第8章 多路復用與數(shù)字復接

8.1頻分多路復用（FDM）原理8.2時分多路復用（TDM）原理8.3準同步數(shù)字體系（PDH）8.4同步數(shù)字體系（SDH）

第8章多路復用與數(shù)字復接返回主目錄8.1頻分多路復用(FDM)原理

頻分多路復用有直接法和復級法之分，主要用于模擬通信。頻分多路復用是指將多路信號按頻率的不同進行復接并傳輸?shù)姆椒ā?.1.1直接法FDM

復用路數(shù)不是很大時，采用直接法

圖8-1直接法FDM系統(tǒng)原理框圖圖8-1直接法FDM系統(tǒng)頻譜圖：副載波頻率之間的間隔。：消息信號的頻譜。：鄰路間隔保護頻帶?？傂盘杅s(t)直接在信道中傳輸所需的最小帶寬為

頻分多路復用就是利用各路信號在頻率域上的互不重疊來區(qū)分的，復用路數(shù)的多少取決于允許的帶寬和費用，傳輸?shù)穆窋?shù)越多，則信號傳輸?shù)挠行栽礁摺?/p>

優(yōu)點：復用路數(shù)多，分路方便；多路信號可同時在信道中傳輸，節(jié)省功率；多用于模擬通信系統(tǒng)中。

缺點：設備龐大、復雜，路間不可避免地會出現(xiàn)干擾。8.1.2復級法FDM

復用路數(shù)很大時，采用復級法

圖8-2復級法FDM系統(tǒng)原理框圖圖8-2復級法FDM系統(tǒng)頻譜圖

直接法復級法最大容量N：(m+n)(m+n)載波數(shù)：mn(m+n)調制器：mn(mn+m)圖8-3多路載波電路系統(tǒng)的組成及頻譜結構圖8.2時分多路復用(TDM)原理

主要用于模擬信號的數(shù)字傳輸或數(shù)字基帶信號的多路傳輸。8.2.1TDM基本原理

時分復用是利用各信號的抽樣值在時間上不相互重疊來達到在同一信道中傳輸多路信號的一種方法。

兩個基帶信號時分復用原理

圖中，對m1(t)和m2(t)按相同的時間周期進行采樣，只要采樣脈沖寬度足夠窄，在兩個采樣值之間就會留有一定的時間空隙。圖8-6TDM系統(tǒng)框圖圖8-6TDM系統(tǒng)波形圖8.2.2TDM信號的帶寬及相關問題

1、抽樣頻率fs、抽樣脈沖寬度г和復用路數(shù)N的關系

(保護時間抽樣脈沖寬度相等時)2、信號帶寬B與路數(shù)N的關系從傳輸主要能量的觀點考慮：從傳輸抽樣脈沖序列包絡的觀點考慮：根據(jù)抽樣定理，一個頻帶限制在fm的信號，只要有2fm個獨立的信息抽樣值，就可以用帶寬B=fm的低通濾波器恢復出原始信號。N個頻帶都為fm的復用信號，它們獨立對應的值為2Nfm=Nfs。因此傳輸帶寬必須滿足對于TDM信號，應注意

1、時分復用后得到的總和信號仍為基帶信號，只不過總和信號的脈沖速率是單路抽樣信號的N倍，即f=Nfs2、在TDM系統(tǒng)中，發(fā)送端的轉換開關與接收端的分路開關必須嚴格同步，否則系統(tǒng)會出現(xiàn)紊亂。8.2.3TDM與FDM的比較

1、關于復用原理在FDM系統(tǒng)中，各信號在頻域上是分開的而在時域上是混疊在一起的；在TDM系統(tǒng)中，各信號在時域上是分開的，而在頻域上是混疊在一起的。2、關于設備復雜性復用部分FDM設備相對TDM設備簡單。分路部分，TDM多路信號的復接和分路都是采用數(shù)字處理方式實現(xiàn)的，通用性和一致性好，比FDM的模擬濾波器分路簡單、可靠。

圖8-7FDM與TDM各路信號在頻譜和時間上的特性比較

3、關于信號間干擾信道的非線性會在FDM系統(tǒng)中產生交調失真和高次諧波，引起路間串話，因此，要求信道的線性特性要好,而TDM系統(tǒng)對信道的非線性失真要求可降低。2、關于傳輸帶寬兩種系統(tǒng)的帶寬一樣，N路復用時對信道帶寬的要求都是單路的N倍。

