，即回放已经存储的2 5 G b p sS D H 信号，实现一个简单的光信号源的功能。1 5 论文内容结构的安排根据本课题的研究内容，论文结构安排如下t第一章绪论。首先对S D H 光同步传送网及其测试与P C IE x p r e s s 体系结构进行概述，然后阐述课题研究的目的及意义，最后给出了课题的研究任务及本文的内容结构安排。第6 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文第二
22、章S D H 传输系统中误码测试的理论与方法。首先介绍了S D H 传输系统中产生误码的原因，然后分析了S D H 传输系统的误码的分布规律，最后详细讨论了S D H 传输系统误码的测试方法。第三章S D H 传输系统的抖动及指针调整。首先介绍了S D H 产生抖动的机理，然后详细说明了S D H 传输网指针调整的原理与指针处理器的工作原理，最后分析了指针调整的统计特性。第四章系统的总体设计与实现。首先介绍了系统的总体设计方案并对其进行了可行性分析，然后详细讨论了组成系统的各个模块的设计(包括P C IE x p r e s s 功能模块、帧同步模块、数据加扰与解扰模块、测试信号的发送模块、误
23、码测试与指针分析模块)，最后提出了系统驱动程序与应用软件的设计方法。第五章测试系统的功能测试。根据测试系统的功能设计测试方案，然后对系统的误码测试、指针分析与数据采集、存储与回放的功能进行了验证。第六章总结与展望。对论文的研究成果进行总结，并分析了S D H 测试技术的发展对未来S D H 传送网的影响。第7 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文第二章S D H 传输系统中误码测试的理论与方法误码测试是对数字传输网传送能力最直接的测量，误码率是衡量数字传输系统在正常工作情况下传输质量优劣的一个重要指标，它是反映数字信息在传输过程中受到损害的主要因素。在数字通信网中，误码直接破坏了信息传递
24、的准确性。通常，误码对电话的影响是产生噪声，对图像的影响是造成图像失真，对数据的影响则表现为信息的丢失和错乱。因此，误码率的实际测量和研究一直受到各国的普遍重视。从理论上说，数字传输的传输质量可以与传输距离无关，但这个假设只有当信号在接收端被正确读出时才成立。与准同步数字体系(P D H)网一样，误码也是光同步数字传输网主要的传输损伤，但其产生机理，分布特性等并不完全相同，具有许多自己的特点I 剐。2,1S D H 传输系统产生误码的原因光纤传输系统误码发生的机理涉及信号传输及检测的全过程。但因光纤是无源元件，外界干扰影响极小，故误码的产生主要与信号检测有关的各种噪声和干扰有关。噪声和干扰是信
25、号中不希望有的成分，这些成分会干扰实际系统中信号的传输与处理过程。目前对噪声还不能够完全控制，噪声既来自系统外部，也来自系统内部，实际的S D H 网络产生误码有下述原因。(1)各种噪声源【8】光接收机光电检测器的散弹噪声、雪崩光电二极管的雪崩倍增噪声及放大器的热噪声都是光纤传输系统的基本噪声源。这些噪声源影响的结果都是使接收信噪比降低，最终产生误码。光接收机误码的多少及分布不仅和总噪声的大小有关，还与总噪声的分布有关，S D P e r s o n i c k 提出的假定总噪声的概率分布为高斯分布的计算方法比较简单，结果也有一定的精确度，适合于在工程上应用。假设在接收机判决点上“1 一信号的
26、幅度为甜_，判决点门限为D，l 和o 分别为码元“1 和“0 时的噪声的平均功率，判决点上的噪声电压如图2 1 所示。再考虑噪声电压幅度分布的概率密度函数如图2 2 所示，即有：1lP(u o)=寺e 砩(2 1)第S 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文s j：e e(7 0 是噪声电压有效值，2=o 为噪声平均功率。DLlp(u o)。下。脚，fl l m-DI fJJI 1，钒触 熹二I。h 黜媳ji1。f-yf。”i N oUl I o图2 1判决点上的噪声电压图2 2 高斯概率分布曲线将“0 一误判为“1 一的误码率(O)为：即M(妒妒面1 岳P 出(2 2)式中：X=I。瓦。
