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第2章
數(shù)字通信2.1數(shù)字通信系統(tǒng)模型2.2時(shí)分多路復(fù)用(TDM)2.3準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)2.4同步數(shù)字體系(SDH)小結(jié)
2.1數(shù)字通信系統(tǒng)模型
1.數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)把原始數(shù)字信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單變換,不改變信號(hào)的頻譜特性,將其送到信道中進(jìn)行傳輸,而不需調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)模型如圖2-1所示。圖2-1數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)模型
2.數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)
在數(shù)字通信中,要處理好以下幾個(gè)問題:第一,數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí),信道噪聲或干擾所造成的差錯(cuò)原則上是可以控制的,可通過差錯(cuò)控制編碼來實(shí)現(xiàn)。因此,就需要在發(fā)送端增加一個(gè)編碼器,相應(yīng)地,在接收端就需要一個(gè)解碼器。第二,當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)保密通信時(shí),可對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行“擾亂”(加密),此時(shí)在接收端必須進(jìn)行解密。第三,由于數(shù)字通信是一個(gè)接一個(gè)按一定節(jié)拍傳送數(shù)字信號(hào)的,因而接收端必須與發(fā)送端有相同的節(jié)拍;否則,就會(huì)因收、發(fā)步調(diào)不一致而造成混亂。
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)模型一般如圖2-2所示。圖中,同步環(huán)節(jié)沒有示出,這是因?yàn)橥截灤┯谕ㄐ畔到y(tǒng)的整個(gè)過程,在此主要強(qiáng)調(diào)信號(hào)流程的部分。圖2-2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)模型
3.模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)
上面講述的數(shù)字通信系統(tǒng)中,信源輸出的信號(hào)均為數(shù)字基帶信號(hào)。實(shí)際上,在日常生活中,大部分信號(hào)(如語音信號(hào))為連續(xù)變化的模擬信號(hào)。那么,要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸,必須在發(fā)送端將模擬信號(hào)數(shù)字化,即A/D轉(zhuǎn)換;在接收端則需進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換,即D/A轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)模型如圖2-3所示。圖2-3模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)模型
4.數(shù)字通信的主要優(yōu)、缺點(diǎn)
1)數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)
(1)抗干擾、抗噪聲性能好。
(2)差錯(cuò)可控。
(3)易加密。
(4)易與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合
2)數(shù)字通信的缺點(diǎn)
(1)頻帶利用率不高。
(2)需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)。
隨著數(shù)字集成技術(shù)的發(fā)展,各種中、大規(guī)模集成器件的體積不斷減小,加上數(shù)字壓縮技術(shù)的不斷完善,數(shù)字通信設(shè)備的體積將會(huì)越來越小。所以隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字通信的兩個(gè)缺點(diǎn)也顯得越來越不重要了。實(shí)踐表明,數(shù)字通信是現(xiàn)代通信的發(fā)展方向。
2.2時(shí)分多路復(fù)用(TDM)
2.2.1TDM的基本原理在模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸中,抽樣定律告訴我們,一個(gè)頻帶限制在0~fx以內(nèi)的低通模擬信號(hào)x(t)可以用時(shí)間上離散的抽樣值來傳輸,抽樣值中包含x(t)的全部信息。當(dāng)抽樣速率fs≥2fx時(shí),可以從已抽樣的輸出信號(hào)中用一個(gè)帶寬為fx≤B≤fs-fx的理想低通濾波器不失真地恢復(fù)出原始信號(hào)。
假設(shè)有N路PAM信號(hào)進(jìn)行時(shí)分多路復(fù)用,系統(tǒng)框圖如圖2-4所示。各路信號(hào)首先通過相應(yīng)的低通濾波器(LPF)變?yōu)閹扌盘?hào),然后被送到抽樣電子開關(guān)。電子開關(guān)每Ts秒將各路信號(hào)依次抽樣一次,這樣N個(gè)樣值按先后順序錯(cuò)開插入抽樣間隔Ts之內(nèi),最后得到的復(fù)用信號(hào)是N個(gè)抽樣信號(hào)之和,如圖2-4(e)所示。各路信號(hào)脈沖間隔為Ts,各路復(fù)用信號(hào)脈沖間隔為Ts/N。由各消息構(gòu)成單一抽樣的一組脈沖叫作一幀,一幀中相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔叫作時(shí)隙,未被抽樣脈沖占用的時(shí)隙叫作保護(hù)時(shí)間。圖2-4TDM系統(tǒng)框圖及波形圖2-4TDM系統(tǒng)框圖及波形
