Цифровые системы передачи

УДК 621.372.88(075) 
ББК 32.883 
     К43 
 
Р е ц е н з е н т ы :  канд. техн. наук, профессор  В. А. Кудряшов; канд. техн. наук, 
доцент  Б. Г. Спасский  

Крухмалев В. В., Гордиенко В. Н., Моченов А. Д. 

К43    Цифровые системы передачи: Учебное пособие для вузов / Под 

редакцией  А. Д. Моченова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Горячая 
линия–Телеком, 2012. – 376 с: ил. 
ISBN 978-5-9912-0226-8. 

Изложены принципы построения цифровых систем передачи (ЦСП) на 

основе импульсно-кодовой модуляции с временным разделением каналов, 
рассмотрены основные функциональные узлы оконечных станций ЦСП, 
принципы мультиплексирования при образовании высших ступеней плезиохронной цифровой иерархии, а также основы синхронной цифровой 
иерархии. Рассмотрены вопросы построения линейных трактов ЦСП по 
металлическим и оптическим кабелям. Во втором издании изменения в той 
или иной степени коснулись практически всех глав пособия. Существенно 
дополнена третья глава в части касающейся структуры цикла первичного 
цифрового потока и первичного мультиплексирования, четвертая глава 
дополнена изложением цифровых систем абонентского доступа на основе 
технологии xDSL, содержание седьмой главы дополнено рассмотрением 
линейных кодов цифровых волоконно-оптических систем передачи и особенностей распространения светового сигнала в оптическом волокне, его 
основных параметров и характеристик, а также рассмотрены общие вопросы построения оптических усилителей. 

Для студентов, обучающихся по специальностям «Многоканальные 

телекоммуникационные системы», «Сети связи и системы коммутации», 
«Физика и техника оптической связи» и «Защищенные системы связи» направления 210400 – «Телекоммуникации» и направлению подготовки бакалавров 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». 
Будет полезна студентам, обучающимся по специальности «Автоматика, 
телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», и студентам 
колледжей телекоммуникационного направления. 

ББК 32.883 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
Учебное издание 
Крухмалев Владимир Васильевич, Гордиенко Владимир Николаевич  
Моченов Анатолий Дмитриевич 
 
ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ 
Учебное пособие 
Художник  В. Г. Ситников 
Подготовка оригинал-макета  Ю. Н. Рысева 
Подписано к печати 20.10.2011. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 23,5. Тираж 500 (1-й завод 200 экз.) 

ISBN 978-5-9912-0226-8                 ©  В. В. Крухмалев, В. Н. Гордиенко, А. Д. Моченов, 2012 
                                                    ©  Оформление издательства  «Горячая линия–Телеком», 2012 

Предисловие 

В настоящее время более чем в восьмидесяти государственных вузах 
Российской Федерации  и многих колледжах на основе лицензий, выданных Минобрнауки РФ, осуществляется подготовка бакалавров и инженеров по специальностям, входящим в направление «Телекоммуникации». 
Кроме того, в большом количестве вузов и колледжей самых различных 
отраслей народного хозяйства в рамках других направлений открыты специализации с телекоммуникационным уклоном.  
В этих условиях, несмотря на определенные успехи, достигнутые за 
последние годы в подготовке и издании учебников и учебных пособий, 
проблема обеспечения учебного процесса необходимой учебной литературой остается достаточно острой. Предлагаемое издание поможет частично 
решить отмеченнyю проблему. 
Данное учебное пособие ориентировано на студентов, обучающихся по 
специальностям 
«Многоканальные 
телекоммуникационные 
системы», 
«Цифровые системы передачи», «Сети связи и системы коммутации», «Физика и техника оптической связи», «Защищенные системы связи» направления 210400 – «Телекоммуникации» и направлению подготовки бакалавров 
210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». 
Пособие также может быть полезно студентам специальности «Системы обеспечения движения поездов» специализации «Телекоммуникационные системы и сети на железнодорожном транспорте», а также студентам 
колледжей телекоммуникационного направления. 
Одной из особенностей учебного пособия является наличие большого 
числа конкретных примеров в тексте и вопросов для самоконтроля в конце 
каждой из глав. 
Предлагаемая читателю книга является вторым изданием (исправленным и дополненным) учебного пособия «Цифровые системы передачи» 
(Горячая линия – Телеком, 2007).  
Авторы данного учебного пособия представляют Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ) и Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС). 
 
