第8章時分復用和同步技術時分復用(TDM)同步技術實驗7數字同步技術實驗12目錄CONTENTS34習題時分復用(TDM)1時分復用（TDM）作為一種高效的信道復用方法，其工作原理是將一個信道在時域上劃分為多個等長的數據幀，每個數據幀再細分為若干個時隙（TS），如TS0、TS1、...、TSn。每個用戶被分配到一個特定的時隙中進行通信，從而實現了多個用戶共享同一信道的目的。時分復用示意圖如圖8-1所示。1時分復用(TDM)在國際上，國際電信聯盟（ITU）提出了兩種準同步數字體系（PDH）建議，分別為E體系和T體系。E體系主要在中國大陸、歐洲和國際互聯中采用，而T體系則主要被北美、日本及其他少數國家和地區(qū)使用。這兩種體系在標準上存在一定差異，但基本原理和實現方式類似。下面主要介紹E體系時分復用技術。在數字電話系統(tǒng)中時分復用技術得到了廣泛應用。由于模擬話音信號的頻率范圍規(guī)定在300～3400Hz，因此抽樣頻率選擇為8KHz，每個話音抽樣值量化編碼為8比特。這一設定構成了E體系時分復用技術的基礎。E體系的幀頻率為8000幀/秒，每個時隙包含8比特。其幀結構具有高度的規(guī)律性，每16幀組成一個復幀，基群按復幀結構循環(huán)使用。每幀被劃分為32個時隙，其中TS1-TS15和TS17-TS31被用作固定的話路時隙，每個時隙的8比特用于傳輸語音抽樣值的8位PCM（脈沖編碼調制）編碼。1時分復用(TDM)TS0被設計為幀同步時隙，用于實現幀同步。它分為偶數幀和奇數幀兩種類型。在偶數幀中，后7位發(fā)送幀同步碼“0011011”，第1位“×”可用于國際通信或國內通信的標識。在奇數幀中，第1位的功能與偶數幀相同，第2位被設定為“1”，以表示該幀為奇數幀。第3位A1作為告警標志，正常時為0，有告警時為1。第4～8位則保留作檢測、維護等用途。1時分復用(TDM)TS16被用作信令時隙，用于傳輸隨路信令。在復幀的F0幀中，前4個比特“0000”作為復幀同步碼組，后4個比特則留作備用。在F1至F15幀中，分別傳輸話路CH1至CH30的隨路信令，每個話路占用4比特。在E體系中，基群速率計算為幀頻8KHz乘以每幀32時隙再乘以每時隙8比特，即2.048Mb/s。這一速率足以支持30路PCM數字電話的傳輸，每路PCM電話的比特率為64Kb/s。基群也被稱為一次群，用E1表示。E體系結構如圖8-3所示。E體系還提供了更高層次的復用結構，如圖8-4所示。每四個一次群可以復接成一個二次群，速率為8.448Mb/s。類似地，每4個二次群可以復接為一個三次群，速率為34.368Mb/s；每四個三次群可以復接成一個四次群，速率為139.264Mb/s；每四個四次群則可以復接成一個五次群，速率為565.148Mb/s。1時分復用(TDM)需要注意的是，每次復接的速率并不是嚴格的四倍關系，而是稍大一些。這是因為復接前后的時鐘是獨立的，因此需要進行碼率調整，從而增加了額外的開銷。綜上所述，E體系的時分復用技術通過精確的幀結構和時隙劃分，實現了高效、可靠的數字電話傳輸。其靈活的復用結構也為更高層次的數字通信提供了堅實的基礎。同步技術22同步技術

本章主要概述數字通信系統(tǒng)的同步技術，包括載波同步、

碼元同步、

群同步和網同步等。8.2.1載波同步技術在數字通信系統(tǒng)中，載波同步是確保信息準確傳輸的關鍵環(huán)節(jié)。為了恢復與發(fā)送端同頻同相的載波信號，即相干載波，接收端需要采用特定的同步技術。本文將介紹兩種主要的載波同步方法：直接法（自同步法）和插入導頻法（外同步法）。直接法是在沒有導頻信號的情況下，直接從接收信號中提取相干載波的方法。這種方法適用于一些特定的信號類型，如等概2PSK信號。

我們可以對信號作非線性變換，

然后利用鎖相環(huán)電路提取相干載波，鎖相環(huán)路(ＰＬＬ)