8.2.4時分復用的PCM通信系統(tǒng)

圖8-8TDM-PCM方框圖

TDM-PCM的信號代碼在每一個抽樣周期內有Nk個，N為路數(shù)，k為每個抽樣值編碼時的編碼位數(shù)。因此碼元速率為Nkfs=2Nkfm(Baud)。實際應用帶寬為B=Nkfs8.2.5PCM30/32路典型終端設備

目前國際上推薦的PCM基群有兩種標準，即PCM30/32路(A律壓擴特性)制式和PCM24路(μ律壓擴特性)制式。并規(guī)定，國際通信時，以A律壓擴特性為標準。我國也規(guī)定采用PCM30/32路制式。

PCM30/32路制式基群幀結構共由32路組成，其中30路用來傳輸用戶話語，2路用作勤務。每路話音信號抽樣速率fs=8000Hz，故對應的每幀時間間隔為125μs。一幀共有32個時間間隔，稱為時隙，每個時隙為125/32=3.9μs。各個時隙從0到31順序編號，分別記作TS0，TSl，TS2，…，TS31。每個抽樣值的編碼位數(shù)k=8。一幀包含32×8=256個碼元，總數(shù)碼率為8×32×8000=2048kb/s。圖8-9PCM30/32路制式基群幀結構

其中，TS1至TS15和TS17至TS31這30個路時隙用來傳送30路電話信號的8位編碼碼組，TS0分配給幀同步，TS16專用于傳送話路信令。每個路時隙包含8位碼，一幀共包含256個比特。信息傳輸速率為fb=8000［(30+2)×8］=2.048Mb/s每比特時間寬度為每路時隙時間寬度為τl=8τb≈3.91μs

幀同步碼組為X0011011，它插入在偶數(shù)幀的TS0時隙，其中第一位碼“X”保留作國際電話間通信用。接收端識別出幀同步碼組后，即可建立正確的路序。

TS16為信令時隙，插入各話路的信令。在傳送話路信令時，若將TS16所包含的總比特率集中起來使用，則稱為共路信令傳送；若將TS16按規(guī)定的時間順序分配給各個話路，直接傳送各話路所需的信令，則稱為隨路信令傳送。當采用共路信令傳送方式時，必須將16個幀構成一個更大的幀，稱為復幀。復幀的重復頻率為500Hz，周期為2ms，復幀中各幀順次編號為F0，F(xiàn)1，…，F(xiàn)15。PCM24路制式基群幀結構PCM24路制式基群幀結構如下圖所示，由24路組成。每路話音信號抽樣速率fs=8000Hz，每幀時間間隔為125μs。一幀共有24個時隙。

各個時隙從0到23順序編號，分別記作TS0，TS1，TS2，…，TS23，這24個路時隙用來傳送24路電話信號的8位編碼碼組。為了提供幀同步，在TS23路時隙后插入1比特幀同步位(第193比特)。這樣，每幀時間間隔125μs，共包含193個比特。信息傳輸速率為fb=8000(24×8+1)=1.544Mb/s每比特時間寬度為每路時隙時間寬度為PCM24路制式與PCM30/32路制式的幀結構不同，12幀構成一個復幀，復幀周期為1.5ms。12幀中奇數(shù)幀的第193比特構成101010幀同步碼組。而偶數(shù)幀的第193比特構成復幀同步碼000111。這種幀結構同步建立時間要比PCM30/32幀結構長。

8.3準同步數(shù)字體系（PDH）

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了擴大傳輸容量，通常將若干個低等級的支路比特流匯集成一個高等級的比特流在信道中傳輸。這種將若干個低等級的支路比特流合成為高等級比特流的過程稱為數(shù)字復接。完成復接功能的設備稱為數(shù)字復接器。在接收端，需要將復合數(shù)字信號分離成各支路信號，該過程稱為數(shù)字分接，完成分接功能的設備稱為數(shù)字分接器。