 
 
 

Глава 1. Построение цифровых систем передачи  
на основе импульсно-кодовой модуляции с временным 
разделением каналов 

Научно-технический прогресс конца ХХ века открыл пути создания 
глобального информационного общества, в котором информационные и 
телекоммуникационные технологии приобретают особое значение, интегрируясь в инфокоммуникационный сектор мировой экономики, экономики каждой страны и ее регионов. 
Глобальное информационное общество – ступень в развитии современной цивилизации, характеризующаяся возрастанием роли информации 
и знаний в жизни общества, ростом доли информационно-коммуникационных – инфокоммуникационных технологий в валовом внутреннем 
продукте (ВВП), созданием глобального информационного пространства, 
обеспечивающего эффективное информационное взаимодействие людей, 
их доступ к мировым информационным структурам.  
Развитие инфокоммуникационного сектора в мире происходит одновременно по нескольким направлениям. При этом в области телекоммуникаций 
и информации оно характеризуется созданием глобальных инфокоммуникационных систем и сетей, основу которых составят цифровые системы передачи (ЦСП) или многоканальные телекоммуникационные системы (МТС) 
различного назначения с широким использованием современных оптоволоконных технологий и цифровых систем коммутации различного вида и 
уровня. Важное место в построении и развитии инфокоммуникационного 
сектора нашей страны отводится Федеральной целевой программе Электронная Россия 2002–2010 гг., одной из задач которой является расширение 
подготовки специалистов по инфокоммуникационным технологиям. 

1.1. Основные понятия и определения.  
Классификация цифровых систем передачи 

Цифровой системой передач (ЦСП) называется комплекс технических 
средств, предназначенный для образования типовых цифровых каналов и 
трактов и линейного тракта, обеспечивающего передачу цифровых сигналов электросвязи. В этом определении имеется ряд понятий, требующих 
дополнительных пояснений. 

Построение цифровых систем передачи 

 
5 

Цифровым сигналом электросвязи, или просто цифровым сигналом, 
называется сигнал электросвязи, параметры которого (амплитуда, длительность, временное положение) характеризуются конечным множеством возможных дискретных значений и описываются функцией дискретного времени. Переход от одного возможного значения к другому происходит скачкообразно в строго определенные моменты времени, интервалы 
между которыми равны или кратны выбранному единичному интервалу 
времени – периоду дискретизации Тд.  
Дискретным значением одного из параметров сигнала, или его отсчетом, называется величина сигнала, оцениваемая на коротком интервале 
(длительности отсчета), в пределах которого сигнал изменяется лишь на 
незначительную, пренебрежимо малую величину. В дальнейшем будем 
пользоваться термином отсчет.  
Отметим, что цифровой сигнал может быть многоуровневым, т.е. в интервале изменений параметра может иметь конечное множество дискретных состояний. Сигнал может быть, например, двухуровневым, т.е. представлять собой случайную последовательность токовых (1) и бестоковых 
(0) посылок. Трехуровневый сигнал представляет случайную последовательность символов (+1), (−1), (0) или импульсов положительной, отрицательной полярности и бестоковых посылок.  
Цифровая система передач представляет комплекс технических 
средств, обеспечивающих образование типовых цифровых каналов, групповых и линейных трактов первичной сети. Типовой цифровой тракт – 
комплекс технических средств, предназначенный для передачи нормализованного числа ОЦК со скоростью передачи, соответствующей данному 
тракту, структура и параметры которого соответствуют принятым нормам. 
Цифровой линейный тракт – комплекс технических средств, обеспечивающий передачу цифровых сигналов со скоростью, соответствующей 
данной ЦСП.  
К типовым цифровым каналам и трактам относятся: 
− основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью передачи 64 кбит/с; 
− первичный цифровой канал/тракт (ПЦК/Т) со скоростью передачи 
2048 кбит/с;  
− вторичный цифровой канал/тракт (ВЦК/Т) со скоростью передачи 
8448 кбит/с;  
− третичный цифровой канал/тракт (ТЦК/Т) со скоростью передачи 
34,368 Мбит/с;  
− четверичный цифровой канал/тракт (ЧЦК/Т) со скоростью передачи 139,264 Мбит/с;  
− секции синхронной цифровой иерархии − СЦИ (SDH Section), как 
комплекс технических средств, предназначенный для предачи нормализо