是一種相位反饋控制電路，基本鎖相環(huán)路由鑒相器(ＰＤ)、

環(huán)路濾波器(ＬＦ)和壓控振蕩器(ＶＣＯ)三部分組成，利用鎖相環(huán)電路從接收信號提取導頻信號的框圖如圖8－5所示.2同步技術

2同步技術平方環(huán)法通過對接收信號進行平方處理，產生一個包含直流分量和二倍載波頻率信號分量的新信號。然后，利用鎖相環(huán)電路從這個新信號中提取二倍頻信號，并經過濾除擾動和噪聲后，獲得穩(wěn)定的本地振蕩輸出。最后，通過二分頻和移相處理，得到本地相干載波，如圖8-6。但需要注意的是，二分頻輸出可能存在相位模糊問題。以DSB信號為例，插入導頻法通過在已調信號中加入一個與載波同頻但正交的正弦波作為導頻信號，如圖8-7所示。接收端利用鎖相環(huán)或窄帶濾波器提取這個導頻信號，并經過適當的移相處理，即可得到相干載波。這種方法在衛(wèi)星及微波通信等載波頻率較高的系統(tǒng)中得到廣泛應用。2同步技術位同步，也稱為碼元同步，是數字通信系統(tǒng)中確保接收端能夠準確識別每個碼元起止位置或最佳判決位置的關鍵技術。為了正確判決數字基帶信號，我們需要實現位同步，恢復后的位同步信號，

其頻率與碼元速率相同，

但相位需根據接收波形和判決方法來決定，可能在碼元中間，也可能在碼元的結束時刻或其他位置，位同步波形如圖8-8所示，在示波器中，上圖為碼元波形，碼元速率32KBaud，下圖為碼元時鐘32KHz，每一個碼元的上升沿和下降沿和時鐘的嚴格對齊，一個碼元對應一個周期的時鐘信號。產生位同步時鐘主要有兩類方法：直接法和插入導頻法。2同步技術1.直接法（自同步法）直接法，也稱為自同步法，是從數字基帶信號中直接提取位同步時鐘信號的方法。根據是否采用反饋機制，直接法可以分為開環(huán)同步法和閉環(huán)同步法。（1）開環(huán)同步法對于含有位同步速率譜線分量的基帶信號，如單極性或雙極性歸零波形，可以通過濾波整形獲取位同步時鐘。然而，對于等概的不歸零碼元序列，由于其頻譜中不包含離散的碼元速率分量，因此需要對接收基帶信號進行非線性變換，以產生所需的位同步分量，其原理如圖8-9所示。2同步技術非線性變換的方法有多種，如延遲相乘法和微分整流法等?！ぱ舆t相乘法通過延遲信號并與原信號相乘，產生包含碼元速率分量的信號?！の⒎终鞣▌t通過檢測碼元脈沖的邊沿，輸出正負脈沖，再經過整流和窄帶濾波得到位同步脈沖，各個步驟的各點波形如圖8-10所示。2同步技術（2）閉環(huán)同步法開環(huán)同步法雖然實現簡單，但同步跟蹤誤差均值不能為零，即使增大信噪比也只能減少誤差，而不能完全消除。為了提高位同步性能，需要引入負反饋控制，即閉環(huán)同步法。閉環(huán)同步法利用鎖相環(huán)技術，動態(tài)調整本地壓控振蕩器的輸出頻率，以跟蹤基帶信號同步信號的變化。其中，超前滯后門同步器是一種常用的閉環(huán)同步器。它利用鎖相環(huán)來提取位同步信號，通過比較本地產生的位同步脈沖與接收碼元的相位關系，調整壓控振蕩器的輸出頻率，以實現位同步。當從基帶信號中提取位同步時鐘有困難時，可以采用插入導頻法。這種方法在發(fā)送碼元序列中附加位同步序列，即在發(fā)送信號中插入碼元速率或數倍碼元速率的同步信號。接收端使用窄帶濾波器將這些同步信號分離出來，形成位同步脈沖，這里不作詳細介紹。2同步技術2.位同步系統(tǒng)性能分析位同步系統(tǒng)是確保數字通信中數據準確傳輸的關鍵部分。與載波同步相似，位同步系統(tǒng)的性能評估主要依賴于一系列關鍵指標，這些指標在數字鎖相環(huán)（DPLL）等實際應用中尤為重要。