8.3.1數(shù)字復接的概念和方法

圖8-12數(shù)字復接系統(tǒng)方框圖

根據(jù)復接器輸入端的各支路信號與本機定時信號是否同步，可分為：

1、同步復接器

2、異步復接器

3、準同步復接器：兩個信號的標稱速率相同，但實際有一個很小的容差。

8.3.2同步復接與異步復接

1、同步復接：用一個高穩(wěn)定的主時鐘控制被復接的幾個低次群，使這幾個低次群的數(shù)碼率統(tǒng)一在主時鐘的頻率上，可直接復接。

2、異步復接：使用碼速調整。分為

1）正碼速調整

2）正/負碼速調整

3）正/零/負碼速調整

正碼速調整復接器

以二次群復接為例，分析其工作原理。根據(jù)ITU-TG.742建議，二次群由4個一次群合成，一次群碼率為2.048Mb/s，二次群碼率為8.448Mb/s。二次群每一幀共有848個比特，分成四組，每組212比特，稱為子幀，子幀碼率為2.112Mb/s。也就是說，通過正碼速調整，使輸入碼率為2.048Mb/s的一次群碼率調整為2.112Mb/s。然后將四個支路合并為二次群，碼率為8.448Mb/s。采用正碼速調整的二次群復接子幀結構如下圖所示。8-13二次群異步復接子幀結構

由子幀結構可知，212比特中有3比特用于幀同步和管理控制，3比特用于碼速調整控制標志。而真正用于碼速調整的只有第161比特碼速調整插入比特。由此可見，碼速調整插入比特只有一部分時間傳輸插入比特，還有一部分時間需要傳輸支路信息。

由子幀結構可以看出，一個子幀有212個比特，分為四組，每組53個比特。第一組中的前3個比特F11、F12、F13用于幀同步和管理控制，然后是50比特信息。第二、三、四組中的第一個比特C11、C12、C13為碼速調整標志比特。第四組的第2比特(本子幀第161比特)V1為碼速調整插入比特，其作用是調整基群碼速，使其瞬時碼率保持一致并和復接器主時鐘相適應。

具體調整方法是：在第一組結束時刻進行是否需要調整的判決，若需要進行調整，則在V1位置插入調整比特；若不需要調整，則V1位置傳輸信息比特。為了區(qū)分V1位置是插入調整比特還是傳輸信息比特，用碼速調整標志比特C11、C12、C13來標志。若V1位置插入調整比特，則在C11、C12、C13位置插入3個“1”；若V1位置傳輸信息比特，則在C11、C12、C13位置插入3個“0”。

在分接器中，除了需要對各支路信號分路外，還要根據(jù)C11、C12、C13的狀態(tài)將插入的調整比特扣除。若C11、C12、C13為“111”，則V1位置插入的是調整比特，需要扣除；若C11、C12、C13為“000”，則V1位置是傳輸信息比特，不需要扣除。采用3位碼“111”和“000”來表示兩種狀態(tài)，具有一位糾錯能力，從而提高了對V1性質識別的可靠性。二次群復接幀結構有以下主要參數(shù)。

1.支路子幀插入比特數(shù)ms

二次群輸入四路基群碼率為2.048Mb/s，經碼速調整后支路碼率達到2.112b/s。因此，需要插入64kb/s才能達到標稱支路碼率。支路子幀長為212比特，傳輸一幀所需時間為212/211200(s)，則在212個比特內應插入的比特數(shù)為

2.幀頻Fs

幀頻是指每秒傳輸?shù)膸瑪?shù)。二次群標稱碼率為8.448Mb/s，幀長為848比特，則有Fs=

3.幀周期Ts

幀周期為幀頻的倒數(shù)，即Ts=

4.標稱插入速率fs

標稱插入速率也稱為碼速調整頻率，它是指支路每秒插入的調整比特數(shù)。調整后的支路碼率為2.112Mb/s，其中包括輸入基群碼率2.048Mb/s以及復接支路中每秒所傳輸?shù)拈_銷比特和調整比特。由子幀結構可知，每支路每幀有6比特開銷，因此每支路每秒插入的開銷比特數(shù)為6Fs。所以標稱插入速率為fs=支路標稱碼率-標稱基群碼率-6×幀頻