Глава 1 

 
6 

ванных (типовых) синхронных транспортных модулей (STM) со скоростью передачи, соответствующей уровню STM; 
− тракты виртуальных контейнеров (Virtual Container − VC) соответствующего уровня синхронной цифровой иерархии, представляющих 
комплекс технических средств ЦСП, предазначенный для передачи нормализованных (типовых) виртуальных контейнеров со скоростью передачи, соответствующей данному VC.   
Цифровые системы передачи классифицируются по следующим признакам. 
1. По принципам разделения каналов различают ЦСП: 
− с временным разделением каналов (ЦСП с ВРК); 
− с частотным разделением каналов (ЦСП с ЧРК), имеющие специальное оборудование, преобразующее многоканальный (групповой) сигнал 
систем передачи с частотным разделением каналов (СП с ЧРК) в цифровой сигнал и обратно. 
2. По способам формирования канальных сигналов различают ЦСП: 
− с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ); 
− с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ); 
− с фазо-импульсной модуляцией (ФИМ); 
− с импульсно-кодовой модуляцией и временным разделением каналов 
(ЦСП ИКМ-ВРК); 
− с импульсно-кодовой модуляцией и частотным разделением (или делением) каналов (ЦСП ИКМ-ЧД); 
− с дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией и временным 
разделением каналов (ДИКМ-ВРК); 
− на основе дельта-модуляции с ВРК или ЧД. 
3. По способам объединения цифровых потоков с целью формирования 
цифровых каналов и цифровых трактов более высокого порядка различают: 
− ЦСП ИКМ-ВРК с асинхронным объединением цифровых потоков 
или систем плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) – Plesiochronous 
Digital Hierarchy (PDH); 
− ЦСП ИКМ-ВРК с синхронным объединением цифровых потоков или 
систем синхронной цифровой иерархии (СЦИ) – Synchronous Digital Hierarchy (SDH). 
Процесс объединения нескольких входных цифровых потоков нижнего 
уровня (компонентных потоков) в один поток более высокого уровня для 
его передачи по одному выходному или агрегатному каналу (потоку) называется мультиплексированием 
4. В зависимости от среды распространения сигналов электросвязи 
различают ЦСП: 
− по электрическим (металлическим) симметричным и коаксиальным 
кабелям; 

Построение цифровых систем передачи 

 
7 

− по волоконно-оптическим кабелям; 
− по радиорелейным и спутниковым линиям передачи. 
5. По месту ЦСП в структуре первичных сетей Единой Сети Электросвязи (ранее Взаимоувязанной сети связи) Российской Федерации различают ЦСП для:  
−  местных первичных сетей; 
−  внутризоновых первичных сетей; 
−  магистральных первичных сетей; 
−  сетей абонентского доступа; 
− технологических сетей связи, например, железнодорожного, воздушного или водного транспорта, управления нефте- и газопроводами, энергосистемами и др.; 
−  корпоративных и ведомственных сетей различного назначения. 
В настоящее время в нашей стране создается цифровая первичная сеть 
(ЦПС), представляющая собой сеть типовых универсальных цифровых каналов и сетевых трактов, или транспортную сеть, образованную на базе сетевых узлов (СУ), сетевых станций (СС) и соединяющих их линий передачи.  
На основе ЦПС создаются разнообразные цифровые вторичные сети 
(ЦВС). Сетевые узлы и станции представляют собой комплекс оборудования ЦСП различных сетевых технологий, предназначенный для формирования и перераспределения цифровых каналов и трактов и подключения ЦВС. 
6. По числу ОЦК различают: 
− малоканальные ЦСП с числом каналов N ≤ 30; 
− среднеканальные ЦСП с числом каналов N ≤ 480; 
− многоканальные ЦСП с числом каналов N ≥ 1920. 
В настоящее время самое широкое распространение на телекоммуникационных сетях получили цифровые системы передачи с временным разделением каналов и трактов – ЦСП ИКМ-ВРК. 

1.2. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование 
сигнала в ЦСП ИКМ-ВРК 

Исторически первой  многоканальной системой передачи является система многократного телеграфирования, предложенная французским изобретателем Жаном М. Бодо, позволяющая   работать по одной физической 
цепи нескольким телеграфным аппаратам. Здесь впервые был реализован 
принцип временного разделения каналов, который лежит в основе построения практически всех цифровых систем передачи. А если считать передачу 
телеграфных соощений цифровым методом, то  система многократного 

Глава 1 

 
8 

телеграфирования Ж.М.Бодо является предвестницей цифровых систем 
передачи с временным разделением каналов – ЦСП с ВРК.  

1.2.1. Дискретизация или амплитудно-импульсная модуляция 

В основе построения ЦСП с ВРК лежит теорема Найквиста–
Котельникова, которая гласит: непрерывный во времени сигнал c(t), 
спектр которого ограничен полосой частот от 0 до Fв, полностью определяется последовательностью своих мгновенных значений, которые берутся в точках, отсчитываемых через интервалы времени: 

д
в

1
2
T
F
≤
 
 (1.1а) 

или с частотой 

fд ≥ 2 Fв . 
 (1.1б) 

Процесс преобразования непрерывного во времени и ограниченного по 
спектру сигнала c(t) в сигнал с(nTд), определенный в точках отсчета Тд,  
2Тд … nТд – называется дискретизацией.  
Значения сигнала с(nTд) в точках отсчета называются дискретами или отсчетами.  Поэтому  теорему Найквиста-Котельникова в технической литературе часто называют теоремой отсчетов, а интервал времени между 
двумя соседними отсчетами называется периодом дискретизации Тд.  
Сигнал c(t), восстановленный по своим отсчетам  с(nTд), описывается 
следующей суммой, называемой рядом Котельникова: 

