通信技术原理7

第8章时分复用和同步技术时分复用(TDM)同步技术实验7数字同步技术实验12目录CONTENTS34习题时分复用(TDM)1时分复用（TDM）作为一种高效的信道复用方法，其工作原理是将一个信道在时域上划分为多个等长的数据帧，每个数据帧再细分为若干个时隙（TS），如TS0、TS1、...、TSn。每个用户被分配到一个特定的时隙中进行通信，从而实现了多个用户共享同一信道的目的。时分复用示意图如图8-1所示。1时分复用(TDM)在国际上，国际电信联盟（ITU）提出了两种准同步数字体系（PDH）建议，分别为E体系和T体系。E体系主要在中国大陆、欧洲和国际互联中采用，而T体系则主要被北美、日本及其他少数国家和地区使用。这两种体系在标准上存在一定差异，但基本原理和实现方式类似。下面主要介绍E体系时分复用技术。在数字电话系统中时分复用技术得到了广泛应用。由于模拟话音信号的频率范围规定在300～3400Hz，因此抽样频率选择为8KHz，每个话音抽样值量化编码为8比特。这一设定构成了E体系时分复用技术的基础。E体系的帧频率为8000帧/秒，每个时隙包含8比特。其帧结构具有高度的规律性，每16帧组成一个复帧，基群按复帧结构循环使用。每帧被划分为32个时隙，其中TS1-TS15和TS17-TS31被用作固定的话路时隙，每个时隙的8比特用于传输语音抽样值的8位PCM（脉冲编码调制）编码。1时分复用(TDM)TS0被设计为帧同步时隙，用于实现帧同步。它分为偶数帧和奇数帧两种类型。在偶数帧中，后7位发送帧同步码“0011011”，第1位“×”可用于国际通信或国内通信的标识。在奇数帧中，第1位的功能与偶数帧相同，第2位被设定为“1”，以表示该帧为奇数帧。第3位A1作为告警标志，正常时为0，有告警时为1。第4～8位则保留作检测、维护等用途。1时分复用(TDM)TS16被用作信令时隙，用于传输随路信令。在复帧的F0帧中，前4个比特“0000”作为复帧同步码组，后4个比特则留作备用。在F1至F15帧中，分别传输话路CH1至CH30的随路信令，每个话路占用4比特。在E体系中，基群速率计算为帧频8KHz乘以每帧32时隙再乘以每时隙8比特，即2.048Mb/s。这一速率足以支持30路PCM数字电话的传输，每路PCM电话的比特率为64Kb/s。基群也被称为一次群，用E1表示。E体系结构如图8-3所示。E体系还提供了更高层次的复用结构，如图8-4所示。每四个一次群可以复接成一个二次群，速率为8.448Mb/s。类似地，每4个二次群可以复接为一个三次群，速率为34.368Mb/s；每四个三次群可以复接成一个四次群，速率为139.264Mb/s；每四个四次群则可以复接成一个五次群，速率为565.148Mb/s。1时分复用(TDM)需要注意的是，每次复接的速率并不是严格的四倍关系，而是稍大一些。这是因为复接前后的时钟是独立的，因此需要进行码率调整，从而增加了额外的开销。综上所述，E体系的时分复用技术通过精确的帧结构和时隙划分，实现了高效、可靠的数字电话传输。其灵活的复用结构也为更高层次的数字通信提供了坚实的基础。同步技术22同步技术

本章主要概述数字通信系统的同步技术，包括载波同步、

码元同步、

群同步和网同步等。8.2.1载波同步技术在数字通信系统中，载波同步是确保信息准确传输的关键环节。为了恢复与发送端同频同相的载波信号，即相干载波，接收端需要采用特定的同步技术。本文将介绍两种主要的载波同步方法：直接法（自同步法）和插入导频法（外同步法）。直接法是在没有导频信号的情况下，直接从接收信号中提取相干载波的方法。这种方法适用于一些特定的信号类型，如等概2PSK信号。

我们可以对信号作非线性变换，

然后利用锁相环电路提取相干载波，锁相环路(ＰＬＬ)