2.2.2TDM信號(hào)的帶寬及相關(guān)問題
1.抽樣速率fs、抽樣脈沖寬度τ與復(fù)用路數(shù)N的關(guān)系
由抽樣定理可知,抽樣速率fs≥2fx。以語音信號(hào)x(t)為例,通常取fs為8?kHz,即抽樣周期Ts?=?125μs,抽樣脈沖的寬度τ要比125μs還小。
對(duì)于N路時(shí)分復(fù)用信號(hào),在抽樣周期Ts內(nèi)要順序地插入N路抽樣脈沖,而且各脈沖間要留出一些空隙作為保護(hù)時(shí)間。若取保護(hù)時(shí)間tg和抽樣脈沖寬度τ相等,則抽樣脈沖的寬度τ?=?Ts/2N。N越大,τ就越小,但τ不能太小,因此,時(shí)分復(fù)用的路數(shù)也不能太多。
2.信號(hào)帶寬B與路數(shù)N的關(guān)系
時(shí)分復(fù)用信號(hào)的帶寬有不同的含義。一般情況下,從信號(hào)本身具有的帶寬來考慮,TDM信號(hào)是一個(gè)窄脈沖序列,它應(yīng)具有無窮大的帶寬,但其頻譜的主要能量集中在0~1/τ以內(nèi)。因此,從傳輸主要能量的觀點(diǎn)來考慮,可得
根據(jù)抽樣定律,一個(gè)頻帶限制在fx的信號(hào),只要有2fx個(gè)獨(dú)立的信息抽樣值,就可用帶寬B?=?fx的低通濾波器恢復(fù)其原始信號(hào)。N個(gè)頻帶都是fx的復(fù)用信號(hào),它們的獨(dú)立對(duì)應(yīng)值為2Nfx?=?Nfs。如果將信道表示為一個(gè)理想的低通濾波器,那么為了防止組合波形丟失信息,傳輸帶寬必須滿足
3.時(shí)分復(fù)用信號(hào)仍然是基帶信號(hào)
時(shí)分復(fù)用后得到的總和信號(hào)仍然是基帶信號(hào),只不過這個(gè)總和信號(hào)的脈沖速率是單路抽樣信號(hào)的N倍,即
這個(gè)信號(hào)可以通過基帶傳輸系統(tǒng)直接傳輸,也可以經(jīng)過頻帶調(diào)制后在頻帶傳輸信道中傳輸。
4.時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)必須嚴(yán)格同步
在TDM系統(tǒng)中,發(fā)送端的轉(zhuǎn)換開關(guān)與接收端的分路開關(guān)要嚴(yán)格同步,否則系統(tǒng)就會(huì)紊亂。實(shí)現(xiàn)同步的方法與脈沖調(diào)制的方式有關(guān)。
2.2.3時(shí)分復(fù)用的PCM通信系統(tǒng)
PCM和PAM的區(qū)別在于,PCM要在PAM的基礎(chǔ)上量化和編碼,把PAM中的抽樣值量化后編為k位二進(jìn)制代碼。圖2-5為一個(gè)只有三路PCM復(fù)用的方框圖。圖2-5TDM-PCM方框圖
2.2.4PCM30/32路典型終端設(shè)備
交換局內(nèi),在PCM30/32路端機(jī)外加適當(dāng)?shù)氖性挸鋈胫欣^器接口,可與步進(jìn)制、縱橫制等各式交換機(jī)連接,用于市內(nèi)或長(zhǎng)途通信。
PCM30/32路端機(jī)除提供電話外,還可以通過適當(dāng)接口傳輸數(shù)據(jù)、載波電報(bào)、書寫電話等。
上述PCM30/32路端機(jī)性能是按CCITT的有關(guān)建議設(shè)計(jì)的,其主要指標(biāo)均符合CCITT標(biāo)準(zhǔn)。
1.基本特性
PCM30/32路端機(jī)的基本特性如下:
(1)話路數(shù)目:30;
(2)抽樣速率:8kHz;
(3)壓擴(kuò)特性:13折線A律壓擴(kuò),A?=?87.6,編碼位數(shù)k?=?8,采用逐次比較型編碼器,其輸出為折疊二進(jìn)制碼;
(4)每幀時(shí)隙數(shù):32;
(5)總的碼元速率:8?×?32?×?8000?=?2048kb/s。
2.幀與復(fù)幀結(jié)構(gòu)
幀與復(fù)幀結(jié)構(gòu)見圖2-6。1復(fù)幀等于16幀。圖2-6幀與復(fù)幀結(jié)構(gòu)
(1)時(shí)隙分配。在PCM30/32路制式中,抽樣周期為1/8000?=?125μs,稱為一個(gè)幀周期,即125?μs為一幀。一幀內(nèi)要時(shí)分復(fù)用32路,每路占用的時(shí)隙為125/32?=?3.9μs,稱為1個(gè)時(shí)隙。因此一幀有32個(gè)時(shí)隙,按順序編號(hào)為TS0、TS1、…、TS31。
時(shí)隙的使用分配為:
①?TS1~TS15、TS17~TS31為30個(gè)話路時(shí)隙;
②?TS0為幀同步碼、監(jiān)視碼時(shí)隙;
③?TS16為信令(振鈴、占線、摘機(jī)等各種標(biāo)志信號(hào))時(shí)隙。
(2)話路比特的安排。每個(gè)話路時(shí)隙內(nèi)要將樣值編為8位二元碼,每個(gè)碼元占3.9μs/8?=?488ns,稱為1比特,編號(hào)為x1~x8。第1比特為極性碼,第2~4比特為段落碼,第5~8比特為段內(nèi)碼。
(3)?TS0時(shí)隙的比特分配。為了使收、發(fā)兩端嚴(yán)格同步,每幀都要傳送一組特定標(biāo)志的幀同步碼組或監(jiān)視碼組,分偶幀和奇幀傳送。幀同步碼組為“0011011”,占用偶幀TS0的第2~8比特。第1比特供國(guó)際通信用,不使用時(shí)發(fā)送“1”碼。奇幀比特分配的第3位為幀失步告警用,以A1表示,同步時(shí)送“0”碼,失步時(shí)送“1”碼。為避免奇幀TS0的第2~8比特出現(xiàn)假同步碼組,第2比特規(guī)定為監(jiān)視碼,固定為“1”。第4~8比特為國(guó)內(nèi)通信用,目前暫定為“1”。
