《通信系统原理教程》课件第8章

第8章多路复用与数字复接8.1时分多路复用（TDM）原理8.2准同步数字体系（PDH）8.1时分多路复用（TDM）

8.1.1TDM基本原理在模拟信号的数字传输中，抽样定律告诉我们，一个频带限制在0到fx以内的低通模拟信号x(t)，可以用时间上离散的抽样值来传输，抽样值中包含有x(t)的全部信息，当抽样频率fs≥2fx时，可以从已抽样的输出信号中用一个带宽为fx≤B≤fs-fx的理想低通滤波器不失真地恢复出原始信号。由于单路抽样信号在时间上离散的相邻脉冲间有很大的空隙，在空隙中插入若干路其他抽样信号，只要各路抽样信号在时间上不重叠并能区分开，那么一个信道就有可能同时传输多路信号，达到多路复用的目的。这种多路复用称为时分多路复用（TDM）。下面以PAM为例说明TDM原理。假设有N路PAM信号进行时分多路复用，系统框图如图5-11所示。各路信号首先通过相应的低通滤波器(LPF)使之变为带限信号，然后送到抽样电子开关，电子开关以每Ts秒将各路信号依次抽样一次，这样N个样值按先后顺序错开插入抽样间隔Ts之内，最后得到复用信号是N个抽样信号之和，如图5-11(e)所示。各路信号脉冲间隔为Ts，各路复用信号脉冲的间隔为Ts/N。由各个消息构成单一抽样的一组脉冲叫做一帧，一帧中相邻两个脉冲之间的时间间隔叫做时隙，未被抽样脉冲占用的时隙叫做保护时间。

图8-1TDM系统框图及波形(a)TDM系统框图；(b)第1路抽样信号；(c)第2路抽样信号；(d)第N路抽样信号；(e)N路抽样信号之和8.1.2TDM信号的带宽及相关问题

1.抽样速率fs、抽样脉冲宽度τ和复用路数N的关系按照抽样定理，抽样速率fs≥2fx，以话音信号x(t)为例，通常取fs

为8kHz，即抽样周期Ts=125μs，抽样脉冲的宽度τ要比125μs还小。对于N路时分复用信号，在抽样周期Ts内要顺序地插入N路抽样脉冲，而且各个脉冲间要留出一些空隙作保护时间，若取保护时间tg和抽样脉冲宽度τ相等，这样抽样脉冲的宽度τ=Ts/2N，N越大，τ就越小，但τ不能太小。因此，时分复用的路数也不能太大。

2.信号带宽B与路数N的关系时分复用信号的带宽有不同的含义。一种是信号本身具有的带宽，从理论上讲，TDM信号是一个窄脉冲序列，它应具有无穷大的带宽，但其频谱的主要能量集中在0～1/τ以内。因此，

从传输主要能量的观点考虑

(8-1)从另一方面考虑，如果我们不是传输复用信号的主要能量，也不要求脉冲序列的波形不失真，只要求传输抽样脉冲序列的包络，因为抽样脉冲的信息携带在幅度上，所以，只要幅度信息没有损失，那么脉冲形状的失真就无关紧要。

根据抽样定律，一个频带限制在fm的信号，只要有2fm个独立的信息抽样值，就可用带宽B=fm的低通滤波器恢复原始信号。N个频带都是fm的复用信号，它们的独立对应值为2Nfm=Nfs。如果将信道表示为一个理想的低通滤波器，为了防止组合波形丢失信息，传输带宽必须满足式(8-2)表明，N路信号时分复用时每秒Nfm中的信息可以在Nfs/2的带宽内传输。总的来说，带宽B与Nfs成正比。对于话音信号，抽样速率fs一般取8kHz，因此，路数N越大，带宽B就越大。(8-2)

3.时分复用信号仍然是基带信号时分复用后得到的总和信号仍然是基带信号，只不过这个总和信号的脉冲速率是单路抽样信号的N倍，即

(8-3)这个信号可以通过基带传输系统直接传输，也可以经过频带调制后在频带传输信道中进行传输。

4.时分复用系统必须严格同步在TDM系统中，发送端的转换开关与接收端的分路开关必须严格同步，否则系统就会出现紊乱。

8.1.3TDM与FDM的比较

1.关于复用原理

FDM是用频率来区分同一信道上同时传输的信号，各信号在频域上是分开的，而在时域上是混叠在一起的。

TDM是在时间上区分同一信道上依次传输的信号，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠在一起的。

