《通信技术基础》课件第4章 信号多路复用与数字复接

4.1时分多路复用（TimeDitisionMultiple，TDM）1基本概念：对数字信号而言，首先要清楚数字信号是从模拟信号抽样而来的。2具体做法是：把通信过程划分为基本的时间间隔，叫做“帧”（也叫传输间期），每一帧时间根据通信路数划分为相应的小间隔，叫做“时隙”。每一个“时隙”依次传输的一个信息单元如下图4.6示：图4.6时间间隔安排例如一个3路电话信号的时分复用过程，其框图如下图4.7：图4.7时分复用过程图4.8工作过程波形3时分多路复用系统中的位同步所谓时钟同步是使收端的时钟频率与发端的时钟频率相同（时钟频率与二进制数字信号的数码率数值一样）。时钟同步保证收端正确识别每一位码元（所以时钟同步也叫位同步），这相当于图5-2中两端旋转开关的旋转速度相同。4时分多路复用系统中的帧同步帧同步是保证收发两端相应各话路要对准，即在接收端正确接收（区分）每一路信号。把每帧的首尾辨别出来，就可正确区分每一路信号，即实现帧同步。4PCM30／32路系统的构成框图在前面讨论的抽样、量化、编解码及时分多路复用等基本原理的基础上，下面介绍PCM30／32路系统基本构成，如图4.11所示。5PCM30／32路系统1PCM30／32路系统帧结构图4.9是PCM30／32路系统（称为基群，也叫一次群）的帧结构图。图4.9PCM30／32路系统帧结构图图4.10PCM30／32路系统帧结构图图4.11PCM30／32路系统图话音信号根据原CCITT建议采用8kHz抽样，抽样周期为125μs，所以一帧的时间（即帧周期）T＝125μs。每一帧由32个路时隙组成（每个时隙对应一个样值，一个样值编8位码），其中：①30个话路时隙(TS1～TS15，TS17～TS31)②帧同步时隙(TS0)③信令与复帧同步时隙(TS16)4.2数字复接的概念和方法4.2.1数字复接1.数字复接的基本概念PCM复用和同步数字复接扩大数字通信容量方法通常有两种：PCM复用和数字复接。①PCM复用所谓PCM复用就是直接将多路信号编码复用。即将多路模拟话音信号按125μs的周期分别进行抽样，然后合在一起统一编码形成一个多路数字信号（低次群信号）。②数字复接数字复接是将几个低次群在时间的空隙上迭加合成高次群。例如将四个一次群合成二次群，四个二次群合成三次群等。图4.12是同步数字复接的原理示意图。图4.12同步数字复接的原理示意图。4.2.2同步数字复接的实现同步是指几个支路速率一样，同步数字复接的实现主要有三种方法：按位复接、按字复接和按帧复接。1按位复接这是目前最常用的一种方式，这种方式依次复接每一支路的一位码，即在发送端将四个支路的数字信号以比特为单位，依次轮流发往信道；在接收端按发送端的发送结构依次从码流中检出各支路的码元，并分送到相应的支路，使各支路恢复相应的帧结构。如下图4.13所示。按位复接是每次复接各低次群（也称为支路）的一位码形成高次群。图4.13按位复接图4.14按位复接2按字复接在PCM基群帧结构中，一个路时隙有8位码元。按码字复接就是指每次按顺序复接每一支路的一个路时隙，即8位码。这种方式有利于多路合成的处理与交换，但循环周期长，要求有较大的存储容量，电路也比较复杂。3按帧复接按帧复接就是指每次复接一个支路的一帧码元（每一帧含有256个码元）。这种方法不破坏原来各个支路的帧结构，有利于信息的交换处理，但与按字复接相比其循环周期更长，要求更大的存储容量和更复杂的设备，目前也很少应用。4数字复接的同步数字复接要解决两个问题，即同步和复接。数字复接的同步指的是被复接的几个低次群的数码率相同。如图4.15所示如果低次群的数码率不同，复接时会产生重叠和错位。（读者可对比一下图4.12中当低次群的数码率相同时复接的情况）图4.15低次群的数码率不相同情况复接5数字复接的方法及系统构成（1）数字复接的方法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。同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的数码率（简称码速）统一在主时钟的频率上（这样就使几个低次群系统达到同步的目的），可直接复接（复接前不必进行码速调整，但要进行码速变换）。同步复接方法的缺点是一旦主时钟发生故障时，相关的通信系统将全部中断，所以它只限于局部地区使用。