(4)?TS16時(shí)隙的比特分配。若將TS16時(shí)隙的碼位按時(shí)間順序分配給各話路傳送信令,需要用16幀組成一個(gè)復(fù)幀,分別用F0、F1、…、F15表示,復(fù)幀周期為2ms,復(fù)幀頻率為500Hz。復(fù)幀中各子幀的TS16分配為如下:
①?F0幀:第1~4比特傳送復(fù)幀同步碼“0000”;第6比特傳送復(fù)幀失步對(duì)局告警信號(hào)A2,同步為“0”,失步為“1”;第5、7、8比特傳送“1”碼。
②?F1~F15各幀的TS16前4比特傳送1~15話路的信令信號(hào),后4比特傳送16~30話路的信令信號(hào)。
準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)有兩大系列:
(1)?PCM24路系列:北美、日本使用,基群速率為1.544Mb/s;
(2)?PCM30/32路系列:歐洲、中國(guó)使用,基群速率為2.048Mb/s。
PDH系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有三個(gè):易于構(gòu)成通信網(wǎng),便于分支與插入,具有較高的傳輸效率;可視電話、電視信號(hào)以及頻分制信號(hào)可與高次群相適應(yīng);可與多種傳輸媒介的傳輸容量相匹配,如電纜、同軸電纜、微波、波導(dǎo)、光纖等。
2.3準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)
2.3.1數(shù)字復(fù)接的概念和方法
PDH復(fù)用方法與數(shù)字復(fù)接方法是不同的。
PCM復(fù)用方法是直接將多路信號(hào)編碼復(fù)用,如基群30/32路,但不適用于高次群。高次編碼速率快,對(duì)編碼器元件精度要求高,不易實(shí)現(xiàn),所以,一般不采用高次群。
數(shù)字復(fù)接方法是將幾個(gè)低次群在時(shí)間的空隙上疊加合成高次群。
圖2-7是數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)的方框圖。圖2-7數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)方框圖
復(fù)接器由定時(shí)、碼速調(diào)整和同步復(fù)接單元組成;分接器由同步、定時(shí)、分接和支路碼速恢復(fù)單元組成。
在圖2-7中,碼速調(diào)整單元的作用是把各準(zhǔn)同步的輸入支路的數(shù)字信號(hào)的頻率和相位進(jìn)行調(diào)整,形成與本機(jī)定時(shí)信號(hào)完全同步的數(shù)字信號(hào)。若輸入信號(hào)是同步的,則只需調(diào)整相位。
分接器定時(shí)單元產(chǎn)生的各種控制信號(hào)與復(fù)接器定時(shí)單元產(chǎn)生的各種控制信號(hào)是類似的:同步單元從合路信號(hào)中提出幀定時(shí)信號(hào),再用它控制分接器定時(shí)單元;同步分接單元受分接定時(shí)單元控制,把合路信號(hào)分解為支路數(shù)字信號(hào);受分接器定時(shí)單元控制的恢復(fù)單元?jiǎng)t把分解出的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)出來。
數(shù)字復(fù)接的特點(diǎn)是復(fù)接后速率提高了,但各低次群的編碼速率沒有變。
2.3.2同步復(fù)接與異步復(fù)接
1.數(shù)字復(fù)接的實(shí)現(xiàn)
1)按位復(fù)接
按位復(fù)接的方法是每次復(fù)接時(shí)各低次群的一位編碼形成高次群。如圖2-8(b)是四路集群信號(hào)按位復(fù)接的示意圖。圖2-8數(shù)字復(fù)接示意圖
按位復(fù)接的結(jié)果是復(fù)接后每位碼的間隔是復(fù)接前各支路的1/4,即高次群的速率提高到復(fù)接前的4倍。
其特點(diǎn)是復(fù)接電路存儲(chǔ)量小,簡(jiǎn)單易行,在PDH中大量使用;不足是破壞了一個(gè)字節(jié)的完整性,不利于以字節(jié)(即碼字)為單位的處理和交換。
2)按字復(fù)接
按字復(fù)接的方法是每次復(fù)接按低次群的一個(gè)碼字形成高次群。圖2-8(c)是四路信號(hào)按字復(fù)接的示意圖。其特點(diǎn)是每個(gè)支路都要設(shè)置緩沖存儲(chǔ)器,要求有較大的存儲(chǔ)容量,保證一個(gè)字的完整性,有利于按字處理和交換。同步SDH中大多采用這種方法。
2.數(shù)字復(fù)接的同步
數(shù)字復(fù)接同步主要解決下面兩個(gè)問題:
(1)同步:被復(fù)接的幾個(gè)低次群數(shù)碼率相同。
(2)復(fù)接:不同系統(tǒng)的低次群往往數(shù)碼率不同,是因?yàn)楦骶w振蕩頻率不相同。
不同步帶來的問題是如果直接將幾個(gè)低次群進(jìn)行復(fù)接,就會(huì)產(chǎn)生重疊和錯(cuò)位,在接收端不可能完全恢復(fù)。圖2-9是兩路信號(hào)不同步產(chǎn)生重疊和錯(cuò)位的示意圖。圖2-9兩路信號(hào)不同步產(chǎn)生重疊和錯(cuò)位示意圖
3.同步復(fù)接
同步復(fù)接是由一個(gè)高穩(wěn)定的主時(shí)鐘來控制被復(fù)接的幾個(gè)低次群,使這幾個(gè)低次群的數(shù)碼率統(tǒng)一在主時(shí)鐘的頻率上,可直接復(fù)接。同步復(fù)接方法的缺點(diǎn)是一旦主時(shí)鐘發(fā)生故障,相關(guān)的通信系統(tǒng)將全部中斷,所以它只限于局部地區(qū)使用。
1)碼速變換與恢復(fù)
碼速變換即為使復(fù)接器、分接器正常工作,在碼流中插入附加碼,這不僅使系統(tǒng)碼速相等,而且能夠在接收端分接。
·附加碼:如對(duì)端告警碼、鄰站監(jiān)測(cè)、勤務(wù)聯(lián)系等公務(wù)碼。
·移相:復(fù)接之前進(jìn)行延時(shí)處理。
·緩沖存儲(chǔ)器:完成碼速變換和移相。
下面以一次群復(fù)接成二次群為例進(jìn)行介紹,如圖2-10所示。圖2-10碼速變換與恢復(fù)
