時(shí)分多路復(fù)用與復(fù)接技術(shù)

1、時(shí)分多路復(fù)用與復(fù)接技術(shù)1 時(shí)分多路復(fù)用為了提高信道利用率，使多個(gè)信號(hào)沿同一信道傳輸而互相不干擾，稱多路復(fù)用。目前采用較多路復(fù)用和時(shí)分多路復(fù)用。頻分多路復(fù)用用于模擬通信，例如載波通信，時(shí)分多路復(fù)用用于數(shù)字通信，例如PCM通信。時(shí)分多路復(fù)用通信，是各路信號(hào)在同一信道上占有不同時(shí)間間隙進(jìn)行通信。由前述的抽樣理 論可知，抽樣的一個(gè)重要作用，是將時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)，其在信道上占用時(shí)間的有限性，為多路信號(hào)沿同一信道傳輸提供了條件。具體說，就是把時(shí)間分成一些均勻的時(shí)間間隙，將各路信號(hào)的傳輸時(shí)間分配在不同的時(shí)間間隙，以達(dá)到互相分開，互不干擾的目的。圖31為時(shí)分多路復(fù)用示意圖，各路信號(hào)經(jīng)低通濾

2、波器將頻帶限制在3400Hz以下，然后加到快速電子旋轉(zhuǎn)開關(guān)(稱分配器)開關(guān)不斷重復(fù)地作勻速旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn) 一周的時(shí)間等于一個(gè)抽樣周期T，這樣就做到對(duì)每一路信號(hào)每隔周期T時(shí)間抽樣一次。由此可見，發(fā)端分配器不僅起到抽樣的作用，同時(shí)還起到復(fù)用合路的作用。合路后的抽樣信號(hào)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(hào)，由收端分配器旋轉(zhuǎn)開關(guān)K2依次接通每一路信號(hào)，再經(jīng) 低通平滑，重建成話音信號(hào)。由此可見收端的分配器起到時(shí)分復(fù)用的分路作用，所以收端分 配器又叫分路門。當(dāng)采用單片集成PCM編解碼器時(shí)，其時(shí)分復(fù)用方式是先將各路信號(hào)分別抽樣

3、、編碼、再經(jīng)時(shí)分復(fù)用分配器合路后送入信道，接收端先分路，然后各路分別解碼和重建信號(hào)。要注意的是：為保證正常通信，收、發(fā)端旋轉(zhuǎn)開關(guān)發(fā)端旋轉(zhuǎn)開關(guān)必須同頻同相。同頻是指的旋轉(zhuǎn)速度要完全相同，同相指的是連接第一路信號(hào)時(shí)，收端旋轉(zhuǎn)開關(guān)K2也必須連接第一路，否則收端將收不到本路信號(hào)，為此要求收、發(fā)雙方必須保持嚴(yán) 格的同步。時(shí)分復(fù)用后的數(shù)碼流示意圖示于圖321.1 時(shí)分復(fù)用中的同步技術(shù)時(shí)分復(fù)用通信中的同步技術(shù)包括位同步(時(shí)鐘同步)和幀同步，這是數(shù)字通信的又一個(gè)重要特點(diǎn)。位同步是最基本的同步，是實(shí)現(xiàn)幀同步的前提。位同步的基本含義是收、發(fā)兩端機(jī)的時(shí) 鐘頻率必須同頻、同相，這樣接收端才能正確接收和判決發(fā)送端送來的

4、每一個(gè)碼元。為了達(dá)到收、發(fā)端頻率同頻、同相，在設(shè)計(jì)傳輸碼型時(shí)，一般要考慮傳輸?shù)拇a型中應(yīng)含有發(fā)送端 的時(shí)鐘頻率成分。這樣，接收端從接收到PCM碼中提取出發(fā)端時(shí)鐘頻率來控制收端時(shí)鐘，就可做到位同步。幀同步是為了保證收、發(fā)各對(duì)應(yīng)的話路在時(shí)間上保持一致，這樣接收端就能正確接收發(fā)送端送來的每一個(gè)話路信號(hào)，當(dāng)然這必須是在位同步的前提下實(shí)現(xiàn)。為了建立收、發(fā)系統(tǒng)的幀同步，需要在每一幀(或幾幀)中的固定位置插入具有特定碼型的幀同步碼。這樣，只要收端能正確識(shí)別出這些幀同步碼，就能正確辨別出每一幀的首尾，從而能正確區(qū)分出發(fā)端送來的各路信號(hào)。1.2 時(shí)分復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)現(xiàn)以PCM30/32路電話系統(tǒng)為例，來說明時(shí)分復(fù)用的