以下將探討這些性能指標及其對系統(tǒng)性能的影響。

（1）碼元同步時間誤差（δ）

（2）同步建立時間（ts）

（3）同步保持時間（tc）

（4）同步帶寬（Δfs）2同步技術群同步，也稱為幀同步，群同步的實現方式主要有兩種：插入式同步和群自同步。插入式同步通過在數據群的特定位置插入一組特定的數據（稱為群同步碼）來表示數據群的起止位置。這種方式使得接收端能夠準確地找到每個數據群的開始和結束，從而實現同步。其中，起止式同步是一種特殊的插入式同步，它在每個數據群的前后分別插入起始位和結束位，形成明確的群結構。這種方式在早期的電傳打字機和某些異步通信系統(tǒng)中得到了廣泛應用。集中插入法（ConcentrationInsertionMethod）是一種在數據傳輸中用于實現群同步的技術。在這種方法中，一段特殊的碼組被插入到一組信息群的開頭，這段特殊的碼組被稱為群同步碼（GroupSynchronizationCode），如圖8-11所示。為確保接收端能夠有效且準確地識別它，從而實現數據的正確同步，群同步碼的設計有如下幾個關鍵要求。集中插入法通過巧妙地設計群同步碼，確保了數據傳輸中的群同步可靠性。通過滿足自相關特性曲線的尖銳單峰要求、在信息碼中的稀有性要求以及非周期性出現要求，接收端能夠準確地在數據流中識別出群同步碼，從而實現數據的正確同步和后續(xù)處理。然而，隨著技術的發(fā)展，群自同步逐漸成為一種更受歡迎的選擇。群自同步不需要額外的同步碼，而是利用數據碼組本身的特性來實現同步。2同步技術網同步是為了確保全網各站點之間能夠互聯互通，并正確接收信息碼元的關鍵技術。固定通信網的同步主要有兩種方式：全網同步方式和獨立時鐘同步方式。在探討網同步的過程中，我們不得不提及兩大衛(wèi)星導航系統(tǒng)：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)（GPS）。它們不僅為我們提供了高精度的定位和導航服務，還在網同步中發(fā)揮著舉足輕重的作用。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其時間基準是通過地面站與衛(wèi)星之間的精確授時來實現的。這為全網同步提供了可靠的時間基準，使得各站點之間的時鐘信號能夠保持一致。同時，北斗系統(tǒng)還可以通過衛(wèi)星信號向全網各站點提供同步信號，確保數據傳輸的準確性和一致性。而全球定位系統(tǒng)（GPS）作為全球范圍內廣泛應用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其時間基準同樣是通過GPS衛(wèi)星上的原子鐘來實現的。GPS系統(tǒng)不僅為通信網絡提供了高精度的時間同步服務，還通過其衛(wèi)星信號幫助各站點實現時鐘信號的同步。這種同步方式在移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等領域得到了廣泛應用。綜上所述，網同步技術作為確保通信網絡正常運作的關鍵技術之一，與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)之間存在著密切的聯系。它們相互支持、相互促進，共同推動了通信網絡的發(fā)展。實驗7數字同步技術實驗33實驗7數字同步技術實驗七、實訓的答疑解惑1.為什么時分復用的線路編碼速率都是語音采樣頻率8KHz的整數倍。答：這是同步和系統(tǒng)設計的需求，下面分別進行詳細說明。(1)可以簡化時鐘設計

線路速率與采樣頻率成整數倍關系，能夠使用統(tǒng)一的時鐘源進行同步（如8KHz、1.544MHz、2.048MHz等），這大大簡化了系統(tǒng)設計，避免了復雜的頻率倍頻或分頻電路。(2)保證采樣點對齊

為了避免信號失真，每次采樣的時間間隔（125μs）必須在傳輸過程中被嚴格保持。線路編碼速率為采樣頻率的整數倍，確保多路信號的時間片與采樣點精確對齊。2.實訓箱模塊的主時鐘和網絡時鐘、GPS或北斗時鐘的關系是怎樣的。答：在通信系統(tǒng)實訓箱中，主時鐘、網絡時鐘、GPS/北斗時鐘之間存在層次化的關系，用于不同場景的時鐘同步需求。以下是它們之間的關系與作用的詳細分析：1.各時鐘的定義和作用(1)主時鐘