同步復(fù)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(發(fā)送部分)如圖2-11所示。圖2-11同步復(fù)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(發(fā)送部分)
同步復(fù)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(接收部分)如圖2-12所示。圖2-12同步復(fù)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(接收部分)
(1)復(fù)接端的作用:時(shí)鐘一致,支路時(shí)鐘、復(fù)接時(shí)鐘來自同一時(shí)鐘源;各支路碼率嚴(yán)格相等(2048kb/s);緩沖存儲(chǔ)器完成各支路的碼速變換;復(fù)接合成完成各支路合路并在所留空位插入附加碼(包括幀同步碼)。
(2)分接端的作用:時(shí)鐘從碼流中提取,產(chǎn)生復(fù)接定時(shí);幀同步保證收、發(fā)間步調(diào)一致;分群分接分開4個(gè)支路信號(hào),并檢出公務(wù)碼;緩沖存儲(chǔ)器扣除各自支路附加碼,恢復(fù)原信號(hào)。
2)同步二次群的幀結(jié)構(gòu)
同步二次群的幀結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。圖2-13同步二次群的幀結(jié)構(gòu)
4.異步復(fù)接
由于各低次群使用自己的時(shí)鐘,且各時(shí)鐘不一致,因此各低次群的數(shù)碼率不完全相同(不同步),需要調(diào)整碼速使它們同步后再進(jìn)行復(fù)接。PDH大多采用這種復(fù)接方法。圖2-14是異步復(fù)接與分解示意圖。圖2-14異步復(fù)接與分解示意圖
其中:
(1)數(shù)字復(fù)接器:把4個(gè)低次群(支路)合成一個(gè)高次群。
(2)數(shù)字復(fù)接器組成:定時(shí)單元—提供統(tǒng)一的時(shí)鐘給設(shè)備;碼速調(diào)整單元—使各支路碼速一致,即同步(分別調(diào)整);復(fù)接單元—將低次群合成高次群。
(3)數(shù)字分接器:把高次群分解成原來的低次群。
(4)數(shù)字分接器組成:定時(shí)單元—從接收信號(hào)中提??;同步單元—使分接器時(shí)鐘與復(fù)接器基準(zhǔn)時(shí)鐘同頻、同相,達(dá)到同步;分接單元—將合路的高次群分離成同步支路信號(hào);恢復(fù)單元—恢復(fù)各支路信號(hào)為原來的低次群。
采用正碼速調(diào)整與恢復(fù)將2048kb/s調(diào)整為2112kb/s的原理圖如圖2-15所示,其過程說明如下:
碼速調(diào)整裝置用于各支路單獨(dú)調(diào)整,將準(zhǔn)同步碼流變成同步碼流。
準(zhǔn)同步碼流是標(biāo)稱數(shù)碼率相同、瞬時(shí)數(shù)碼率不同的碼流。
緩沖存儲(chǔ)器是碼速調(diào)整的主體。
fl是寫入脈沖的頻率,與輸入支路的數(shù)碼率相等。
fm是讀出脈沖的頻率,與緩存器支路信碼輸出速率相等。因?yàn)槭钦a速,所以fm?>?fl。
復(fù)接過程:fl送相位比較器(與fm
比較,fm
起始滯后一個(gè)周期);fm
復(fù)接脈沖送扣除電路(扣與不扣由插入請(qǐng)求決定,請(qǐng)求時(shí)扣,不請(qǐng)求時(shí)則不扣),已扣的fm
復(fù)接脈沖送相位比較器(與fl比較),且作為讀出脈沖;緩存器輸出的fm
碼流有空閑(扣除造成),防止空讀;插入請(qǐng)求使標(biāo)志信號(hào)合成插入;合成電路將fm
和標(biāo)志信號(hào)合在一起。圖2-15正碼速調(diào)整與恢復(fù)
相位比較器在fl
和fm
相位幾乎相同時(shí),有輸出。
碼速恢復(fù)裝置用于將分接后的每一個(gè)同步碼流恢復(fù)成原來的支路碼流。
恢復(fù)過程:標(biāo)志信號(hào)檢出單元有信號(hào)輸出時(shí),寫入脈沖扣除扣除1?bit;扣除的寫入脈沖通過緩存器將與輸入的支路信號(hào)fm合并輸出,恢復(fù)支路信碼fl。
5.碼速調(diào)整
異步復(fù)接中的碼速調(diào)整技術(shù)可分為正碼速調(diào)整、正/負(fù)碼速調(diào)整和正/零/負(fù)碼速調(diào)整三種,其中正碼速調(diào)整應(yīng)用最為普遍。正碼速調(diào)整的含義是使調(diào)整以后的速率比任一支路可能出現(xiàn)的最高速率還要高。例如,二次群碼速調(diào)整后每一支路速率均為2112kb/s,而一次群調(diào)整前的速率在2048kb/s上下波動(dòng),但不會(huì)超過2112kb/s。
正碼速調(diào)整的具體實(shí)施總是按規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行的。例如PCM二次群異步復(fù)接時(shí)就是按圖2-16所示的幀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。圖2-16(a)是復(fù)接前各支路進(jìn)行碼速調(diào)整的幀結(jié)構(gòu),其長(zhǎng)為212bit,共分成4組,每組都是53bit,第Ⅰ組的前3個(gè)比特F11、F12、F13用于幀同步和管理控制,后3組的第一個(gè)比特C11、C12、C13作為碼速調(diào)整控制比特,第Ⅳ組第2比特V1作為碼速調(diào)整比特。圖2-16異步復(fù)接二次群幀結(jié)構(gòu)
通過圖2-17中的比較器可以做到緩存器快要讀空時(shí)發(fā)出一條指令,命令2112kHz時(shí)鐘停讀一次,使緩存器中的存儲(chǔ)量增加,而這一次停讀就相當(dāng)于使圖2-16(a)的V1比特位置沒有置入信碼,而只是一位作為碼速調(diào)整的比特。圖2-16(a)幀結(jié)構(gòu)的意義就是每212bit就比相一次,即作一次是否需要調(diào)整的判決。若判決結(jié)果需要停讀,則V1是調(diào)整比特;若不需要停讀,則V1仍然是信碼。這樣就把在2048kb/s上下波動(dòng)的支路碼流都變成了同步的2112kb/s碼流。圖2-17正碼速調(diào)整原理