27、将“1 一误判为“0 的误码率(1)为：黔P(一巩一D)=丽1r e 一咩d(一)令】，=(“。一”册)两，则有：黔去P 咖(2 3)一般说来，只(0)不一定等于(1)。对于“0”“1 一等概率的码流可通过调节阈值D 使(0)=(1)，获得较小的误码率。即：=圭即)+三即)咧0)-即)=击P 2 坨出(2 4)非Q=去2 岢。Q 表示判决点阈值D 与噪声电压有效值的比值。不同的Q 值对应不同的只，笔9-Z国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文如图2 3 所示。通常取Q=6，此时对应的误码率只=l x l 0 4。Q1 0 0l O 21 0-1 0-61 0。1 0 1 01 0 1 2图2
28、 3Q 一只曲线设计光接收机时，先大致计算误码率和接收机所需的接收光功率是否满足技术要求；然后实地测量误码率特性和接收机灵敏度；再考虑波形均衡、判决门限变化等因素，对光接收机作进一步改进完善。(2)色散引起的码间干扰由于光纤的色散使得传输的光脉冲发生展宽，其能量会扩散到临近脉冲形成干扰。当这种干扰较大时会使接收机在判决再生时发生错判产生误码。尽管采用均衡措施可以减小码间干扰，但不可能从根本上解决n 1。(3)定时抖动产生的误码光纤系统中带有抖动的数字流与恢复的定时信号之间存在着动态的相位差，称为定时抖动，这会选成光接收机有效判决点偏离眼图中心，直至发生误码。对于设计良好的再生器，由于定时抖动所
29、引起的最大误码与光信噪比(O S N R)下降引起的误码相比，约相当于O S N R 下降0 2 d B。(4)复用器、交叉连接设备和交换机的误码正常工作时，复用器、交叉连接设备和交换机不会产生误码。实际上在某些外部干扰下可能会产生突发性误码，另外当输入抖动量过大时也会导致设备产生误码。目前由于光缆线路本身的误码性能水平已经相当高，一个再生段的比特差错率可达到1 0 1 3 至1 0 d 5 量级，因而由于干扰造成的复用器、交叉连接设备和交换机的误码已不能随便忽略，应作为整个网络性能的一个组成部分来考虑n 1。综上所述，光纤传输系统的内部误码机理是一些互相独立的因素，因而从原理上误码分布应服从
30、泊松分布。由于泊松分布可以用数学期望来描述，因而采用第l O 页阑防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文误码率概率一个参数翔可完全概括误码分布特征，然 蠢更多实际运行的光缆传输系统实测结果表明突发误码是主要的，不服从泊松分布。2 2S D H 传输系统的误码分布规律从网络性能角度，可以将误码分为两类，其，内部误码机理只提供了一类很低的背景误码，其特性符合泊松分布。其三，脉冲干扰则往往造成占主导的突发误码，在数学上可以较好地用尾曼甲型传染病分布来播述，此时误码是成群出现的，但每个误码群的出现概率呈泊松分布，每个误码群内部误码分布也是泊松分布，故甲型传染病分布又称复合泊松分布【9】。2 2 嘻泊松
31、误码分布规律泊松分布是最一般的误码随机发生的状态。假定数字序列各比特是相互独立的，每比特均有同样的误码概率。则按概率理论，在r 比特序歹珏中发生m 比特错误的概率应是睡：=哪-P)一(2 5)对于缀小的尹值，上面二项式分布可由泊松分布近似计算，帮：圪胪譬口w(2 6)由0 囝式，当m 黧O 时，求褥在n 比特序列传输串无错误麴概率为：矗，=e 一(2 7)(2，7)式表明了当误码遵循泊松分布时，无误码概率与每比特的误码概率P 之间的关系。这里P 代表长期平均误比特率。嚣是取样或平均蕊测时闻互内传输比特数。当乃取l s 时，即得无误码秒百分数(职s)与长期平均误比特率P 之间的关系式隽：E F
32、S=1 0 0 e-船(2 8)式中：嚣为l s 内传送的比特数，在数值上等予比特率(b i t s)。图2 4 所示为S T M-6 4、S T M-1 6、S T M-4、S T M-1 数字连接的E F S 和P 之闻的关系。在不易受到外界干扰的传输媒质和传输系统例如光缆传输系统中，泊松分布第1 l 页国防科学技术大学研究生院正学硕士学位论文=黑拳=墨拳=I I I I I I I_ I II 一-I I I I=I=拳黑=能较好地描述系统的误码特性，误码性能不仅容易测量而且计算也比较简单，因为它只决定子一个参数P。此外，由于数字高次群信号遥常是由低次群信号按毖特复接而成的，所以高次群信