定義：主時鐘是實訓箱模塊中的本地時鐘源，通常由內部振蕩器（如晶振）提供，作為設備內

部所有模塊工作的基本時鐘信號。

作用：

為實訓箱內的各通信模塊（如信號處理單元、編碼單元、解碼單元）提供統(tǒng)一的時鐘。

保證模塊內部的操作同步，比如調制解調、數據處理等。

特點：

精度和穩(wěn)定性受限于本地振蕩器的質量。不依賴外部信號，可獨立運行。

(2)網絡時鐘

定義：

網絡時鐘是通信網絡中用于保持多節(jié)點時鐘同步的時鐘信號，通常通過網絡協議（如IEEE1588PTP、SyncE）實現。

作用：

保證通信網絡中各設備的時鐘一致性。

用于時分復用（TDM）和同步數字體系（SDH）等需要精確時鐘同步的場景。

特點：

來源于網絡中的主時鐘設備（如同步以太網時鐘或遠程服務器時鐘）。相比本地時鐘，網絡時鐘的精度和可靠性更高。(3)GPS/北斗時鐘

定義：GPS/北斗時鐘是通過衛(wèi)星信號提供的高精度時間同步源，能夠提供全局統(tǒng)一的參考時鐘。

作用：

提供精確的時間基準（通常為原子鐘級別）。

用于大規(guī)模網絡或跨區(qū)域通信系統(tǒng)的時間同步。

在某些通信系統(tǒng)（如5G基站或SDH網絡）中，作為一級主參考時鐘（PRC）。

特點：

極高的時鐘精度和穩(wěn)定性。

依賴于外部衛(wèi)星信號，可能受信號丟失或延遲影響。小結

2.主時鐘與網絡時鐘、GPS/北斗時鐘的關系(1)分級同步架構，在通信系統(tǒng)中，時鐘通常按照以下層次架構進行同步：

最高層次：GPS/北斗時鐘GPS或北斗時鐘為通信網，絡的頂層時鐘源，提供一級參考時間（PRTC）。

為核心網和骨干網的時鐘同步提供基準信號。

中間層次：網絡時鐘

網絡時鐘可以通過協議（如IEEE1588、SyncE）從GPS/北斗時鐘獲得高精度的同步信號。

用于分布到網絡中的各個設備，保證網絡設備的同步。

最底層：本地主時鐘

主時鐘是設備內部模塊的基礎時鐘源。

通常從網絡時鐘獲得同步信號進行校準和調整，或在無外部時鐘信號時獨立運行。小結(2)參考時鐘的作用機制無外部時鐘時：

實訓箱模塊運行在本地主時鐘模式，所有模塊的同步依賴于本地振蕩器。

適用于獨立實驗環(huán)境，但長期運行可能因振蕩器漂移而失準。

有網絡時鐘時：

主時鐘通過網絡時鐘進行同步調整，減少漂移誤差。

網絡時鐘通常通過線纜從上層設備（如交換機或同步時鐘服務器）分發(fā)。有GPS/北斗時鐘時：GPS/北斗時鐘為最高精度的參考信號，網絡時鐘和主時鐘可以直接或間接從GPS/北斗同步。

實訓箱的主時鐘可配置為從GPS/北斗時鐘獲得基準信號，提供實驗所需的高精度同步。小結3.主時鐘、網絡時鐘和GPS/北斗時鐘的典型應用場景(1)實訓實驗場景如果進行單設備實驗，實訓箱只需依賴本地主時鐘即可，操作簡單。如果實驗涉及多個設備協同，啟用網絡時鐘，確保多臺設備的時鐘一致。如果需要高精度時間同步（如時間戳對比、誤碼率測試），引入GPS/北斗時鐘作為全局同步信號。(2)通信網絡場景在電信網絡中（如SDH、5G基站），GPS/北斗時鐘作為一級主參考源，網絡時鐘用于分發(fā)，本地主時鐘與網絡時鐘保持同步。在數據中心網絡中，網絡時鐘通過IEEE1588PTP或SyncE實現節(jié)點間同步，本地主時鐘依賴網絡時鐘校準。4.總結主時鐘：

