《數(shù)字通信原理》蘇文俊suwenjun@139.com1數(shù)字通信系統(tǒng)構(gòu)成回顧26.3時分復(fù)用（TDM）與數(shù)字復(fù)接第6章信道復(fù)用與多址技術(shù)4內(nèi)容提要時分復(fù)用原理時分復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)數(shù)字復(fù)接技術(shù)1236.3.1時分復(fù)用原理5時分復(fù)用（TDM）是指各路信號在同一信道上占有不同時間間隙進(jìn)行通信。由前述的抽樣理論可知，抽樣的一個重要作用是將時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號，其在信道上占用時間的有限性，為多路信號沿同一信道傳輸提供了條件。具體來說，就是把時間分成一些均勻的時間間隙，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隙，以達(dá)到互相分開、互不干擾的目的。圖6-12（a）所示為時分多路復(fù)用示意圖。各路信號經(jīng)低通濾波器將頻帶限制在3

400Hz以下，然后加到快速電子旋轉(zhuǎn)開關(guān)K1，K1開關(guān)不斷重復(fù)地作勻速旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周Ts秒對每一路信號每隔一個周期抽樣一次，這樣N個樣值按先后順序錯開，合成的復(fù)用信號是N個抽樣信息之和，如圖6-12（b）和（c）所示。由各個信息構(gòu)成單一抽樣的一組脈沖叫做一幀。一幀中相鄰脈沖之間的時間間隔叫做時隙（TimeSlot），未被抽樣脈沖占用的時隙部分叫做防護(hù)時間。圖中的開關(guān)K1、K2也稱為分配器圖6-12時分多路復(fù)用示意圖6.3.1時分復(fù)用原理66.3.1時分復(fù)用原理7圖中，發(fā)送端分配器不僅起到抽樣的作用，同時還起到復(fù)用合路的作用。合路后的抽樣信號送到PCM編碼器進(jìn)行量化和編碼，然后將數(shù)字信碼送往信道。在接收端將這些從發(fā)送端送來的各路信碼依次解碼，還原后的PAM信號由收端分配器旋轉(zhuǎn)開關(guān)K2依次接通每一路信號，再經(jīng)低通平滑，重建話音信號。接收端的分配器起到時分復(fù)用的分路作用，所以接收端分配器又叫分路門。為保證正常通信，發(fā)送、接收端旋轉(zhuǎn)開關(guān)K1，K2必須同頻同相。同頻是指K1，K2的旋轉(zhuǎn)速度要完全相同，同相指的是發(fā)送端旋轉(zhuǎn)開關(guān)K1連接第一路信號時，接收端旋轉(zhuǎn)開關(guān)K2也必須連接第一路，否則接收端將收不到本路信號，要求發(fā)送、接收雙方必須保持嚴(yán)格的同步。6.3.1時分復(fù)用原理8【例6-1】對10路帶寬均為300～3

400Hz的模擬信號進(jìn)行PCM時分復(fù)用傳輸。抽樣速率為8

000Hz，抽樣后進(jìn)行8級量化，并編為自然二進(jìn)制碼，碼元波形是寬度為τ的矩形脈沖，且占空比為1。試求傳輸此時分復(fù)用PCM信號所需的最小帶寬。解：PCM時分復(fù)用信號的傳輸速率為Rb

=8

log2810kbit/s=

240kbit/s二進(jìn)制基帶系統(tǒng)的最大頻帶利用率為所以，傳輸此信號所需最小帶寬為9內(nèi)容提要時分復(fù)用原理時分復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)數(shù)字復(fù)接技術(shù)1236.3.2時分復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)10以PCM30/32路電話系統(tǒng)為例，來說明時分復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)，這樣形成的PCM信號稱為PCM一次群信號。時分多路復(fù)用的方式是用時隙來分割的，每一路信號分配一個時隙叫路時隙，幀同步碼和信令碼也各分配一個路時隙。PCM30/32系統(tǒng)的意思是整個系統(tǒng)共分為32個路時隙，其中30個路時隙用來傳送30路話音信號，一個路時隙用來傳送幀同步碼，另一個路時隙用來傳送信令碼。次群以1.5Mbps為基礎(chǔ)的系列以2Mbps為基礎(chǔ)的系列日本體制（kbps）北美體制（kbps）歐洲體制（kbps）0次群6464641次群1554155420482次群6312631284483次群3206444736343684次群977281392641392645次群*2741765651486.3.2時分復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)116.3.2時分復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)12從圖中可看出，PCM30/32路系統(tǒng)中一個復(fù)幀包含16幀，編號為F0幀、F1幀，…，F(xiàn)15幀，一復(fù)幀的時間為2ms。每一幀（每幀的時間為125