是一种相位反馈控制电路，基本锁相环路由鉴相器(ＰＤ)、

环路滤波器(ＬＦ)和压控振荡器(ＶＣＯ)三部分组成，利用锁相环电路从接收信号提取导频信号的框图如图8－5所示.2同步技术

2同步技术平方环法通过对接收信号进行平方处理，产生一个包含直流分量和二倍载波频率信号分量的新信号。然后，利用锁相环电路从这个新信号中提取二倍频信号，并经过滤除扰动和噪声后，获得稳定的本地振荡输出。最后，通过二分频和移相处理，得到本地相干载波，如图8-6。但需要注意的是，二分频输出可能存在相位模糊问题。以DSB信号为例，插入导频法通过在已调信号中加入一个与载波同频但正交的正弦波作为导频信号，如图8-7所示。接收端利用锁相环或窄带滤波器提取这个导频信号，并经过适当的移相处理，即可得到相干载波。这种方法在卫星及微波通信等载波频率较高的系统中得到广泛应用。2同步技术位同步，也称为码元同步，是数字通信系统中确保接收端能够准确识别每个码元起止位置或最佳判决位置的关键技术。为了正确判决数字基带信号，我们需要实现位同步，恢复后的位同步信号，

其频率与码元速率相同，

但相位需根据接收波形和判决方法来决定，可能在码元中间，也可能在码元的结束时刻或其他位置，位同步波形如图8-8所示，在示波器中，上图为码元波形，码元速率32KBaud，下图为码元时钟32KHz，每一个码元的上升沿和下降沿和时钟的严格对齐，一个码元对应一个周期的时钟信号。产生位同步时钟主要有两类方法：直接法和插入导频法。2同步技术1.直接法（自同步法）直接法，也称为自同步法，是从数字基带信号中直接提取位同步时钟信号的方法。根据是否采用反馈机制，直接法可以分为开环同步法和闭环同步法。（1）开环同步法对于含有位同步速率谱线分量的基带信号，如单极性或双极性归零波形，可以通过滤波整形获取位同步时钟。然而，对于等概的不归零码元序列，由于其频谱中不包含离散的码元速率分量，因此需要对接收基带信号进行非线性变换，以产生所需的位同步分量，其原理如图8-9所示。2同步技术非线性变换的方法有多种，如延迟相乘法和微分整流法等。·延迟相乘法通过延迟信号并与原信号相乘，产生包含码元速率分量的信号。·微分整流法则通过检测码元脉冲的边沿，输出正负脉冲，再经过整流和窄带滤波得到位同步脉冲，各个步骤的各点波形如图8-10所示。2同步技术（2）闭环同步法开环同步法虽然实现简单，但同步跟踪误差均值不能为零，即使增大信噪比也只能减少误差，而不能完全消除。为了提高位同步性能，需要引入负反馈控制，即闭环同步法。闭环同步法利用锁相环技术，动态调整本地压控振荡器的输出频率，以跟踪基带信号同步信号的变化。其中，超前滞后门同步器是一种常用的闭环同步器。它利用锁相环来提取位同步信号，通过比较本地产生的位同步脉冲与接收码元的相位关系，调整压控振荡器的输出频率，以实现位同步。当从基带信号中提取位同步时钟有困难时，可以采用插入导频法。这种方法在发送码元序列中附加位同步序列，即在发送信号中插入码元速率或数倍码元速率的同步信号。接收端使用窄带滤波器将这些同步信号分离出来，形成位同步脉冲，这里不作详细介绍。2同步技术2.位同步系统性能分析位同步系统是确保数字通信中数据准确传输的关键部分。与载波同步相似，位同步系统的性能评估主要依赖于一系列关键指标，这些指标在数字锁相环（DPLL）等实际应用中尤为重要。