FDM与TDM各路信号在频谱和时间上的特性比较如图8-7所示。

图8-2FDM与TDM各路信号在频谱和时间上的特性比较(a)FDM；(b)TDM

2.关于设备复杂性

就复用部分而言，FDM设备相对简单，TDM设备较为复杂；就分路部分而言，TDM信号的复用和分路都是采用数字电路来实现的，通用性和一致性较好，比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠，而且TDM中的所有滤波器都是相同的滤波器。FDM中要用到不同的载波和不同的带通滤波器，因而滤波设备相对复杂。总的比较，

TDM的设备要简单些。

3.关于信号间干扰

在FDM系统中，信道的非线性会在系统中产生交调失真和高次谐波，引起话间串扰，因此，FDM对线性的要求比单路通信时要严格得多；在TDM系统中，多路信号在时间上是分开的，因此,对线性的要求与单路通信时的一样，对信道的非线性失真要求可降低，系统中各路间串话比FDM的要小。

4.关于传输带宽从前面关于FDM及TDM对信道传输带宽的分析可知，两种系统的带宽是一样的，N路复用时对信道带宽的要求都是单路的N倍。

码分复用(CDM)不同于FDM和TDM，CDM中各路信息是用各自不同的编码序列来区分的，它们均占有相同的频段和时间。8.1.4时分复用的PCM通信系统

PCM和PAM的区别在于PCM要在PAM的基础上经过量化和编码，把PAM中的一个抽样值量化后编为k位二进制代码。图8-3表示一个3路TDM—PCM方框图。图8-3TDM—PCM方框图(a)发送端方框图；(b)接收端方框图8.1.5PCM30/32路典型终端设备介绍

1.基本特性

话路数目：30。抽样频率：8kHz。压扩特性：A=87.6/13折线压扩律，编码位数k=8，采用逐次比较型编码器，其输出为折叠二进制码。每帧时隙数：32。总数码率：

8×32×8000=2048kb/s。

2.帧与复帧结构帧与复帧结构见图8-4。

(1)时隙分配。在PCM30/32路的制式中，抽样周期为1/8000=125μs，它被称为一个帧周期，即125μs为一帧。一帧内要时分复用32路，每路占用的时隙为125/32=3.9μs，称为1个时隙。因此一帧有32个时隙，按顺序编号为TS0、TS1、…、TS31。时隙的使用分配为①

TS1~TS15、TS17~TS31为30个话路时隙。

②TS0为帧同步码，监视码时隙。③

TS16为信令(振铃、

占线、摘机……等各种标志信号)时隙。

(2)话路比特的安排。每个话路时隙内要将样值编为8位二元码，每个码元占3.9μs/8=488ns，称为1比特，编号为1～8。第1比特为极性码，第2～4比特为段落码，第5～8比特为段内码。

(3)TS0时隙比特分配。为了使收发两端严格同步，每帧都要传送一组特定标志的帧同步码组或监视码组。帧同步码组为“0011011”，占用偶帧TS0的第2～8码位。第1比特供国际通信用，不使用时发送“1”码。奇帧比特分配为第3位为帧失步告警用，以A1表示。同步时送“0”码，失步时送“1”码。为避免奇帧TS0的第2～8码位出现假同步码组，第2位码规定为监视码，固定为“1”，第4~8位码为国内通信用，目前暂定为“1”。

(4)TS16时隙的比特分配。若将TS16时隙的码位按时间顺序分配给各话路传送信令，需要用16帧组成一个复帧，分别用F0、F1、…、F15表示，复帧周期为2ms，复帧频率为500Hz。复帧中各子帧的TS16分配为：①F0帧：1～4码位传送复帧同步信号“0000”；第6码位传送复帧失步对局告警信号A2，同步为“0”，失步为“1”。5、7、8码位传送“1”码。②