s）又包含有32個路時隙，其編號為TS0～TS31，每個路時隙的時間為3.9

s。每一路時隙包含有8個位時隙，每個位時隙的時間為0.488

s。根據(jù)抽樣理論，每幀頻率為8

000幀/s，幀周期為125s，所以PCM30/32路系統(tǒng)的總數(shù)碼率是Rb=8

000

(幀/s)

32

(路時隙/幀)

8

(bit/路時隙)

=2

048kbit/s

=

2.048

Mbit/s6.3.2時分復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)13【例6-2】6路獨(dú)立信源的最高頻率分別為1kHz、1kHz、2kHz、2kHz、3kHz、3kHz。若采用時分復(fù)用方式進(jìn)行傳輸，每路信號均采用8位對數(shù)PCM編碼。（1）設(shè)計該系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)和總時隙數(shù)，求每個時隙占有的時間寬度及碼元寬度。（2）求信道最小傳輸帶寬。解：（1）若選擇抽樣頻率為6kHz，則每路信號都符合抽樣定理的要求。不考慮幀同步碼、信令碼，幀結(jié)構(gòu)如圖6-16所示。每幀共6個時隙，每個時隙占有的時間寬度為27.8

s，碼元寬度為3.5

s。（2）信息傳輸速率為Rb

=6

000

(幀/s)

6

(時隙/幀)

8

(bit/時隙)

=

288kbit/s信道最小傳輸帶寬為：Bc

=

Rb/2=

144kHz14內(nèi)容提要時分復(fù)用原理時分復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)數(shù)字復(fù)接技術(shù)1236.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)15在時分制數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率，常常需要將若干個低速數(shù)字信號合并成一個高速數(shù)字信號流，以便在高速寬帶信道中傳輸。擴(kuò)大數(shù)字通信容量有兩種方法。一種方法是采用PCM30/32系統(tǒng)（基群或一次群）復(fù)用的方法。例如需要傳送120路電話時，可將120路話音信號分別用8kHz抽樣頻率抽樣，然后對每個抽樣值編8位碼，其數(shù)碼率為8000

8

120

=

7

680kbit/s。由于每幀時間為125

s，每個路時隙的時間只有1

s左右，這樣每個抽樣值編8位碼的時間只有1

s時間，其編碼速度非常高，對編碼電路及元器件的速度和精度要求很高，實(shí)現(xiàn)起來非常困難。但這種方法從原理上講是可行的，這種對120路話音信號直接編碼復(fù)用的方法稱PCM復(fù)用。另一種方法是將幾個，例如4個經(jīng)PCM復(fù)用后的數(shù)字信號再進(jìn)行時分復(fù)用，形成更多路的數(shù)字通信系統(tǒng)。顯然，經(jīng)過數(shù)字復(fù)用后的信號的數(shù)碼率提高了，但是對每一個基群編碼速度沒有提高，實(shí)現(xiàn)起來容易，目前廣泛采用這種方法提高通信容量。由于數(shù)字復(fù)用采用數(shù)字復(fù)接的方法來實(shí)現(xiàn)，又稱數(shù)字復(fù)接技術(shù)。1．?dāng)?shù)字復(fù)接的概念6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)16數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)由數(shù)字復(fù)接器和數(shù)字分接器組成，如圖6-17所示。數(shù)字復(fù)接器是把兩個或兩個以上的支路（低次群），按時分復(fù)用方式合并成一個單一的高次群數(shù)字信號設(shè)備，它由定時、碼速調(diào)整和復(fù)接單元等組成。數(shù)字分接器的功能是把已合路的高次群數(shù)字信號，分解成原來的低次群數(shù)字信號，它由幀同步、定時、數(shù)字分接和碼速恢復(fù)等單元組成。1．?dāng)?shù)字復(fù)接的概念圖6-17數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)方框圖6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)17定時單元給設(shè)備提供一個統(tǒng)一的基準(zhǔn)時鐘。碼速調(diào)整單元是把速率不同的各支路信號，調(diào)整成與復(fù)接設(shè)備定時完全同步的數(shù)字信號，以便由復(fù)接單元把各個支路信號復(fù)接成一個數(shù)字流。在復(fù)接時還需要插入幀同步信號，以便接收端正確接收各支路信號。分接設(shè)備的定時單元是由接收信號中提取時鐘，并分送給各支路進(jìn)行分接用。1．?dāng)?shù)字復(fù)接的概念圖6-17數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)方框圖6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)18目前廣泛使用的是分別以1