在復(fù)接器中,每個(gè)支路都要經(jīng)過正碼速的調(diào)整。由于各支路的讀出時(shí)鐘都是由復(fù)接器提供的同一時(shí)鐘2112?kHz,所以經(jīng)過調(diào)整,4個(gè)支路的瞬時(shí)數(shù)碼率都會(huì)相同,即均為
2112kb/s,故一個(gè)復(fù)接幀長(zhǎng)為848bit,其幀結(jié)構(gòu)如圖2-16(b)所示。
圖2-16(b)是由圖2-16(a)所示的4個(gè)支路比特流按比特復(fù)接的方法復(fù)接起來而得到的。所謂按比特復(fù)接,就是將復(fù)接開關(guān)每旋轉(zhuǎn)一周,就在各支路取出一個(gè)比特。也有按字復(fù)接的,即開關(guān)旋轉(zhuǎn)一周,在各支路上取出一字節(jié)。
從原理上講,要識(shí)別V1是信碼還是調(diào)整比特,只要1位碼就夠了。這里用3位碼,主要是為了提高可靠性。如果用1位碼,這位碼傳錯(cuò)了,就會(huì)導(dǎo)致對(duì)V1的錯(cuò)誤處置。例如用“1”表示有調(diào)整,“0”表示無調(diào)整,經(jīng)過傳輸,若“1”錯(cuò)成“0”,就會(huì)把調(diào)整比特錯(cuò)當(dāng)成信碼;反之,若“0”錯(cuò)成“1”,就會(huì)把信碼錯(cuò)當(dāng)成調(diào)整比特而舍棄。現(xiàn)在用3位碼,采用大數(shù)判決,即“1”的個(gè)數(shù)比“0”多時(shí)認(rèn)定是3個(gè)“1”碼;反之,則認(rèn)定是3個(gè)“0”碼。這樣,即使傳輸中錯(cuò)一位碼,也能正確判別V1。
在大容量通信系統(tǒng)中,高次群失步必然引起低次群的失步。所以為了使系統(tǒng)能可靠工作,四次群異步復(fù)接調(diào)整控制比特Cj為5個(gè),五次群的Cj為6個(gè)(二、三次群都是3個(gè)比特)。這樣安排,可使因誤碼而導(dǎo)致對(duì)V1比特的錯(cuò)誤處理的概率更小,從而保證大容量通信系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠工作。
2.3.3PCM高次群
1.?PCM三次群
PCM三次群的總話路數(shù)為120?×?4?=?480個(gè),速率為34.368Mb/s。
三次群復(fù)接過程:
(1)將4個(gè)標(biāo)稱速率8448kb/s轉(zhuǎn)換為8592kb/s;
(2)再?gòu)?fù)接成三次群。
PCM三次群幀結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。圖2-18PCM三次群幀結(jié)構(gòu)
2.?PCM四次群
PCM四次群幀結(jié)構(gòu)如圖2-19所示。
3.?PCM五次群
PCM五次群幀結(jié)構(gòu)如圖2-20所示。圖2-19PCM四次群幀結(jié)構(gòu)圖2-20PCM五次群幀結(jié)構(gòu)
4.高次群數(shù)字復(fù)接
國(guó)際上兩大系列的準(zhǔn)同步數(shù)字體系構(gòu)成更高速率的二、三、四、五次群,如表2-1所示。
在表2-1中,二次群(以30/32路作為一次群)的標(biāo)準(zhǔn)速率8448kb/s>2048?×?4?=?8192kb/s。其他高次群復(fù)接速率也存在類似情況。這些多出來的碼元是用來解決幀同步、業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò)以及控制等問題的。
復(fù)接后的大容量高速數(shù)字流可以通過電纜、光纖、微波、衛(wèi)星等信道傳輸,而且光纖將取代電纜,衛(wèi)星將利用微波段傳輸信號(hào)。因此,大容量的高速數(shù)字流主要是通過光纖和微波來傳輸?shù)?。?jīng)濟(jì)效益分析表明,二次群以上的數(shù)字通信用光纖、微波傳輸都是合算的。
基于30/32路系列的數(shù)字復(fù)接體系(E體系)的結(jié)構(gòu)如圖2-21所示。圖2-21PCM30/32路系列數(shù)字復(fù)接體系(E體系)結(jié)構(gòu)
5.高次群接口碼型
高次群接口碼型的要求與基帶傳輸時(shí)對(duì)碼型的要求類似。線路與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的接口必須使用協(xié)議的同一種碼型。一至四次群接口速率與碼型如表2-2所示。
2.4同步數(shù)字體系(SDH)
2.4.1SDH的基本概念
20世紀(jì)80年代中期以來,光纖通信在電信網(wǎng)中獲得了廣泛應(yīng)用,其應(yīng)用范圍已逐步從長(zhǎng)途通信、市話局間中繼通信轉(zhuǎn)向用戶入網(wǎng)。光纖通信優(yōu)良的寬帶特性、傳輸性能和低廉價(jià)格使之成為電信網(wǎng)的主要傳輸手段。然而,隨著電信網(wǎng)的發(fā)展和用戶要求的提高,光纖通信中的傳統(tǒng)準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)暴露出一些固有的弱點(diǎn):
(1)歐洲、北美、日本等國(guó)家規(guī)定的語音信號(hào)編碼率各不相同,給國(guó)際間互通造成困難。
(2)沒有世界性的標(biāo)準(zhǔn)光接口規(guī)范,導(dǎo)致各廠家自行開發(fā)的專用接口(包括碼型)只有通過光/電轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電接口(G.703建議)才能互通,從而限制了聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的靈活性,也增加了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本。