异步复接是各低次群各自使用自己的时钟，由于各低次群的时钟频率不一定相等，使得各低次群的数码率不完全相同（这是不同步的），因而先要进行码速调整，使各低次群获得同步，再复接。PDH大多采用异步复接。（2）异步数字复接系统的构成异步数字复接系统主要由数字复接器和数字分接器两部分组成，如例图4.16所示。图4.16异步数字复接系统数字复接器的功能是把四个支路（低次群）合成一个高次群。它是由定时、码速调整（或变换）和复接等单元组成的。定时单元给设备提供统一的基准时钟（它备有内部时钟，也可以由外部时钟推动）。码速调整（若是同步复接时是码速变换）单元的作用是把各输入支路的数字信号的速率进行必要的调整（或变换），使它们获得同步。这里需要指出的是四个支路分别有各自的码速调整（或变换）单元，即四个支路分别进行码速调整（或变换）。复接单元将几个低次群合成高次群。数字分接器的功能是把高次群分解成原来的低次群，它是由定时、同步、分接和恢复等单元组成。分接器的定时单元是由接收信号序列中提取的时钟来推动的。借助于同步单元的控制使得分接器的基准时钟与复接器的基准时钟保持正确的相位关系，即保持同步。分接单元的作用是把合路的高次群分离成同步支路信号，然后通过恢复单元把它们恢复成原来的低次群信号。图4.17是PCM二次群同步复接/分接方式的例子。图4.17PCM二次群同步复接方式例子（2）异步复接(也即准同步复接)码速调整技术的分类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普遍。码速调整与恢复的方法例如二次群码速调整是利用插入一些码元将各一次群的速率由2048kbit／s左右统一调整成2112kbit／s。接收端进行码速恢复，通过去掉插入的码元，将各一次群的速率由2112kbit／s还原成2048kbit／s左右。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。图4.18正码速调整原理

这个正码速调整原理可用图4.18来说明。具体工作过程，输入缓存器的支路信码是由时钟频率2048kHz写入的，而从缓存器读出信码的时钟是由复接设备提供的，其值为2112kHz，由于写入慢、读出快，在某个时刻就会把缓存器读空。正码速调整的具体实施:例如基群复接为二次群的异步复接系统时中，是以每212bit为一个码速调整段。其码速调整帧结构图4-.19所示。共分成4组，每组都是53个比特，第1组的前3个比特F11、F12、F13用于帧同步和管理控制，后3组的第一个比特C11、C12、C13作为塞入比特（码速调整控制比特），第4组第2比特V1作为码速调整比特。具体做的时候，在第1组的末了进行是否需要调整的判决(即比相)，若需要调整，则在C11、C12、C13位置上插入3个“1”码，V1仅仅作为速率调整比特，不带任何信息，故其值可为“1”，也可为“0”；若不需调整，则在C11、C12、C13位置上插入3个“0”码，V1位置仍传送信码。那么，是根据什么来判断需要调整或不需要调整。图

4.19异步复接二次群帧结构

图

4.20异步复接二次群帧结构

在复接端，写脉冲和读脉冲存在一个细微的相位差，且这个相位差是逐位积累的。相位比较器随时监测这个相位差，当积累到一个比特时，比较器控制插入请求器发出请求，标志信号发生器收到请求后发出111送给接收端。插入请求发出一个指令，在V1位加入塞入脉冲，通过图4.18中的比较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，使缓存器中的存储量增加，而这一次停读就相当于使图4.19(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码（即塞入脉冲）。图4.19(a)调整段（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2048kbit/s上上下波动的支路码流都变成同步的2112kbit/s码流。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8448bit(二次群），其帧结构如图4.19(b)所示。图4.19(b)是由图4.19(a)所示的4个支路比特流按比特复接的方法复接起来而得到的。所谓按比特复接，就是将复接开关每旋转一周，在各个支路取出一个比特。也有按字复接的，即开关旋转一周，在各支路上取出一字节。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。在分接侧码速恢复时，就要识别V1到底是信码还是调整比特；如果是信码，将其保留；如果是调整比特，就将其舍弃。这可通过C11、C12、C13来决定。因为复接时已约定，若比相结果无需调整，C11、C12、C13为000；若比相结果要调整，C11、C12、C13为111，所以码速恢复时，根据C11、C12、C13是111还是000就可以决定V1应舍去还是应保留。从原理上讲，要识别V1是信码还是调整比特，只要1位码就够了。这里用3位码主要是为了提高可靠性。如果用1位码，这位码传错了，就会导致对V1的错误处置。例如用“1”表示有调整，“0”表示无调整，经过传输若“1”错成“0”，就会把调整比特错当成信码；反之，若“0”错成“１”，就会把信码错当成调整比特而舍弃。现在用3位码，采用大数判决，即“1”的个数比“0”多认定是3个“１”码；反之，则认定3个“0”码。这样，即使传输中错一位码，也仍然能正确判别V1的性质。(3)复接等级和速率系列准同步数字体系(PlesiochronousDigitalHierarchy,PDH)）国际上主要有两大系列的准同步数字体系，都经原CCITT推荐，即PCM24路系列和PCM30／32路系列。北美和日本采用1.544Mbit／s作为第一级速率（即一次群）的PCM24路数字系列，但两家又略有不同；欧洲和中国则采用2.048Mbit／s作为第一级速率（即一次群）的PCM30／32路数字系列。在表4.1中，二次群(以30/32路作为一次群为例)的标准速率8448kb/s＞2048×4=8192kb/s。其他高次群复接速率也存在类似问题。这些多出来的码元是用来解决帧同步、业务联络以及控制等问题的。

图4.21数字复接示意图表