5、幀結(jié)構(gòu)，這樣形成的PCM信號(hào)稱為PCM一次 群信號(hào)。在討論時(shí)分多路復(fù)用原理時(shí)曾指出，時(shí)分多路復(fù)用的方式是用時(shí)隙來分割的，每一路信號(hào)分配 一個(gè)時(shí)隙叫路時(shí)隙，幀同步碼和信令碼也各分配一個(gè)路時(shí)隙。PCM30/32系統(tǒng)的意思是整個(gè)系統(tǒng)共分為32個(gè)路時(shí)隙，其中30個(gè)路時(shí)隙分別用來傳送30路話音信號(hào)，一個(gè)路時(shí)隙用來傳送幀同步碼，另一個(gè)路時(shí)隙用來傳送信令碼。圖33是CCITT建議G.732規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)。從圖中可看出，PCM30/32路系統(tǒng)中一個(gè)復(fù)幀包含16幀，編號(hào)為幀的時(shí)間為125微秒)又包含有32個(gè)路時(shí)隙，其編號(hào) 為有8個(gè)位時(shí)隙，其編號(hào)為幀 、幀幀，一復(fù)幀的時(shí)間為2毫秒。每一幀(每 ，每個(gè)路時(shí)隙的時(shí)間為3

6、.9微秒。每一路時(shí)隙包含，每個(gè)位時(shí)隙的時(shí)間為0.488微秒。路時(shí)隙 分別傳送第1路第15路的信碼，路時(shí)隙 分 別傳送第16路第30路的信碼。偶幀時(shí)隙傳送幀同步碼，其碼型為×0011011。奇幀TS0時(shí)隙碼型為×1A1SSSSS，其中A1是對(duì)端告警碼，A1=0時(shí)表示幀同步，A1=1時(shí)表示幀失步；S為備用比特，可用來傳送業(yè)務(wù)碼；×為國際備用比特或傳送循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC碼)，它可用于監(jiān)視誤碼。時(shí)隙前4位碼為復(fù)幀同步碼，其碼型為 0000；A2為復(fù)幀失步對(duì)告碼。幀的幀時(shí)隙用來傳送30個(gè)話路的信令碼。幀時(shí)隙前4位碼用來傳送第1路信號(hào)的信令碼，后4位碼用來傳送第16路信號(hào)

7、的信令碼。直到 幀 時(shí)隙前后各4位碼分別傳送第15路、第30 路信號(hào)的信令碼，這樣一個(gè)復(fù)幀中各個(gè)話路分別輪流傳送信令碼一次。按圖33所示的幀 結(jié)構(gòu)，并根據(jù)抽樣理論，每幀頻率應(yīng)為8000幀/秒，幀周期為125微秒，所以PCM30/32路系統(tǒng)的總數(shù)碼率是=80000(幀/秒)×32(路時(shí)隙/幀)×8(bit/路時(shí)隙)=2048kbit/s=2.048Mbit/sPCM30/32路端機(jī)方框圖如圖34所示。用戶的話音信號(hào)(發(fā)與收)采用二線制傳輸，但端機(jī)的發(fā)送與接收支路是分開的，即發(fā)與收是 采用四線制傳輸。因此，用戶的話音信號(hào)需經(jīng)2/4線變換，也就是通過差動(dòng)變量器(差動(dòng)變量 器12端

8、發(fā)送與41端接收的傳輸衰減越小越好，而42端的衰減要越大越好，以防止通路 振鳴)12端送入PCM端機(jī)的發(fā)送端，經(jīng)放大(調(diào)節(jié)話音電平)、低通濾波(限制話音頻帶、防止 折疊噪聲)、抽樣、合路和編碼，編碼后的PCM碼、幀同步碼、信令碼、數(shù)據(jù)信號(hào)碼在匯總電路里按PCM30/32系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)排列，最后經(jīng)碼型變換成適宜于信道傳輸?shù)拇a型送往信道。接收 端首先將接收到信號(hào)進(jìn)行整形、再生，然后經(jīng)過碼型反變換，恢復(fù)成原來的碼型，再由分離電路將PCM碼、信令碼、幀同步碼、數(shù)據(jù)信號(hào)碼分離，分離出的話路信碼經(jīng)解碼、分路門恢復(fù)出每一路的PCM信號(hào)，然后經(jīng)低通平滑，恢復(fù)成每一路的話音模擬信號(hào)，最后經(jīng)放大、差 動(dòng)變量器41端送