F1～F15各帧的TS16前4比特传1~15话路信令信号，后4比特传16～30话路的信令信号。图8-4帧与复帧结构

3.PCM30/32路设备方框图图8-5给出了PCM30/32路设备方框图。它是按群路编译码方式画出的。基本工作过程是将30路抽样序列合成后再由一个编码器进行编码。由于大规模集成电路的发展，编码和译码可做在一个芯片上，称单路编译码器。目前厂家生产的PCM30/32路系统几乎都是单路编译码器构成的，这时每话路的相应样值各自编成8位码以后再合成总的话音码流，然后再与帧同步码和信令码汇总，经码型变换后再发送出去。单路编译码片构成的PCM30/32路方框图见图8-6。

图

8-5PCM30/32路设备方框图

图

8-6单路编译码片构成的PCM30/32路方框图

8.2准同步数字体系(PDH)

8.2.1数字复接的概念和方法图8-7是数字复接系统的方框图。从图中可见，数字复接设备包括数字复接器和数字分接器，数字复接器是把两个以上的低速数字信号合并成一个高速数字信号的设备；数字分接器是把高速数字信号分解成相应的低速数字信号的设备。一般把两者做成一个设备，简称数字复接器。

图8-7数字复接系统方框图

数字复接器由定时单元、调整单元和同步复接单元组成；分接器由同步、定时、分接和支路码速恢复单元组成。在数字复接器中，复接单元输入端上各支路信号必须是同步的，即数字信号的频率与相位完全是确定的关系。只要使各支路数字脉冲变窄，将相位调整到合适位置，并按照一定的帧结构排列起来，即可实现数字合路复接功能。如果复接器输入端的各支路信号与本机定时信号是同步的，称为同步复接器。如果不是同步的，则称为异步复接器。如果输入支路数字信号与本机定时信号标称速率相同，但实际上有一个很小的容差，这种复接器称为准同步复接器。

8.2.2同步复接与异步复接

1.数字复接的实现数字复接实现的方法有两种：按位复接和按字复接。

1)按位复接图8-8(b)是四路集群信号按位复接的示意图。图8-8数字复接示意图(a)一次群（基群）；(b)二次群（按位复接）；(c)二次群（按字复接）

（1）按位复接的方法：每次复接各低次群的一位编码形成高次群。（2）按位复接的结果：复接后每位码的间隔是复接前各支路的4分之1，即高次群的速率提高到复接前的4倍。（3）按位复接的特点：复接电路存储量小，简单易行，PDH中大量使用。（4）按位复接的不足：破坏了一个字节的完整性，不利于以字节(即码字)为单位的处理和交换。

2)按字复接图8-8(c)是四路信号按字复接的示意图。（1）按字复接的方法：每次复接按低次群的一个码字形成高次群。（2）按字复接的特点：每个支路都要设置缓冲存储器，要求有较大的存储容量，保证一个字的完整性，有利于按字处理和交换，同步SDH中大多采用这种方法。

2.数字复接的同步数字复接同步解决以下两个问题：（1）同步：被复接的几个低次群数码率相同。（2）复接：不同系统的低次群往往数码率不同，原因是各晶体振荡频率不相同。不同步带来的问题是：如果直接将这样几个低次群进行复接，就会产生重叠和错位，在接收端不可能完全恢复。图8-9是两路信号不同步产生重叠和错位的示意图。可以得出结论：数码速率不同的低次群信号不能直接复接，同步就意味着使各低次群数码率相同，且符合高次群帧结构的要求。数字复接同步是系统与系统的同步，亦称为系统同步。图8-9两路信号不同步产生重叠和错位示意图