實訓箱模塊的基礎時鐘，內部獨立提供基本信號，但精度有限。網絡時鐘：

用于設備間的時鐘同步，精度依賴于上層網絡提供的同步信號。GPS/北斗時鐘：

提供最高精度的時間基準，確保大規(guī)模網絡的全局統(tǒng)一時鐘。三者關系：GPS/北斗時鐘為最高級參考，

網絡時鐘從GPS/北斗同步，并分發(fā)給網絡設備，

主時鐘從網絡時鐘或GPS/北斗調整，提供本地時鐘服務，保證設備內部和實驗同步需求。小結4習題一、選擇題1．時分復用技術中，時間被分割成多個時間片段，每個時間片段稱為：A.時隙B.碼元C.比特D.符號2．PCM（脈沖編碼調制）技術中，模擬信號首先被轉換為：A.數字信號B.頻率信號C.相位信號D.幅度信號3．TDM（時分復用）系統(tǒng)中，為了區(qū)分不同的幀，需要添加：A.幀同步信號B.時隙同步信號C.起始信號D.結束信號4．在PCM30/32系統(tǒng)中，通常用于傳輸同步信號的時隙是：A.第1時隙B.第30時隙C.第31時隙D.第32時隙5．時分復用系統(tǒng)中，提高頻譜利用率的一種方法是：A.增加幀長B.減小幀長C.增加時隙數D.優(yōu)化時隙分配6．TDM系統(tǒng)中，若幀長為1ms，每個時隙占1/128，則時隙寬度為：A.8μsB.128μsC.1msD.1/128s7．在時分復用系統(tǒng)中，為了減小碼間串擾，需要：A.提高采樣率B.增加量化級數C.減小時隙寬度D.優(yōu)化編碼方式4習題8．TDM系統(tǒng)中，若幀同步丟失，可能導致：A.用戶數據丟失B.傳輸速率下降C.信號失真D.系統(tǒng)崩潰9．在時分復用系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的靈活性，通常采用：A.固定時隙分配B.動態(tài)時隙分配C.隨機時隙分配D.循環(huán)時隙分配10．TDM系統(tǒng)中，若一個幀的時隙全部被占用，系統(tǒng)：A.無法再增加新用戶

B.可以增加新用戶但會降低傳輸速率C.可以增加新用戶且不影響傳輸速率D.會自動擴展幀長以容納新用戶11．在時分復用系統(tǒng)中，為了區(qū)分不同的用戶，通常采用：A.不同的頻率B.不同的相位C.不同的時隙D.不同的碼型12．TDM系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以采?。篈.增加幀長B.減小幀長C.采用糾錯編碼D.增加時隙數13．在PCM30/32系統(tǒng)中，除了用戶時隙外，其余時隙主要用于：A.傳輸同步信號B.傳輸控制信號C.備用時隙D.傳輸其他用戶數據4習題14．在分布式系統(tǒng)中，確保各個節(jié)點之間的時間一致性的過程稱為：A.數據同步B.時鐘同步C.狀態(tài)同步D.操作同步15．NTP（網絡時間協議）主要用于：A.同步局域網內的計算機時鐘B.同步全球范圍內的計算機時鐘C.同步特定應用程序的時間D.同步數據庫的時間戳16．在時鐘同步過程中，為了減少網絡延遲的影響，通常采用：A.單向時間傳輸B.雙向時間傳輸C.廣播時間傳輸D.組播時間傳輸17．下列哪個協議不常用于時鐘同步？A.NTPB.PTPC.FTPD.SNMP（簡單網絡管理協議，雖然不直接用于同步，但選項中包含非同步協議以作為對比）18．時鐘同步的精度通常受到哪些因素的影響？A.網絡延遲B.時鐘漂移C.系統(tǒng)負載D.以上都是4習題19．在分布式系統(tǒng)中，主時鐘（MasterClock）的作用是：A.提供全局時間參考B.監(jiān)控所有從時鐘的狀態(tài)C.調整從時鐘的速率以匹配主時鐘D.以上都是20．

在時鐘同步過程中，為了應對時鐘漂移，需要：A.頻繁進行時間校正B.使用高精度硬件時鐘C.采用自適應算法調整時鐘速率D.以上都是可能的解決方案21．載波同步是指接收端產生一個與發(fā)送端載波完全一致的本地載波信號的過程，主要用于：A.解調接收到的信號B.同步數據庫操作C.路由選擇D.數據加密22．在載波同步技術中，為了克服相位抖動，通常采用的方法是：A.增大載波頻率B.使用鎖相環(huán)（PLL）C.提高采樣率D.減小信號帶寬4習題23．碼元同步的目的是使接收端的采樣時刻與發(fā)送端的碼元邊界保持一致，以確保正確接收和解碼數據。這通常通過：A.幀同步信號實現B.特定的碼元同步算法C.增加冗余數據D.提高傳輸速率24．在數字通信系統(tǒng)中，如果碼元速率較高，為了實現碼元同步，可能會采用的技術是：A.增大載波頻率B.插入同步碼元C.使用差分編碼D.降低信號帶寬25．幀同步是指接收端能夠正確識別并定位數據幀的起始和結束位置，以確保數據的完整性和正確性。這通常依賴于：A.載波同步信號B.幀同步碼字或序列C.信道編碼D.數據包的校驗和4習題26．在時分復用系統(tǒng)中，為了區(qū)分不同的幀，需要在每幀的開頭添加幀同步碼字，該碼字通常具有：A.固定的長度和