9、至用戶。再生電路所提取時(shí)鐘，除了用于抽樣判決，識(shí)別每一個(gè)碼元外，還由它來控制收端定時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生收端所需的各種脈沖信號(hào)。2 數(shù)字復(fù)接技術(shù)在頻分制載波系統(tǒng)中，高次群系統(tǒng)是由若干個(gè)低次群信號(hào)通過頻譜搬移并疊加而成。例如，60路載波是由5個(gè)12路載波經(jīng)過頻譜搬移疊加而成；1800路載波是由30個(gè)60路載波經(jīng)過頻譜搬移疊加而成。在時(shí)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(gè)低速數(shù)字信號(hào)合并成一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)流，以便在高速寬帶信道中傳輸。數(shù)字復(fù)接技術(shù)就是解決PCM信號(hào)由低次群到高次群的合成的技術(shù)。2.1 PCM復(fù)用與數(shù)字復(fù)接擴(kuò)大數(shù)字通信容量有兩種方法。一種方法是采用PCM30/32

10、系統(tǒng)(又稱基群或一次群)復(fù)用的方法。例如需要傳送120路電話時(shí)，可將120路話音信號(hào)分別用8kHz抽樣頻率抽樣，然后對(duì)每個(gè)抽樣值編8位碼，其數(shù)碼率為8000×8×120=7680kbit/s。由于每幀時(shí)間為125微秒，每個(gè)路時(shí)隙的時(shí)間只有1微秒左右，這樣每個(gè)抽樣值編8位碼的時(shí)間只有1微秒時(shí)間，其編碼速度非 常高 ，對(duì)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(duì)120路話音信號(hào)直接編碼復(fù)用的方法稱PCM復(fù)用。另一種方法是將幾個(gè)(例 如4個(gè))經(jīng)PCM復(fù)用后的數(shù)字信號(hào)(例如4個(gè)PCM30/32系統(tǒng))再進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，形成更多路的數(shù)字

11、通信系統(tǒng)。顯然，經(jīng)過數(shù)字復(fù)用后的信號(hào)的數(shù)碼率提高了，但是對(duì)每一個(gè)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)用是采用數(shù)字復(fù)接的方法來實(shí)現(xiàn)的，又稱數(shù)字復(fù)接技術(shù)。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35所示。數(shù)字復(fù)接器是把兩個(gè)或兩個(gè)以上的支路(低次群)，按時(shí)分復(fù)用方式合并成一個(gè)單一的高次群數(shù)字信號(hào)設(shè)備，它由定時(shí)、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(hào)，分解成原來 的低次群數(shù)字信號(hào)，它由幀同步、定時(shí)、數(shù)字分接和碼速恢復(fù)等單元組成。定時(shí)單元給設(shè)備提供一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)鐘。碼速調(diào)整單元是把速率不同的各支路信號(hào)，調(diào)整 成與復(fù)接設(shè)備

12、定時(shí)完全同步的數(shù)字信號(hào)，以便由復(fù)接單元把各個(gè)支路信號(hào)復(fù)接成一個(gè)數(shù)字流 。另外在復(fù)接時(shí)還需要插入幀同步信號(hào)，以便接收端正確接收各支路信號(hào)。分接設(shè)備的定時(shí)單元是由接收信號(hào)中提取時(shí)鐘，并分送給各支路進(jìn)行分接用。CCITT已推薦了兩類數(shù)字速率系列和復(fù)接等級(jí)，兩類數(shù)字速率系列和數(shù)字復(fù)接等級(jí)分別如表3 1和圖36所示。表31 兩類數(shù)字速率系列2.2數(shù)字信號(hào)的復(fù)接數(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(shí)每支路依次復(fù)接一個(gè)比特。圖37(a)所示是4個(gè)PCM30/32系統(tǒng)時(shí)隙(CH1話路) 的碼字情況。圖37(b)是按位復(fù)接后的二次群中各支路數(shù)字碼排列情況。按位復(fù)接

13、方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備也簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)器容量小，目前被廣泛采用，其缺點(diǎn)是對(duì)信號(hào)交換不利。圖37 (c)是按字復(fù)接，對(duì)PCM30/32系統(tǒng)來說，一個(gè)碼字有8位碼，它是將8位碼先儲(chǔ)存起來，在規(guī)定時(shí)間四個(gè)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(chǔ)容量。按幀復(fù)接是每次復(fù)接一個(gè)支路的一個(gè)幀(一幀含有256個(gè)比特)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)接時(shí)不破壞原來的幀結(jié)構(gòu)，有利于交換，但要求更大的存儲(chǔ)容量。2.3 數(shù)字復(fù)接中的碼速變換幾個(gè)低次群數(shù)字信號(hào)復(fù)接成一個(gè)高次群數(shù)字信號(hào)時(shí)，如果各個(gè)低次群(例如PCM30 /32系統(tǒng))的時(shí)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(shí)數(shù)碼