33、号的群误码经过数字分接器盾，在低次群常呈现为单个的随机误码，一般能够用泊松分布规律近似计算误码性能。1 0 1 2l O。n1 0。olO砷10q长期平均误院特率图2 4 无误码秒百分数2。2。2 单型传染误码分布规鬻在容易受到突发的脉冲型干扰的传输媒质和传输系统中，误码是突发的成群发生的。群误码对某些业务，像图像数据的影响要比电话更严重些。失了很好地描述这种误码特性，1 9 8 0 年美国r r T 公司以1 9 3 9 年尼曼(N e y m e n)的统计理论为基础，提出用两个参数描述群误码特性的甲型传染分布(T y p eAC o n t a g i o u sD i s t r i
34、b u t i o n)数学模型。它和实际观测的网络真实误码特性有相当好的一致性，并能提供比较可靠的研究基础，对综合业务数字网中各种业务的误码性能指标进行比较的相互转换，更接近于实际数字网误码的发生状态。这种分布模型基于下面两点假设阻1(1)误码群的发生是随机的，每l b i t 开始发生误码群(标恚误码群开始的比特)的概率是个常数，其值可由误码群的速率与比特速率的长期平均比值来近似。(2)各误码群中的误码(比特)数也是随机的，它遵循泊松分布规律。根据上述两点假设，尼曼甲型传染分布即可由下面两个参数定义：在给定取样传输比特期闯霹观测时闻内误码群的平均数越l：各误码群的误码平均数m 2。_-l-
35、_ _-_ _ _ _-_-_-_ _ _ _ _ _ _ _ _ I _-_ _ _ _ _ _-I l l _ _ l-_ _ _ l-_ _ _ _ _-_ _-_-l-_ _ _ _ _ _ _ _-_ _ _ _ _-_-_ _ _ _ I _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _-_-_ _ _ _ l _ _-_ l _ _ _ _ _-_ _ _ I I I-_-_第1 2 页愀酏柏於。焱焱瞬给黻瞄腿国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文这样，在任一观测期间正好发生“r”个误码(比特)的概率是：只=鲁口弋姜z 7 争，式中：Z=m l e。对应在观测期间没有发生误码的特
36、殊情况，即，=0 时的概率为：P o=E X e -m l(1 一P 一吨)】-P r=0(2 1 0)P r 小l =揣P 吨善k t r=k-t)(七o)由式(2 1 1)n-Y：竹=1 =竹-0)鲁朋，弛(2 1 2)竹=2 =P ，=u，xm 2；!r(m e-z)2+m l e-m z(2 1 3)尸(，=3 =竹=。)盲m 3 P _ _ 2)3+3 仰I 口一吨)2+确P-艉2】(2 1 4)由式(2 1 0)、(2 1 2)、(2 1 3)、(2 1 4)可以明显看出这种分布存在Z=m。e 一帕“传染性 的影响。甲型传染分布随机变量r 的数学期望和方差分别是：研，】2 朋1 聊
37、2=n P(2 1 5)研一=m l 所2(1+柳2)=n P(1+m 2)(2 1 6)式中：n 为取线观测期间传输的比特数，P 为长期平均误比特率。由(2 1 5)、(2 1 6)可求得聊l 和所2：历：=警E，1、7m l：型(2 1 8)1m l2 誓心这样，由试验资料求得D【r】和E【r】，通过以上二式求得m、m，从而可以用第1 3 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文甲型传染分布数学模型确定误码的分布特性，或进行数值计算，或绘制曲线便于查阅。对于2 4 8 8 G b i t s(S T M 1 6)传输，根据数学模型分别以P 号1 0-1 0、尸=1 0-8、P=1 0。7
38、、尸=l O-6 为参数，考虑误码群的平均误码数为1-1 0 0 0 0，计算出无误码百分数曲线图，如图2 5 所示。簌求I 叁留赂献每群误码平均效图2 5 无误码秒百分数尼曼认为采用“两个参数的甲型传染分布一这个术语来描述他所推导出的概率统计分布模型会更清楚、更确切。在尼曼的统计理论还有3 个参数的甲型传染分布数学模型，但正如尼曼自己所指出过，具有两个参数的甲型传染分布已能提供好的拟合效果，它并不比具有关3 个参数的复杂分布拟合差多少。综上所述，只要知道取样观测期间误码群的平均数朋，和误码群的平均误码数历：，就可以用甲型传染分布数学模型基本上确定误码的分布特性。上述两种分布都有其应用场合，一