544kbit/s（T1）和2

048kbit/s（E1）為代表的兩套準(zhǔn)同步數(shù)字系列（PDH），CCITT已推薦了兩類數(shù)字速率系列和復(fù)接等級，兩類數(shù)字速率系列和數(shù)字復(fù)接等級分別如表6-1和圖6-18所示。2．?dāng)?shù)字復(fù)接等級群號一次群二次群三次群四次群數(shù)碼率（Mbit/s）1.544（T1）6.31232.06497.728話路數(shù)2424

4=9696

5=480480

3=1440數(shù)碼率（Mbit/s）2.048(E1)8.44834.368139.264話路數(shù)3030

4=120120

4=480480

4=1920表6-1 兩類數(shù)字速率系列6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)192．?dāng)?shù)字復(fù)接等級圖6-18數(shù)字復(fù)接等級示意圖6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)20隨著數(shù)字通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的準(zhǔn)同步數(shù)字系列（PDH）逐漸成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信的重要阻礙。為此，CCITT于1988年通過了同步數(shù)字系列（SDH），采用同步轉(zhuǎn)移模式（STM），它的第一級速率為155.52kbit/s（STM-1），而其他高級速率是在第一級速率基礎(chǔ)上采用同步復(fù)接實(shí)現(xiàn)，解決了準(zhǔn)同步數(shù)字系列的非標(biāo)準(zhǔn)化及其他一些缺點(diǎn)。SDH的優(yōu)點(diǎn)同步復(fù)用強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理能力統(tǒng)一的光接口及復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)2．?dāng)?shù)字復(fù)接等級6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)21數(shù)字復(fù)接的方法主要有按位復(fù)接、按字復(fù)接和按幀復(fù)接三種。按位復(fù)接又叫比特復(fù)接，即復(fù)接時每支路依次復(fù)接一個比特。圖6-19（a）所示是4個PCM30/32系統(tǒng)TS1時隙（CH1話路）的碼字情況。圖6-19（b）所示是按位復(fù)接后的二次群中各支路數(shù)碼排列情況。按位復(fù)接方法簡單易行，設(shè)備也簡單，存儲器容量小，目前被廣泛采用，其缺點(diǎn)是對信號交換不利。3．?dāng)?shù)字復(fù)接方法與分類圖6-19按位復(fù)接與按字復(fù)接示意圖6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)22圖6-19（c）是按字復(fù)接，對PCM30/32系統(tǒng)來說，一個碼字有8位碼，它是將8位碼先儲存起來，按規(guī)定時間四個支路輪流復(fù)接，這種方法有利于數(shù)字電話交換，但要求有較大的存儲容量。按幀復(fù)接是每次復(fù)接一個支路的一幀（一幀含有256個比特），這種方法的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)接時不破壞原來的幀結(jié)構(gòu)，有利于交換，但要求更大的存儲容量。3．?dāng)?shù)字復(fù)接方法與分類圖6-19按位復(fù)接與按字復(fù)接示意圖6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)23幾個低次群數(shù)字信號復(fù)接成一個高次群數(shù)字信號時，如果各個低次群，例如PCM30/32系統(tǒng)的時鐘是各自產(chǎn)生的，即使它們的標(biāo)稱數(shù)碼率相同，都是2048kbit/s，但它們的瞬時數(shù)碼率也可能是不同的。各個支路的晶體振蕩器的振蕩頻率不可能完全相同（CCITT規(guī)定PCM30/32系統(tǒng)的瞬時數(shù)碼率在2