以下将探讨这些性能指标及其对系统性能的影响。

（1）码元同步时间误差（δ）

（2）同步建立时间（ts）

（3）同步保持时间（tc）

（4）同步带宽（Δfs）2同步技术群同步，也称为帧同步，群同步的实现方式主要有两种：插入式同步和群自同步。插入式同步通过在数据群的特定位置插入一组特定的数据（称为群同步码）来表示数据群的起止位置。这种方式使得接收端能够准确地找到每个数据群的开始和结束，从而实现同步。其中，起止式同步是一种特殊的插入式同步，它在每个数据群的前后分别插入起始位和结束位，形成明确的群结构。这种方式在早期的电传打字机和某些异步通信系统中得到了广泛应用。集中插入法（ConcentrationInsertionMethod）是一种在数据传输中用于实现群同步的技术。在这种方法中，一段特殊的码组被插入到一组信息群的开头，这段特殊的码组被称为群同步码（GroupSynchronizationCode），如图8-11所示。为确保接收端能够有效且准确地识别它，从而实现数据的正确同步，群同步码的设计有如下几个关键要求。集中插入法通过巧妙地设计群同步码，确保了数据传输中的群同步可靠性。通过满足自相关特性曲线的尖锐单峰要求、在信息码中的稀有性要求以及非周期性出现要求，接收端能够准确地在数据流中识别出群同步码，从而实现数据的正确同步和后续处理。然而，随着技术的发展，群自同步逐渐成为一种更受欢迎的选择。群自同步不需要额外的同步码，而是利用数据码组本身的特性来实现同步。2同步技术网同步是为了确保全网各站点之间能够互联互通，并正确接收信息码元的关键技术。固定通信网的同步主要有两种方式：全网同步方式和独立时钟同步方式。在探讨网同步的过程中，我们不得不提及两大卫星导航系统：北斗卫星导航系统和全球定位系统（GPS）。它们不仅为我们提供了高精度的定位和导航服务，还在网同步中发挥着举足轻重的作用。北斗卫星导航系统作为中国自主研发的全球卫星导航系统，其时间基准是通过地面站与卫星之间的精确授时来实现的。这为全网同步提供了可靠的时间基准，使得各站点之间的时钟信号能够保持一致。同时，北斗系统还可以通过卫星信号向全网各站点提供同步信号，确保数据传输的准确性和一致性。而全球定位系统（GPS）作为全球范围内广泛应用的卫星导航系统，其时间基准同样是通过GPS卫星上的原子钟来实现的。GPS系统不仅为通信网络提供了高精度的时间同步服务，还通过其卫星信号帮助各站点实现时钟信号的同步。这种同步方式在移动通信系统、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。综上所述，网同步技术作为确保通信网络正常运作的关键技术之一，与北斗卫星导航系统和全球定位系统之间存在着密切的联系。它们相互支持、相互促进，共同推动了通信网络的发展。实验7数字同步技术实验33实验7数字同步技术实验七、实训的答疑解惑1.为什么时分复用的线路编码速率都是语音采样频率8KHz的整数倍。答：这是同步和系统设计的需求，下面分别进行详细说明。(1)可以简化时钟设计

线路速率与采样频率成整数倍关系，能够使用统一的时钟源进行同步（如8KHz、1.544MHz、2.048MHz等），这大大简化了系统设计，避免了复杂的频率倍频或分频电路。(2)保证采样点对齐

为了避免信号失真，每次采样的时间间隔（125µs）必须在传输过程中被严格保持。线路编码速率为采样频率的整数倍，确保多路信号的时间片与采样点精确对齐。2.实训箱模块的主时钟和网络时钟、GPS或北斗时钟的关系是怎样的。答：在通信系统实训箱中，主时钟、网络时钟、GPS/北斗时钟之间存在层次化的关系，用于不同场景的时钟同步需求。以下是它们之间的关系与作用的详细分析：1.各时钟的定义和作用(1)主时钟