39、般来说，对随机的单个发生的误码采用泊松分布，对突发的成群误码采用甲型传染分布进行分析计算，可获得简单而接近于实际情况的效果。2 3S D H 传输系统的误码测试与分析衡量S D H 网络误码性能目前普遍采用G 8 2 1 与G 8 2 6 中定义的误码性能参数，即选择了一套以“块 为基础的新参数：误码秒比(E S R)、严重误码秒比(S E S R)和背景块差错比(B B E R)。所谓“块斗，指一系列与通道有关连续比特。当与块第1 4 页印O国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文有关的任意比特发生差错时，就称该块是误块(E B)。这套以块为基础的参数不仅适于不停业务监视(h aS e r
40、v i c eM o n i t o r i n g)，而且适于描述实际现场中常常呈现的突发误码现象，就S D H 设备而言，B I P 就是一种固有的监视块口1。误码性能参数的评价只有在通道处于可用状态时才有意义。I T U T 规定，当连续出现1 0 个S E S 事件，包括这1 0 秒起算作不可用时间；当连续出现1 0 个非S E S事件，认为不可用时间结束，可用时间从这1 0 秒开始时刻算起。目前I T U TG 8 2 6 规定了三个误码性能参数，国标与其相同乜1：(1)误码秒比E S R当某1 秒中出现差错块时称为误码秒E S。在规定测量间隔内出现的E S 数与总的可用时间之比称为
41、误码秒比E S R。(2)严重误码秒比S E S R当某1 秒中包含有不少于Y 暂定3 0)的差错块或者至少出现1 个严重扰动期(S D P)时认为该秒为严重误码秒S E S。在规定测量时间内出现的S E S 数与总的可用时间之比称为严重误码秒比。对于中断业务测量C O O S)，在最少等效于4 个连续块的时间内，如果所有连续块的B E R -1 E 2 或出现信号丢失，即认为出现一个S D P(严重扰动期)；对于不停业务监视，则利用网络缺陷来估计S D P。(3)背景块差错比B B E R背景块差错B B E 指扣除不可用时间和S E S 期间出现的差错块以后剩下的差错块。B B E 数与扣
42、除不可用时间和S E S 期间所有块数后的总块数之比称B B E R。由于计算时已经扣除了引起S E S 和不可用时间的大突发性误码，因而该参数值的大小可以大体反映系统的背景误码水平。测试的方法目前有两种：停业务(中断)检测和不停业务(在线)检测。2 3 1 停业务检测停业务检测需要中断被测线路上的业务。由测试仪的发送部分产生一个伪随机数字序列信号代替传输的业务信号，经扰码后送入被测系统，再经传输接收后进入误码测试仪的接收部分，如果接收部分检出的信号与发送的信号不一致时立即检出误码，并计算分析被测系统的误码特性。测试连接如图2 6 所示。在实际数字通信系统中，传输的数字信号都是随机的，对系统作
43、误码测试时使用的测试信号应尽可能接近实际传输的信号，I T U T 建议O 1 5 1 推荐了2 2 5-l和2 2 3 1 伪随机序列，它们的许多性质接近真正的随机序列，但又具有一定的重复周期，使得误码测试时，能够实现接收端与发送端的同步。第1 5 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文图2 6 停业务误码检测连接图停业务检测可以测出每一个发生差错的比特误码，因此测量测得的是“真正的误码率。利用这种方法可以简便、准确地测出各种速率的被测系统的比特误码率(B E l l)。缺点是要中断传输业务嘲。因为停业务检测需中断被测线路上的业务，所以测试的时间不易过长，一般只在安装、验收或详细检查时才
44、用。G 8 2 6 所制定的误码性能指标需要至少一个月的测量统计时间，只适合于在线测试，一般情况下，系统和设备的测试验收以实测的误码率为准，必要时可将实测的误码率代入式(2 9)0 0，求出误码秒比等性能参数以供使用。2 3 1 不停业务检测不停业务检测又称在线检测，它要求在3 0 天或更多测量时间内进行不停业务检测，统计出各种误码性能指标。在线检测的优点是在不影响业务传输的条件下可及时反映被测系统的误码性能。对于大容量、高速率的S D H 光纤传输系统，在线检测是普遍采用的、经济有效的测试手段。使用光耦合器进行在线测试的连接如图2 7 所示。f 光耦厶器卜_ 一S 1 f 1 洱1 62 5