048kbit/s

100bit/s），幾個低次群復(fù)接后的數(shù)碼就會產(chǎn)生重疊或錯位，如圖6-20（b）所示。這樣復(fù)接合成后的數(shù)字信號流，在接收端是無法分接恢復(fù)成原來的低次群信號的。因此，數(shù)碼率不同的低次群信號是不能直接復(fù)接的。為此，在復(fù)接前要使各低次群的數(shù)碼率同步，同時使復(fù)接后的數(shù)碼率符合高次群幀結(jié)構(gòu)的要求。所以，將幾個低次群復(fù)接成高次群時，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以調(diào)整各低次群系統(tǒng)的數(shù)碼率使其同步，這種同步是系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的同步，稱系統(tǒng)同步。4．?dāng)?shù)字復(fù)接中的碼速調(diào)整6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)244．?dāng)?shù)字復(fù)接中的碼速調(diào)整圖6-20低次群復(fù)接示意圖6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)25系統(tǒng)同步的方法有兩種，即同步復(fù)接和異步復(fù)接。同步復(fù)接是用一個高穩(wěn)定的主時鐘來控制被復(fù)接的幾個低次群，使這幾個低次群的碼速統(tǒng)一在主時鐘的頻率上，這樣就達(dá)到系統(tǒng)同步的目的。這種同步方法的缺點(diǎn)是主時鐘一旦出現(xiàn)故障，相關(guān)的通信系統(tǒng)將全部中斷。它只限于在局部區(qū)域內(nèi)使用。異步復(fù)接是各低次群使用各自的時鐘。這樣，各低次群的時鐘速率就不一定相等，因而在復(fù)接時先要進(jìn)行碼速調(diào)整，使各低次群同步后再復(fù)接。不論同步復(fù)接或異步復(fù)接，都需要碼速變換。雖然同步復(fù)接時各低次群的數(shù)碼率完全一致，但復(fù)接后的碼序列中還要加入幀同步碼、對端告警碼等碼元，這樣數(shù)碼率就要增加，因此需要碼速變換。4．?dāng)?shù)字復(fù)接中的碼速調(diào)整6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)26數(shù)字復(fù)接的碼速調(diào)整主要有三種類型：正碼速調(diào)整、正/負(fù)碼速調(diào)整和正/零/負(fù)碼速調(diào)整。這三種方式中，正碼速調(diào)整方式的性能雖是三種方式中最差的，但能在大部分應(yīng)用場合下滿足性能要求，而這種方式的設(shè)備最簡單，成本低，所以應(yīng)用最廣泛。因此，本節(jié)主要以正碼速調(diào)整方式來說明碼速調(diào)整的原理及實(shí)現(xiàn)方法。4．?dāng)?shù)字復(fù)接中的碼速調(diào)整6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)27

CCITT規(guī)定以2

048kbit/s為一次群的數(shù)碼率PCM二次群的數(shù)碼率為8

448kbit/s。按理說，PCM二次群的數(shù)碼率是4×2048kbit/s

=

8192kbit/s。當(dāng)考慮到4個PCM一次群在復(fù)接時插入了幀同步碼、告警碼、插入碼和插入標(biāo)志碼等碼元，這些碼元的插入，使每個基群的數(shù)碼率由2048kbit/s調(diào)整到2112kbit/s，這樣4×2112kbit/s

=

8448kbit/s。碼速調(diào)整后的速率高于調(diào)整前的速率，稱正碼速調(diào)整。正碼速調(diào)整方框圖如圖6-21所示。每一個參與復(fù)接的數(shù)碼流都必須經(jīng)過一個碼速調(diào)整裝置，將瞬時數(shù)碼率不同的數(shù)碼流調(diào)整到相同的、較高的數(shù)碼率，然后再進(jìn)行復(fù)接。碼速調(diào)整裝置的主體是緩沖存儲器，還包括一些必要的控制電路、輸入支路的數(shù)碼率fl