(3)低速支路信號(hào)不能直接接入高速信號(hào)通路上,例如目前低速支路多數(shù)采用準(zhǔn)同步復(fù)接,而且大多數(shù)采用正碼速調(diào)整來形成高速信號(hào),其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
(4)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)、管理與維護(hù)能力受到限制。
SDH是由一些網(wǎng)絡(luò)單元(例如終端復(fù)用器TM、分插復(fù)用器ADM、同步數(shù)字交叉連接設(shè)備SDXC等)組成的在光纖上進(jìn)行同步信息傳輸、復(fù)用和交叉連接的網(wǎng)絡(luò),其優(yōu)點(diǎn)是:
(1)具有全世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口(NNI)。
(2)有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級(jí),稱為同步傳輸模塊(STM-1、STM-4、STM-16和STM-64)。
(3)幀結(jié)構(gòu)為頁面式,具有豐富的用于維護(hù)管理的比特。
(4)所有網(wǎng)絡(luò)單元都具有標(biāo)準(zhǔn)光接口。
(5)有一套靈活的復(fù)用結(jié)構(gòu)和指針調(diào)整技術(shù),允許現(xiàn)有的準(zhǔn)同步數(shù)字體系、同步數(shù)字體系和B-ISDN信號(hào)進(jìn)入其幀結(jié)構(gòu),因而具有廣泛的適應(yīng)性。
(6)采用大量軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和控制,使得其功能開發(fā)、性能改變較為方便,適應(yīng)將來的不斷發(fā)展。
為了比較PDH和SDH,這里以從140Mb/s碼源中分插一個(gè)2Mb/s支路信號(hào)的任務(wù)為例來加以說明,其工作過程如圖2-22所示。圖2-22分插信號(hào)流圖的比較
由圖2-22可知,為了從140Mb/s碼源中分插一個(gè)2Mb/s支路信號(hào),PDH需要經(jīng)過140/34Mb/s、34/8Mb/s和8/2Mb/s三次分接。
SDH的特點(diǎn)是由基本復(fù)用單元組成,有若干中間復(fù)用步驟;業(yè)務(wù)信號(hào)的種類包括兩大基本系列的各次群速率;STM-N的復(fù)用過程包括映射、定位、復(fù)用三個(gè)步驟;復(fù)用技術(shù)為指針調(diào)整定位。
SDH網(wǎng)絡(luò)最核心的特點(diǎn)是擁有同步復(fù)用、標(biāo)準(zhǔn)光接口和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理能力。
2.4.2SDH的速率和幀結(jié)構(gòu)
在SDH網(wǎng)絡(luò)中,信息是以同步傳輸模塊(SynchronousTransportModule,STM)的結(jié)構(gòu)形式傳輸?shù)摹R粋€(gè)同步傳輸模塊(STM)主要由信息有效負(fù)荷和段開銷(SectionOverHead,SOH)組成塊狀幀結(jié)構(gòu)。
SDH最基本的模塊信號(hào)是STM-1,其速率是155.520Mb/s;更高等級(jí)的STM-N是將基本模塊信號(hào)STM-1同步復(fù)用、字節(jié)間插的結(jié)果。其中N是正整數(shù),可以取1、4、16、64。ITU-TG.707建議規(guī)范的SDH標(biāo)準(zhǔn)速率如表2-3所示。
STM-N的幀結(jié)構(gòu)如圖2-23所示,它有270?×?N列、9行,即幀長(zhǎng)度為270?×?N?×?9B(字節(jié)Byte簡(jiǎn)記為B),或270?×?N?×?9?×?8bit;幀重復(fù)周期為125μs。圖2-23STM-N的幀結(jié)構(gòu)
1.段開銷
段開銷分兩個(gè)部分,第1~3行為再生段開銷(RSOH),與再生器功能相關(guān);第5~9行為復(fù)用段開銷(MSOH),與管理單元群(AUG)的組合和拆解相關(guān)。SOH中所含字節(jié)主要用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、管理、維護(hù)和指配(OAM&P),以保證信息正確靈活地傳輸。
2.管理單元指針
AU-PTR位于幀結(jié)構(gòu)左邊的第4行,其作用是指示凈負(fù)荷區(qū)的第一個(gè)字節(jié)在STM-N幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置,以便接收時(shí)能正確分離凈負(fù)荷區(qū)。
3.凈負(fù)荷
STM-1的凈負(fù)荷是指可真正用于通信業(yè)務(wù)的比特,凈負(fù)荷量為8bit/B?×?261B?×9行?=?18?792bit。另外,該區(qū)域還存放著少量可用于通道維護(hù)管理的通道開銷(POH)字節(jié)。
對(duì)于STM-1而言,幀長(zhǎng)度為270?×?9B,或270?×?9?×?8?=?19?440bit,幀周期為125μs,其比特速率為270?×?9?×?8/125?×?10-6?=?155.520Mb/s。STM-N的比特速率為270?×?9?×?N?×?8/125?×?10-6?=?155.520NMb/s。
2.4.3同步復(fù)用結(jié)構(gòu)
同步復(fù)用與映射方法是SDH最具特色的內(nèi)容之一。它能使數(shù)字復(fù)用由PDH固定的大量硬件配置轉(zhuǎn)換為靈活的軟件配置。