3.同步复接

1)码速变换与恢复（1）码速变换。码速变换是为使复接器、分接器正常工作，在码流中插入附加码，使系统不仅码速相等，而且能够在接收端分接。（2）附加码。附加码有对端告警码、邻站监测、勤务联系等公务码。（3）移相。移相的作用是在复接之前进行延时处理。（4）缓冲存储器。缓冲存储器用于完成码速变换和移相。码速恢复是码速变换的反过程。例如，将一次群复接成二次群，如图8-10所示。★二次群速率：8448kb/s；★基群变换速率：8448/4＝2112kb/s；★码速变换：为插入附加码留下空位且将码速由2048kb/s提高到2112kb/s；★插入码之后的子帧长度：Ls=(2112×103)×T＝(2112×103)×(125×10－6)=264比特；★插入比特数：Ls－256(原来码)＝264－256＝8比特；★插入8比特的平均间隔(按位复接)：256/8=32比特；★码速恢复：去掉发送端插入的码元，将各支路速率由2112kb/s还原成2048kb/s。图8-10码速变换与恢复(a)复接端；(b)分接端分接过程（慢写快读）：★写入：基群2048kb/s；★读出：2112kb/s；★起始：读pulse滞后写pulse将近一个周期；★第32次读：读写几乎同时；★第33次读：没有写入脉冲，这时空一个比特。周而复始，每32位加插一个空位，构成2112kb/s速率。分接过程（快写慢读）：★写入：2112kb/s；★读出：2048kb/s；★起点：读写几乎同时；★第33位读：读到写入信号32位。分接器已知信号33位是插入码位，写入时扣除了该处一个写入脉冲，从而在写入第33位后的第一位后，此脉冲应该是下一周期的第一个读出脉冲。如此循环下去，2112kb/s恢复成了2048kb/s。同步复接系统结构的发送部分示意图如图8-11所示。图8-11同步复接系统结构发送部分示意图同步复接系统结构的接收部分示意图如图8-12所示。图8-12同步复接系统结构接收部分示意图同步复接系统复接端的作用：①时钟一致，支路时钟、复接时钟来自同一时钟源；②各支路码率严格相等(2048kb/s)；③缓冲存储器完成各支路的码速变换；④复接合成完成各支路合路并在所留空位插入附加码(包括帧同步码)。同步复接系统分接端的作用：①时钟从码流中提取，产生复接定时；②帧同步完成收发间步调一致；③分群分接分开四个支路信号，并检出公务码；④缓冲存储器扣除各自支路附加码，恢复原信号。

2)同步二次群的帧结构同步二次群的帧结构示意图如图8-13所示。★同步二次群的一帧共有八段：N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8；★二次群的一帧长：125μs，可分为八段；★每段长：125÷8＝15.625μs；★每段内信码(四个基群)：(256/8)×4=128码元；★每段插入4个码元，每段信码共：128+4=132码元；★一帧码元共有：132×8=1056码元；★一帧共插码元：4×8=32码元；★N1：插1101，N5：插0010—二次群帧同步码为11010010；★N2、N4、N6、N8

：α1、α2、α3、α4速率为4（bit）/125（μs）=32kb/s，供四路勤务电话使用；★N7：勤务电话呼叫码；★N3：A01—二次群对端告警码(正常“0”，失步“1”)；A02—数据用；A03—待定；A04—待定；★a、b、c、d：分别为四个基群的码元，一帧共有4×32×8=1024原基群码元(不包含附加码)。图8-13同步二次群的帧结构示意图

4.异步复接各低次群各自使用自己的时钟，由于各时钟不一致，因此各低次群的数码率不完全相同(不同步)，需要码速调整，使它们同步后再进行复接。PDH大多采用这种复接方法。图8-14是异步复接与分接示意图。图8-14异步复接与分接示意图数字复接器的作用是：把四个低次群(支路)合成一个高次群。数字复接器的组成:①定时系统——提供统一的时钟给设备；②码速调整——使各支路码速一致，即同步(分别调整)；③复接单元——将低次群合成高次群。数字分接器的作用是：把高次群分解成原来的低次群。数字分接器的组成：①定时单元——从接收信号中提取；②同步单元——使分接器时钟与复接器基准时钟同频、同相，达到同步；③分接单元——将合路的高次群分离成同步支路信号；④恢复系统——恢复各支路信号为原来的低次群。例如，采用正码速调整与恢复，将2048kb/s调为2112kb/s的原理图如图8-15所示。图8-15正码速调整与恢复(a)复接端；(b)分接端①码速调整装置：各支路单独调整，将准同步码流变成同步码流。②准同步码流：标称数码率相同，瞬时数码率不同的码流。③缓冲存储器：码速调整的主体。④fl——写入脉冲的频率等于输入支路的数码率。⑤fm——读出脉冲的频率等于缓冲存储器支路信码输出速率。因为是正码速，所以fm>fl。⑥复接过程：fl送相位比较(与fm比较，fm起始滞后一个周期)→fm复接脉冲送扣除电路(扣除与否由插入请求决定，请求时扣除；否则不扣除)，已扣除的fm送相位比较(与fl比较)，且作读出脉冲→缓冲器输出的fm码流有空闲(扣除造成)，防止空读→插入请求使标志信号合成插入→合成电路将fm和标志信号合在一起。⑦相位比较：当fl和fm相位几乎相同时，有输出。⑧码速恢复装量：将分接后的每一个同步码流恢复成原来的支路码流。⑨恢复过程：“标志信号检出”，有信号时输出→“写入脉冲fm扣除”扣除1比特→扣除的写入脉冲将缓存输入的支路信号“插入”比特去除→压控振荡器将扣除比特的fm平滑，并均匀其脉冲频率，使之为fl→此fl作为读出脉冲取出缓冲存储器中的信号，使得支路信码为fl。