45、 G o p tR x 测试仪图2 7 在线测试连接图第1 6 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文在线误码检测是开放业务条件下，通过监视与误码有关的开销字节B 1、B 2、B 3 和V 5 b l 和b 2，使用I T U T 规范中S D H 系统B I P 偶校验的检测方法，来评估误码性能参数。B l 字节用作再生段误码监测，3 个B 2 字节用作复用段的误码监测，B 3 字节用作高阶通道监测，V 5(b 1、b 2)字节用作低阶通道的误码监测。在S D H 传输系统中各种B I P 码见表2 1 所示咧。表2 1S D H 传输系统各种B I P-M 码开销类型B I P 字节名
46、称B I P M 码段开销l 峪O HB lB【P 8S o HM S O H3 B 2B I P 2 4通道开销V C-3，、_ 4B 3B 8P O HV C 1 2V 5 C o l、b 2)B 口2现以再生段开销B l 字节为例说明B I P 8 码在线检测的原理。B I P 8 码是对前一个S T M-N 帧扰码后的所有比特进行偶校验计算后，将所得结果B I P 8 的字节置于本帧扰码前的B 1 字节位置上，数据经再生段传输后，在接收端进行同样的运算处理，将得到的B I P 8 码存储起来，以便和随后收到的一帧B 1 字节比较，如果不一致，就表示在再生段发生了误码，起到了再生段在线误
47、码检测的作用。B 1 字节具体实现的步骤如下：(1)监测S T M-N 一帧的全部比特S=1 9 4 4 0 N b 豇；(2)将这些比特分为1 9 4 4 0 N 8=2 4 3 0 N 组；(3)将每组序列中同一位置的比特取出组成新的比特序列，共8 组；(4)对每一组计算奇偶性，当一组中有偶数个“l 一时，则奇偶性为“偶”(以“0 表示)；当一组中有奇数个“1 一时，则奇偶性为“奇一(以“l 一表示)；(5)将计算结果依序置入B 1 字节。(6)B I P 8 的实现步骤可以推广为B I P M。如图2 8 所示。；I!i垦堕：堕l 第l 组r。r。_ 1：Ih l：h 2b 讹bI 第2
48、 组iI 皇竺!；垦堂!垒坠!：堕lg3i l ii 卜i T 弋i 弋磊-=司第4 组：lb 姗I：b 眦b 3 姗2I 弟4 组；一!o；匦五E 五五j 互二二盈gS Mt I t第1 7 页L国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文将B I P-M 每比特监视信息的比特数设为(-s M)时，通过B I P-M 可以检测出S 比特中最大的M 比特的错误，因此，B I P M 检测传输线路误码率的上限气可以通过如下公式求得n 町：气=了M=瓦1(2 1 9)气2 了=瓦u J 即传输线路误码假定是随机发生的话，那么当将它的误码率设为占时，B I P-M 的平均每I 比特的奇偶校验检测出错误的
49、概率P(g)可通过下式求得n：即)_ 1 一华(2 2 0)此外，用B I P 检测出的传输线路误码率肘岛可以用下式求得n 们：M 职=P(s)(2 2 1)S T M-N 的岛是M=2 4 N 比特，S=1 9 2 2 4 N 比特，所以=8 0 1(=1 9 2 2 4 N 2 4 N)比特，它与误码率M 艘的关系如图2 9 中粗线(B 2 S T M-N)所示，使用传输线路误码率占和B I P 可以检测出误码率M 脚。备叟静茁轺留哪!0 71 0 _ 61 0 51 0。4一l O 习1 0 以1 0 1传输线路误码率。图2 9B I P 的检出能力第1 8 页国防科学技术大学研究生院工
50、学硕士学位论文2 4 本章小节本章首先介绍了S D H 传输系统误码产生的原因，并着重用S D P e r s o n i c k 提出的高斯近似法对由噪声源引起的误码进行了分析。然后介绍了S D H 传输系统的误码分布规律，分别对误码的泊松分布与甲型传染病分布进行了详细的分析。最后详细讨论了S D H 传输系统的误码测试与分析，介绍了停业务(中断)检测与不停业务(在线)检测两种检测方法，并对B I P 的检出能力进行了分析。第1 9 页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文=-=第三章S D H 传输系统的抖动及指针调整抖动是指数字信号的各有效瞬间相对于其理想参考时间位置的短时间变化，所谓