在SDH網(wǎng)絡(luò)中,采用同步復(fù)用法、凈負(fù)荷指針技術(shù)來表示STM-N幀內(nèi)凈負(fù)荷的準(zhǔn)確位置。SDH的一般復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖2-24所示,它是由一些基本復(fù)用和映射單元組成的、有若干中間復(fù)用步驟的復(fù)用結(jié)構(gòu)。各種業(yè)務(wù)信號(hào)復(fù)用進(jìn)STM-N幀的過程都要經(jīng)歷映射、定位和復(fù)用三個(gè)步驟。其中,采用指針調(diào)整定位技術(shù)取代125μs緩存器來校正支路頻差和實(shí)現(xiàn)相位對(duì)準(zhǔn),是復(fù)用技術(shù)的一項(xiàng)重大改革。圖2-24SDH的一般復(fù)用結(jié)構(gòu)
定位是一種將幀偏移信息收進(jìn)支路單元或管理單元的過程,即以附加于虛容器上的支路單元指針(或管理單元指針)指示和確定低階虛容器幀的起點(diǎn)在支路單元(或高階虛容器幀的起點(diǎn)在管理單元)凈負(fù)荷中的位置。當(dāng)發(fā)生相對(duì)幀相位偏差使虛容器幀起點(diǎn)浮動(dòng)時(shí),指針值隨之調(diào)整,從而始終保證指針值準(zhǔn)確指示信息結(jié)構(gòu)起點(diǎn)在虛容器幀中的位置。
復(fù)用是一種使多個(gè)低階通道的信號(hào)適配進(jìn)高階通道或者把多個(gè)高階通道層信號(hào)適配進(jìn)復(fù)層的過程,即把TU組織進(jìn)高階VC或把AU組織進(jìn)STM-N。由于經(jīng)TU和AU指針處理后的各VC支路已相位同步,所以此復(fù)用過程為同步復(fù)用。
圖中各單元的名稱及作用分別為:
(1)容器(C)。容器是一種用來裝載各種速率的業(yè)務(wù)信號(hào)的信息結(jié)構(gòu)。容器的種類有五種:C-11、C-12、C-2、C-3、C-4,其輸入比特率分別為1.544Mb/s、2.048Mb/s、6.312Mb/s、34.368或44.736Mb/s、139.264Mb/s。參與SDH復(fù)用的各種速率的業(yè)務(wù)信號(hào)都要經(jīng)過碼速調(diào)整等適配技術(shù)裝進(jìn)一個(gè)恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)容器之中。已裝載的標(biāo)準(zhǔn)容器又作為虛容器(VC)的凈負(fù)荷。
(2)虛容器(VC)。虛容器是用來支持SDH的通道層連接的信息結(jié)構(gòu)。它是SDH通道的信息終端。虛容器有低階VC和高階VC之分,前端的VC-11、VC-12、VC-2、VC-3為低階虛容器;后端的VC-3、VC-4為高階虛容器。虛容器的信息結(jié)構(gòu)由通道開銷和標(biāo)準(zhǔn)容器的輸出組成,即
(3)支路單元(TU)。支路單元是提供低階通道層和高階通道層之間適配的信息結(jié)構(gòu)。其信息TU-n(n?=?11,12,2,3)由一個(gè)相應(yīng)的低階VC-n信息凈負(fù)荷和一個(gè)相應(yīng)的支路單元指針TU-nPTR組成。TU-nPTR指示VC-n凈負(fù)荷起點(diǎn)在支路幀中的偏移,即
(4)支路單元組(TUG)。支路單元組是由一個(gè)或多個(gè)在高階VC凈負(fù)荷中占據(jù)固定且確定位置的支路單元組成的。
(5)管理單元(AU)。管理單元是提供高階通道層和復(fù)用通道層之間適配的信息結(jié)構(gòu),有AU-3和AU-4兩種管理單元。其信息AU-n(n?=?3,4)由一個(gè)相應(yīng)的高階VC-n信息凈負(fù)荷和一個(gè)相應(yīng)的管理單元指針AU-nPTR組成。AU-nPTR指示VC-n凈負(fù)荷起點(diǎn)在TU幀內(nèi)的位置。AU指針相對(duì)于STM-N幀的位置總是固定的,即
(6)管理單元組(AUG)。管理單元組是由一個(gè)或多個(gè)在STM-N凈負(fù)荷中占據(jù)固定且確定位置的支路單元組成的。
(7)同步傳輸模塊。基本幀模塊STM-1的信號(hào)速率為155.520Mb/s,更高階的STM-N(N?=?4,16,64,…)由STM-1信號(hào)以同步復(fù)用方式構(gòu)成。
當(dāng)各種PDH速率信號(hào)輸入到SDH網(wǎng)時(shí),首先要進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器C-n(n?=?11,12,2,3,4);進(jìn)入容器的信息結(jié)構(gòu)為后接的虛容器VC-n組成與網(wǎng)絡(luò)同步的信息有效負(fù)荷;這就是映射過程。
由圖2-25所示的復(fù)用結(jié)構(gòu)可見,從一個(gè)有效信息負(fù)荷到STM-N的復(fù)用路線不是唯一的,但對(duì)于一個(gè)國(guó)家或地區(qū)而言,其復(fù)用路線應(yīng)是唯一的。我國(guó)的光同步傳輸網(wǎng)技術(shù)體制規(guī)定以2Mb/s為基礎(chǔ)的PDH系列作為SDH的有效負(fù)荷,并選用AU-4復(fù)用路線;其基本復(fù)用映射結(jié)構(gòu)如圖2-25所示。圖2-25我國(guó)的SDH基本復(fù)用映射結(jié)構(gòu)
我國(guó)在PDH中應(yīng)用最廣的是2Mb/s和140Mb/s支路接口,一般不用34Mb/s支路接口。這是因?yàn)橐粋€(gè)STM-1只能映射進(jìn)3個(gè)34Mb/s支路信號(hào),而將4個(gè)34Mb/s支路信號(hào)復(fù)用成140Mb/s后再映射進(jìn)STM-1更為經(jīng)濟(jì)。
下面以2.048Mb/s轉(zhuǎn)換為STM-N速率來說明信號(hào)的復(fù)用、定位、映射過程,如圖2-26所示。圖2-26從2.048?Mb/s支路信號(hào)到STM-N的過程
2.4.4映射的方法
映射是一種在SDH邊界處使支路信號(hào)適配進(jìn)VC的過程。各種速率先經(jīng)過碼速調(diào)整裝入C-n中,再加入相應(yīng)的VC-nPOH,形成VC-n。
1.高階通道開銷(HPOH)
高階通道開銷位于VC-3、VC-4幀結(jié)構(gòu)的第一列,有9個(gè)字節(jié),即J1、B3、C2、G1、F2、H4、F3、K3、N1,分別如圖2-27、圖2-28所示。圖2-27VC-3通道開銷(POH)圖2-28VC-4通道開銷(POH)