5.码速调整异步复接中的码速调整技术可分为正码速调整、正/负码速调整和正/零/负码速调整三种。其中正码速调整应用最为普遍。正码速调整的含义是使调整以后的速率比任一支路可能出现的最高速率还要高。例如，二次群码速调整后每一支路速率均为2112kb/s，而一次群调整前的速率在2048kb/s上下波动，但总不会超过2112kb/s。根据支路码速的具体变化情况，适当地在各支路插入一些调整码元，使其瞬时码速都达到2112kb/s(这个速率还包括帧同步、业务联络、控制等码元)，这是正码速调整的任务。码速恢复过程则把因调整速率而插入的调整码元及帧同步码元等去掉，恢复出原来的支路码流。正码速调整的具体实施，总是按规定的帧结构进行的。例如，PCM二次群异步复接时就是按图8-16所示的帧结构实现的。图8-16异步复接二次群帧结构(a)基群支路插入码及信息码分配；(b)二次群帧结构一次群插入码和信息码分配如图8-16(a)所示。★1~3位:F11F12F13分别表示同步、告警、备用码；★4~53位：信息比特50位；★55~106位：信息比特52位；★108~159位：信息比特52位；★162~212位：信息比特51位；★54位、107位、160位：C11、C12、C13分别为标志位；★161位：插入或信息码。以上共212位=信息位205(6)+插入比特7(6)。异步复接二次群帧结构如图8-16(b)所示。★帧周期：100.38；★帧长：212×4=848比特（包括(最少)信息码：205×4=820比特；(最多)插入码：7×4=28比特）；★开始1~10位：F11F21F31F41F12F22F32F42F13F23

=1111010000——帧同步码；★11位：F33——告警码（1比特）；★12位：F43——备用码（1比特）；★213~216位、425~428位、637~640位——插入标志码；★641~644位：信息码或插入码；★131~212位、217~424位、429~636位、645~848位：信息码,(最少)205×4=848比特。接收端分接过程就是去除发端插入的码元，叫做“消插”或“去塞”。判断基群161位有无插入的方法为“三中取二”：当各路三标志有两个以上“1”，则有Vi插入；当各路三标志有两个以上“0”，则无Vi插入。正确判断概率为：误码率为Pe，正确率为1－Pe；一个错两个对的概率(有三种情况)为3Pe(1－Pe)2；三个全对的概率为(1－Pe)3。总正确判断概率为：3Pe(1－Pe)2+(1－Pe)3=1－3Pe2+2Pe3。

通过图8-17中的比相器，可以做到缓存器快要读空时发出一指令，命令2112kHz时钟停读一次，使缓冲存储器中的存储量增加，而这一次停读就相当于使图8-16(a)的V1比特位置没有置入信码，而只是一位作为码速调整的比特。图8-16(a)帧结构的意义就是每212比特比相一次，即作一次是否需要调整的判决。判决结果需要停读，V1就是调整比特；不需要停读，V1就仍然是信码。这样一来，就把在2048kb/s上下波动的支路码流都变成同步的2112kb/s码流。图8-17正码速调整原理在复接器中，每个支路都要经过正码速的调整。由于各支路的读出时钟都是由复接器提供的同一时钟2112kHz，所以经过这样调整，就使4个支路的瞬时数码率都相同，即均为2112kb/s，故一个复接帧长为8448比特