в
д
д
в
д

sin 2
(
)
( )
(
)
2
(
)
n

F t
nT
с t
c nT
F t
nT

∞

=−∞

π
−
=
π
−
∑
 , 

Таким образом, коэффициенты ряда Котельникова представляют собой 
отсчеты сигнала c(t), взятые в моменты времени, кратые Тд. Ряд Котельни-  
 

 

Рис. 1.1. Дискретизация непрерывного сигнала 

Построение цифровых систем передачи 

 
9 

кова точно определяет сигнал c(t) в любой момент времени t, а не только в 
точках отсчета t = nTд. 
Значение теоремы отсчетов состоит в том, что если необходимо передать непрерывный и ограниченный по спектру сигнал c(t), то необязательно передавать его непрерывно, а достаточно передать его отдельные 
мгновенные значения, взятые через интервал времени Тд (рис. 1.1). 
Между отсчетами сигнала одного канала можно передавать отсчеты 
сигналов других каналов с теми же параметрами дискретизации. Таким 
образом, реализуется временное разделение каналов. 
Процесс дискретизации можно представить как процесс амплитудноимпульсной модуляции (АИМ) сигналом c(t) (рис. 1.1) периодической 
последовательности прямоугольных импульсов (ПППИ) f0(t) с амплитудой 
Аm, длительностью τи и периодом Тд или частотой fд = 1/Тд (рис. 1.2).   
Периодическая последовательность импульсов f0(t), как четная функция,  
может быть представлена рядом Фурье вида: 

0
0
д
1
( )
cos
k
k
f
t
А
A
k
t
∞

=

=
+
ω
∑
, 
  (1.2) 

где ωд = 2πFд – круговая частота дискретизации; А0, Аk – коэффициенты 
разложения ряда Фурье, представляющие амплитуду постоянной составляющей и амплитуду k-й гармоники спектра ПППИ соответственно.  
Амплитуда постоянной составляющей А0 определяется по формуле 

и
и

и

/2
/2
и
0
0
д
д
д
/2
/2

1
( )

т

m
m
A
А
f t dt
dt
A
Т
T
Т

+τ
+τ

−τ
−τ

τ
=
=
=
∫
∫
,  

амплитуды гармоник частоты следования импульсов ПППИ находятся по 
следующей формуле 
 

 

Рис. 1.2. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов 

Глава 1 

 
10 

и

и

/2
m
и
0
д
д
д
/2

2
2
( ) cos
sin
k
A
А
f t
k
tdt
k
T
k
Т

+τ

−τ

τ
=
⋅
ω
=
⋅
π
π
∫
. 

Подставив значения коэффициентов разложения А0 и Ak в (1.2), получим формулу для определения спектрального состава ПППИ: 

и
и
0
д
1
д
д

2
( )
sin
cos
.
т
m
А
f t
A
k
k
t
Т
T
τ
τ
∞

=
+
π
ω
π ∑
 
  (1.3) 

Модулирующий сигнал с(t) представим в виде 

в

н
( )
cos
m
i
c t
C
t

Ω

Ω
=
Ω
∑
, 
 (1.4) 

где Ωн и Ωв – нижняя и верхняя граничные частоты модулирующего сигнала соответственно. 
Амплитудно-импульсный модулированный (АИМ) сигнал можно описать общим для амплитудной модуляции выражением: 

f(t) = [1+ mac(t)] f0(t). 

Подставив в него c(t) и f0(t) из формул (1.4) и (1.3), получим 

[
]

в

н

0

д
1

( )
1
( )
( )
1
2
sin
/
(1
cos
)
cos

a

m
ai
i
k

f t
m c t
f
t
k
q
A
m
t
k
t
q
k

Ω
∞

Ω
=

=
+
⋅
=
⎡
⎤
π
=
+
Ω
+
⋅
ω
⎢
⎥
π
⎣
⎦
∑
∑
, 
   (1.5) 

где та = Ст / Ат – коэффициент глубины модуляции, q = Тд/τи – скважность ПППИ. 
Раскрыв скобки в (1.5) и выполнив несложные тригонометрические 
преобразования, получим 

в

н

в

н

д
1

д
1

2
sin
/
( )
cos
cos

sin
/
cos(
).

m
m
m
ai
i

m
ai
i

A
A
A
k
q
f t
m
t
k
t
q
q
k
A
k
q
m
k
k

Ω
∞

Ω
Ω
∞

Ω

π
=
+
Ω +
⋅
ω
+
π

π
+
⋅
ω ± Ω
π

∑
∑

∑
∑

 
   (1.6) 

Из выражения (1.6) следует, что спектр АИМ сигнала содержит:  
− постоянную составляющую с амплитудой Аm/q; 
− модулирующий (исходный) многочастотный сигнал с амплитудами