9個(gè)字節(jié)的功能如下:
J1—通道蹤跡字節(jié);
B3—通道BIP-8碼字節(jié);
C2—信號(hào)標(biāo)識(shí)字節(jié);
G1—通道狀態(tài)字節(jié);
F2、F3—通道使用者字節(jié);
H4—通道使用者字節(jié);
K3—自動(dòng)保護(hù)倒換APS指令(前4bit);備用字節(jié)(后4bit);
N1—網(wǎng)絡(luò)操作者字節(jié)。
2.低階通道開銷(LPOH)
低階通道開銷位于VC-1x、VC-2的一個(gè)復(fù)幀各基幀的頭一個(gè)字節(jié)。
VC-1x、VC-2復(fù)幀結(jié)構(gòu)的POH由V5、J2、N2、K4組成。加入POH的VC-12復(fù)幀結(jié)構(gòu)如圖2-29所示。有多種不同形式的復(fù)幀,適用不同容量的凈負(fù)荷在網(wǎng)中傳輸。圖2-29加入POH的VC-12復(fù)幀結(jié)構(gòu)
低階通道開銷的功能:
V5—通道狀態(tài)功能;
J2—通道蹤跡字節(jié);
N2—網(wǎng)絡(luò)操作者字節(jié);
K4(b1~b4)—APS通道;
K4(b5~b7)—遠(yuǎn)端缺陷指示;
K4(b8)—備用。
3.映射舉例
1)?139.264Mb/s支路信號(hào)(H-4)的映射
該映射是異步映射,浮動(dòng)模式。
(1)?139.264Mb/s支路信號(hào)裝入C-4。
該映射是正碼速調(diào)整異步裝入。
(2)?C-4裝入VC-4。
該映射是在C-4的9個(gè)子幀前分別插入VC-4POH字節(jié)J1、B3、C2、G1、F2、H4、F3、K3、N1,即可構(gòu)成VC-4幀。
139.264Mb/s支路信號(hào)(H-4)的映射過程如圖2-30所示。圖2-30139.264Mb/s支路信號(hào)(H-4)的映射過程
2)?2.048Mb/s支路信號(hào)(H-12)的映射
該映射是異步映射,比特同步、字節(jié)同步均可;均需要復(fù)幀形式;異步映射需碼速調(diào)整;同步映射不需要碼速調(diào)整。
2.048Mb/s支路信號(hào)異步映射成VC-12(復(fù)幀)的原理如圖2-31所示。
低階通道開銷位置示意圖如圖2-32所示。圖2-312.048Mb/s支路信號(hào)異步映射成VC-12(復(fù)幀)的原理圖2-32低階通道開銷(LPOH)位置示意圖
2.4.5定位
定位的作用是將幀偏移信息收進(jìn)TU和AU。其步驟如下:
(1)在VC上附加TU-PTR或AU-PTR指針指示。
(2)確定低階VC在TU凈負(fù)荷中的起點(diǎn)位置或確定高階VC在AU凈負(fù)荷中的起點(diǎn)位置。
(3)發(fā)現(xiàn)相位偏差、幀起點(diǎn)浮動(dòng)時(shí),指針隨之調(diào)整,以保證指針準(zhǔn)確指示VC幀的起點(diǎn)位置。
指針作用如下:
(1)網(wǎng)絡(luò)同步時(shí),指針用來同步信號(hào)間的校準(zhǔn)。
(2)網(wǎng)絡(luò)失同步時(shí)(準(zhǔn)同步),指針用來進(jìn)行頻率和相位的校準(zhǔn);異步工作時(shí),指針用作頻率跟蹤校準(zhǔn)。
(3)容納網(wǎng)絡(luò)中的頻率抖動(dòng)和漂移。
1.?VC-4在AU-4中的定位
1)?AU-4PTR
VC-4進(jìn)入AU-4時(shí),應(yīng)加上AU-4PTR,即AU-4?=VC-4?+AU-4PTR。AU-4PTR的位置位于VC-4前9列第4行的對(duì)應(yīng)位置。
其中,Y=1001SS11,SS為未規(guī)定比特。
3個(gè)H3用于VC幀速率調(diào)整。
10個(gè)bit用于調(diào)整VC-4凈負(fù)荷9?×?261?=?2349B:
(1)每3個(gè)字節(jié)為一個(gè)調(diào)整單位,共有2349/3?=?783個(gè)調(diào)整單位。
(2)?ID比特共有210?=?1024個(gè)值,足以表示783個(gè)調(diào)整單位。
(3)?783個(gè)調(diào)整單位分別用000、111、222、…、781781781、782782782指針調(diào)整單位序列表示。
圖2-33中000的位置是從AU-4PTR后的第一個(gè)調(diào)整單位算起的。圖2-33指針位置和偏移編號(hào)
2)速率調(diào)整
(1)正調(diào)整。
(2)負(fù)調(diào)整。
3)舉例
2.?VC-12在TU-12中的定位
1)?TU-12指針
V1、V2、V3、V4分別為TU-12基幀的指針。在VC-12基幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入指針即可構(gòu)成TU-12,VC-12基幀結(jié)構(gòu)和TU-12指針位置如圖2-34所示。圖2-34VC-12基幀結(jié)構(gòu)及TU-12指針位置
2.4.6復(fù)用
復(fù)用使多個(gè)低階通道層的信號(hào)適配進(jìn)高階通道,或把多個(gè)高階通道層信號(hào)適配進(jìn)復(fù)用層,即以字節(jié)交錯(cuò)間插方式把TU組織進(jìn)高階VC或把AU組織進(jìn)STM-N。
SDH復(fù)用為同步復(fù)用。TU和AU指針處理后的各VC支路已實(shí)現(xiàn)相位同步。
1.?TU-12復(fù)用進(jìn)TUG-2,再?gòu)?fù)用進(jìn)TUG-3
(1)?3個(gè)TU-12按字節(jié)間插復(fù)用進(jìn)1個(gè)TUG-2;1個(gè)TU-12基本幀為9行
×?4列?=?36字節(jié);1個(gè)TUG-2為9行
×?12列?=?108字節(jié)。
(2)?7個(gè)TUG-2按字節(jié)間插復(fù)用進(jìn)1個(gè)TUG-3;TUG-3的前兩列為插入字節(jié),所以,TUG-3共有
9行
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