14、率也可能是不同的。因?yàn)楦鱾€(gè)支路的晶體振蕩器的振蕩頻率不可能完全相同(CCIT規(guī) 定PCM 30/32系統(tǒng)的瞬時(shí)數(shù)碼率在2048kbit/s±100bit/s)，幾個(gè)低次群復(fù)接后的數(shù)碼就會(huì)產(chǎn)生重 疊或錯(cuò)位，如圖38所示。 這樣復(fù)接合成后的數(shù)字信號(hào)流，在接收端是無法分接恢復(fù)成原來的低次群信號(hào)的。因此， 數(shù)碼率不同的低次群信號(hào)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(shí)使復(fù)接后的數(shù)碼率符合高次群幀結(jié)構(gòu)的要求。由此可見，將幾個(gè)低次群復(fù)接成高次群時(shí)，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。系統(tǒng)同步的方法有兩種，即

15、同步復(fù)接和異步復(fù)接。同步復(fù)接是用一個(gè)高穩(wěn)定的主時(shí)鐘來控制被復(fù)接的幾個(gè)低次群，使這幾個(gè)低次群的碼速統(tǒng)一在主時(shí)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(shí)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(shí)鐘。這樣，各低次群的時(shí)鐘速率就不一定相等，因而在復(fù)接時(shí)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(shí)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(duì)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。CCITT規(guī)定以2048kbit/s為一次群的PCM二次群的數(shù)

16、碼率為8448kbit/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(gè)PCM一次群在復(fù)接時(shí)插入了幀同步碼、告警碼、插入碼和插入標(biāo)志碼等碼元，這此碼元的插入，使每個(gè)基群的數(shù)碼率由2048kbit/s調(diào)整到2112kbit/s，這樣4×2112kbit/s=8448kb it/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39所示。每一個(gè)參與復(fù)接的數(shù)碼流都必須經(jīng)過一個(gè)碼速調(diào)整裝置 ，將瞬時(shí)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(chǔ)器，還包括一些必要的控制

17、電路、輸入支路的數(shù)碼率率為=2.112Mbit/s。所謂正碼速調(diào)整就是因?yàn)槎妹摹?=2.048Mbit/s±100bit/s，輸出數(shù)碼假定緩存器中的信息原來處于半滿狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移，由于讀出時(shí)鐘大于寫入時(shí)鐘，緩存器中的信息勢(shì)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。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?cái)?shù)降到規(guī)定數(shù)量時(shí) ，就發(fā)出控制信號(hào)，這時(shí)控制門關(guān)閉，讀出時(shí)鐘被扣除一個(gè)比特。由于沒有讀出時(shí)鐘，緩存 器中的信息就不能讀出去，而這時(shí)信息仍往緩存器存入，因此緩存器中的信息就增加一個(gè)比特。如此重復(fù)下去，

18、就可將數(shù)碼流通過緩沖存儲(chǔ)器傳送出去，而輸出信碼的速率則增加為中某支路輸入碼速率為，在寫入時(shí)鐘作用下，將信碼寫入緩存器，讀出時(shí)鐘頻率是，由于 圖310，所以緩存器是處于慢寫快讀的狀態(tài)，最后將會(huì)出現(xiàn)“取 空”現(xiàn)象。如果在設(shè)計(jì)電路時(shí)加入一控制門，當(dāng)緩沖存儲(chǔ)器中的信息尚未“取空”而快要“ 取空”時(shí)，就讓它停讀一次。同時(shí)插入一個(gè)脈沖(這是非信息碼)，以提高碼速率，如圖中 所示。從圖中可以看出，輸入信碼是以的速率寫入緩存器，而讀出脈沖是以與速率讀出，如圖中箭頭所示。由于，讀、寫時(shí)間差(相位差)越來越小，到第6個(gè)脈沖到來時(shí)，幾乎同時(shí)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(shí)就停讀一次，同時(shí)插入一個(gè)脈沖，如圖中虛線所示。 插入脈沖在何時(shí)插入是根據(jù)緩存器的儲(chǔ)存狀態(tài)來決定的，可通過插入脈沖控制電路來完成。 儲(chǔ)存狀態(tài)的檢測(cè)可通過相位比較器來完成。在收端，分接器先將高次群信碼