定义：主时钟是实训箱模块中的本地时钟源，通常由内部振荡器（如晶振）提供，作为设备内

部所有模块工作的基本时钟信号。

作用：

为实训箱内的各通信模块（如信号处理单元、编码单元、解码单元）提供统一的时钟。

保证模块内部的操作同步，比如调制解调、数据处理等。

特点：

精度和稳定性受限于本地振荡器的质量。不依赖外部信号，可独立运行。

(2)网络时钟

定义：

网络时钟是通信网络中用于保持多节点时钟同步的时钟信号，通常通过网络协议（如IEEE1588PTP、SyncE）实现。

作用：

保证通信网络中各设备的时钟一致性。

用于时分复用（TDM）和同步数字体系（SDH）等需要精确时钟同步的场景。

特点：

来源于网络中的主时钟设备（如同步以太网时钟或远程服务器时钟）。相比本地时钟，网络时钟的精度和可靠性更高。(3)GPS/北斗时钟

定义：GPS/北斗时钟是通过卫星信号提供的高精度时间同步源，能够提供全局统一的参考时钟。

作用：

提供精确的时间基准（通常为原子钟级别）。

用于大规模网络或跨区域通信系统的时间同步。

在某些通信系统（如5G基站或SDH网络）中，作为一级主参考时钟（PRC）。

特点：

极高的时钟精度和稳定性。

依赖于外部卫星信号，可能受信号丢失或延迟影响。小结

2.主时钟与网络时钟、GPS/北斗时钟的关系(1)分级同步架构，在通信系统中，时钟通常按照以下层次架构进行同步：

最高层次：GPS/北斗时钟GPS或北斗时钟为通信网，络的顶层时钟源，提供一级参考时间（PRTC）。

为核心网和骨干网的时钟同步提供基准信号。

中间层次：网络时钟

网络时钟可以通过协议（如IEEE1588、SyncE）从GPS/北斗时钟获得高精度的同步信号。

用于分布到网络中的各个设备，保证网络设备的同步。

最底层：本地主时钟

主时钟是设备内部模块的基础时钟源。

通常从网络时钟获得同步信号进行校准和调整，或在无外部时钟信号时独立运行。小结(2)参考时钟的作用机制无外部时钟时：

实训箱模块运行在本地主时钟模式，所有模块的同步依赖于本地振荡器。

适用于独立实验环境，但长期运行可能因振荡器漂移而失准。

有网络时钟时：

主时钟通过网络时钟进行同步调整，减少漂移误差。

网络时钟通常通过线缆从上层设备（如交换机或同步时钟服务器）分发。有GPS/北斗时钟时：GPS/北斗时钟为最高精度的参考信号，网络时钟和主时钟可以直接或间接从GPS/北斗同步。

实训箱的主时钟可配置为从GPS/北斗时钟获得基准信号，提供实验所需的高精度同步。小结3.主时钟、网络时钟和GPS/北斗时钟的典型应用场景(1)实训实验场景如果进行单设备实验，实训箱只需依赖本地主时钟即可，操作简单。如果实验涉及多个设备协同，启用网络时钟，确保多台设备的时钟一致。如果需要高精度时间同步（如时间戳对比、误码率测试），引入GPS/北斗时钟作为全局同步信号。(2)通信网络场景在电信网络中（如SDH、5G基站），GPS/北斗时钟作为一级主参考源，网络时钟用于分发，本地主时钟与网络时钟保持同步。在数据中心网络中，网络时钟通过IEEE1588PTP或SyncE实现节点间同步，本地主时钟依赖网络时钟校准。4.总结主时钟：