=

2.048Mbit/s±100bit/s，輸出數(shù)碼率為fm=2.112Mbit/s。所謂正碼速調(diào)整就是因為fm>fi而得名的。假定緩存器中的信息原來處于半滿狀態(tài)，隨著時間的推移，由于讀出時鐘大于寫入時鐘，緩存器中的信息勢必越來越少，如果不采取特別措施，終將導(dǎo)致緩存器中的信息被取空，再讀出的信息將是虛假的信息。4．?dāng)?shù)字復(fù)接中的碼速調(diào)整圖6-21正碼速調(diào)整方框圖6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)284．?dāng)?shù)字復(fù)接中的碼速調(diào)整6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)29為了防止緩存器的信息被取空，需要采取一些措施。一旦緩存器中的信息比特數(shù)降到規(guī)定數(shù)量時，就發(fā)出控制信號，這時控制門關(guān)閉，讀出時鐘被扣除一個比特。由于沒有讀出時鐘，緩存器中的信息就不能讀出去，而這時信息仍往緩存器存入，因此緩存器中的信息就增加一個比特。如此重復(fù)下去，就可將數(shù)碼流通過緩沖存儲器傳送出去，而輸出信碼的速率則增加為fl。圖6-22中某支路輸入碼速率為fl，在寫入時鐘作用下，將信碼寫入緩存器，讀出時鐘頻率是fm，由于fm>fl，所以緩存器是處于慢寫快讀的狀態(tài)，最后將會出現(xiàn)“取空”現(xiàn)象。如果在設(shè)計電路時加入一控制門，當(dāng)緩沖存儲器中的信息尚未“取空”而快要“取空”時，就讓它停讀一次。同時插入一個脈沖（這是非信息碼），以提高碼速率，如圖6-22①、②所示。從圖中可以看出，輸入信碼是以fl的速率寫入緩存器，而讀出脈沖是以速率fm讀出，如圖中箭頭所示。由于讀、寫時間差（相位差）越來越小，到第6個脈沖到來時，fm與fl幾乎同時出現(xiàn)，這將出現(xiàn)沒有寫入都要求讀出信息的情況從而造成“取空”現(xiàn)象。為了防止“取空”，這時就停讀一次，同時插入一個脈沖，如圖中虛線所示。插入脈沖在何時插入是根據(jù)緩存器的儲存狀態(tài)來決定的，可通過插入脈沖控制電路來完成。儲存狀態(tài)的檢測可通過相位比較器來完成。4．?dāng)?shù)字復(fù)接中的碼速調(diào)整6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)30在接收端，分接器先將高次群信碼進(jìn)行分接，分接后的各支路信碼分別寫入各自的緩存器。為了去掉發(fā)送端插入的插入脈沖（稱標(biāo)志信號脈沖），首先要通過標(biāo)志信號檢出電路標(biāo)志信號，然后通過寫入脈沖電路扣除標(biāo)志信號。扣除了標(biāo)志信號后的支路信碼的順序與原來信碼的順序一樣，但在時間間隔上是不均勻的，中間有空隙如圖6-22③所示。但從長時間來看，其平均時間間隔，即平均碼速與原支路信碼fl相同，因此，在接收端要恢復(fù)原支路信碼，必須先從圖6-22③所示波形中提取fi時鐘。脈沖間隔均勻化的任務(wù)由鎖相環(huán)完成。鑒相器的輸入為已扣除插入脈沖的fm，另一個輸入端接VCO，經(jīng)鑒相、低通后獲得一個頻率等于時鐘平均頻率的讀出時鐘fl，從緩存器中讀出信碼，如圖6-22④所示。4．?dāng)?shù)字復(fù)接中的碼速調(diào)整圖6-22脈沖插入方式碼速調(diào)整示意圖6.3.3數(shù)字復(fù)接技術(shù)314．?dāng)?shù)字復(fù)接中的碼速調(diào)整小結(jié)3．時分復(fù)用（TDM）時分復(fù)用是在時間域上實(shí)現(xiàn)復(fù)用，與FDM技術(shù)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是避免了由于傳輸非線性而引起的互調(diào)干擾（串話），使各路