实训箱模块的基础时钟，内部独立提供基本信号，但精度有限。网络时钟：

用于设备间的时钟同步，精度依赖于上层网络提供的同步信号。GPS/北斗时钟：

提供最高精度的时间基准，确保大规模网络的全局统一时钟。三者关系：GPS/北斗时钟为最高级参考，

网络时钟从GPS/北斗同步，并分发给网络设备，

主时钟从网络时钟或GPS/北斗调整，提供本地时钟服务，保证设备内部和实验同步需求。小结4习题一、选择题1．时分复用技术中，时间被分割成多个时间片段，每个时间片段称为：A.时隙B.码元C.比特D.符号2．PCM（脉冲编码调制）技术中，模拟信号首先被转换为：A.数字信号B.频率信号C.相位信号D.幅度信号3．TDM（时分复用）系统中，为了区分不同的帧，需要添加：A.帧同步信号B.时隙同步信号C.起始信号D.结束信号4．在PCM30/32系统中，通常用于传输同步信号的时隙是：A.第1时隙B.第30时隙C.第31时隙D.第32时隙5．时分复用系统中，提高频谱利用率的一种方法是：A.增加帧长B.减小帧长C.增加时隙数D.优化时隙分配6．TDM系统中，若帧长为1ms，每个时隙占1/128，则时隙宽度为：A.8μsB.128μsC.1msD.1/128s7．在时分复用系统中，为了减小码间串扰，需要：A.提高采样率B.增加量化级数C.减小时隙宽度D.优化编码方式4习题8．TDM系统中，若帧同步丢失，可能导致：A.用户数据丢失B.传输速率下降C.信号失真D.系统崩溃9．在时分复用系统中，为了提高系统的灵活性，通常采用：A.固定时隙分配B.动态时隙分配C.随机时隙分配D.循环时隙分配10．TDM系统中，若一个帧的时隙全部被占用，系统：A.无法再增加新用户

B.可以增加新用户但会降低传输速率C.可以增加新用户且不影响传输速率D.会自动扩展帧长以容纳新用户11．在时分复用系统中，为了区分不同的用户，通常采用：A.不同的频率B.不同的相位C.不同的时隙D.不同的码型12．TDM系统中，为了提高系统的抗干扰能力，可以采取：A.增加帧长B.减小帧长C.采用纠错编码D.增加时隙数13．在PCM30/32系统中，除了用户时隙外，其余时隙主要用于：A.传输同步信号B.传输控制信号C.备用时隙D.传输其他用户数据4习题14．在分布式系统中，确保各个节点之间的时间一致性的过程称为：A.数据同步B.时钟同步C.状态同步D.操作同步15．NTP（网络时间协议）主要用于：A.同步局域网内的计算机时钟B.同步全球范围内的计算机时钟C.同步特定应用程序的时间D.同步数据库的时间戳16．在时钟同步过程中，为了减少网络延迟的影响，通常采用：A.单向时间传输B.双向时间传输C.广播时间传输D.组播时间传输17．下列哪个协议不常用于时钟同步？A.NTPB.PTPC.FTPD.SNMP（简单网络管理协议，虽然不直接用于同步，但选项中包含非同步协议以作为对比）18．时钟同步的精度通常受到哪些因素的影响？A.网络延迟B.时钟漂移C.系统负载D.以上都是4习题19．在分布式系统中，主时钟（MasterClock）的作用是：A.提供全局时间参考B.监控所有从时钟的状态C.调整从时钟的速率以匹配主时钟D.以上都是20．

在时钟同步过程中，为了应对时钟漂移，需要：A.频繁进行时间校正B.使用高精度硬件时钟C.采用自适应算法调整时钟速率D.以上都是可能的解决方案21．载波同步是指接收端产生一个与发送端载波完全一致的本地载波信号的过程，主要用于：A.解调接收到的信号B.同步数据库操作C.路由选择D.数据加密22．在载波同步技术中，为了克服相位抖动，通常采用的方法是：A.增大载波频率B.使用锁相环（PLL）C.提高采样率D.减小信号带宽4习题23．码元同步的目的是使接收端的采样时刻与发送端的码元边界保持一致，以确保正确接收和解码数据。这通常通过：A.帧同步信号实现B.特定的码元同步算法C.增加冗余数据D.提高传输速率24．在数字通信系统中，如果码元速率较高，为了实现码元同步，可能会采用的技术是：A.增大载波频率B.插入同步码元C.使用差分编码D.降低信号带宽25．帧同步是指接收端能够正确识别并定位数据帧的起始和结束位置，以确保数据的完整性和正确性。这通常依赖于：A.载波同步信号B.帧同步码字或序列C.信道编码D.数据包的校验和4习题26．在时分复用系统中，为了区分不同的帧，需要在每帧的开头添加帧同步码字，该码字通常具有：A.固定的长度和