=2112–2048-

6×9.962=4.228kb/s5.碼速調整率S

碼速調整率為標稱插入速率與幀頻的比值，即

其物理意義為:42.4%的幀有插入調整比特，即第161比特為插入碼速調整比特；57.6%的幀沒有插入調整比特，即第161比特為支路信息比特。

8-14正碼速調整原理8.3.3PCM高次群我國和一些歐洲國家采用30/32路系列，由30路PCM用戶話復用成一次群，傳輸速率為2.048Mb/s。圖8-15PCM30/32路系列數(shù)字復接的結構圖PDH系統(tǒng)的缺點：

1）不存在世界性標準的數(shù)字信號速率和幀結構標準

2）不存在世界性的標準光接口規(guī)范，無法在光路上實現(xiàn)互通和調配電路。

3）復接方式大多彩按位復接，不得于以字節(jié)為單位的現(xiàn)代信息交換。

4）準同步系統(tǒng)的復用結構復雜，缺乏靈活性，硬件數(shù)量大，業(yè)務費用高。

5）復用結構中用于網絡運行、管理和維護的比特很少。

SDH是由一些網絡單元(例如終端復用器TM、分插復用器ADM、同步數(shù)字交叉連接設備SDXC等)組成的，在光纖上進行同步信息傳輸、復用和交叉連接的網絡，其關鍵是：

(1)具有全世界統(tǒng)一的網絡節(jié)點接口(NNI)；

(2)有一套標準化的信息結構等級，稱為同步傳輸模塊(STM-1、STM-4、STM－16和STM-64)；

(3)幀結構為頁面式，具有豐富的用于維護管理的比特；

8.4同步數(shù)字體系（SDH）

(4)所有網絡單元都有標準光接口；

(5)有一套靈活的復用結構和指針調整技術，允許現(xiàn)有的準同步數(shù)字體系、同步數(shù)字體系和B-ISDN信號都能進入其幀結構，因而具有廣泛的適應性；

(6)大量采用軟件進行網絡配置和控制，使得功能開發(fā)、性能改變較為方便，以適應將來發(fā)展需要。為了比較PDH和SDH，這里以從140Mb/s碼源中分插一個2Mb/s支路信號的任務為例來加以說明，其工作過程如圖8-16所示。

圖8-16分插信號流圖的比較

SDH傳送網所傳輸?shù)男盘栍刹煌燃壍耐絺魉湍K(STM-N)信號所組成，N為正整數(shù)。ITU-T目前已規(guī)定的SDH同步傳輸模塊以STM-1為基礎，接口速率為155.520Mb/s。更高的速率以整數(shù)倍增加，為155.52×NMb/s，它的分級階數(shù)為STM-N，是將N個STM-1同步復用而成。8.4.2SDH的速率和幀結構表8-2SDH標準速率

下表給出了ITU-T建議G.707所規(guī)范的SDH接口速率標準。圖8-17STM-N幀結構

STM-N幀結構由再生段開銷(RSOH)、管理單元指針(AU-PTR)、復用段開銷(MSOH)和信息凈荷(Payload)幾部分組成。每一幀都是9行270×N列，每列寬度為一個字節(jié)(8比特)。幀周期為125μs。圖8-17STM-1的幀結構

信息的發(fā)送是先從左到右，再從上到下。每字節(jié)內的權值最高位在最左邊，稱比特1，它總是第一個發(fā)送。

在STM-1中，放凈荷的區(qū)域叫做虛容器VC-4，它是一種塊狀信息結構，重復周期為125μs。VC-4在SDH設備中是常用的信息處理模塊。從網絡功能來看，它用來支持SDH的通路層連接。類似于STM-N模塊，包括VC-4在內的所有VC-n均由它自身的凈荷及通路開銷(POH)組成。

8.4.3同步復用與映射方法

SDH復用的基本原則是將多個低等級信號適配進高等級通道，并將1個或多個高等級通道層信號適配進線路復用層。SDH是一種同步復用方式，它采用凈負荷指針技術，指針指示凈負荷在STM-N幀內第一個字節(jié)的位置，因而凈負荷在STM-N幀內是浮動的。對于凈負荷碼率變化不大的數(shù)據(jù)，只需增加或減小指針值即可。這種方法結合了正碼速調整法和固定位置映射法的優(yōu)點，付出的代價是需要對指針進行處理。

圖8-18SDH的一般復接結構

SDH的復接結構如下圖所示。所用的復用單元有：n階容器C-n、n階虛容器VC-n、n階支路單元TU-和支路單元組TU-n、n階管理單元AU-n和管理單元組AUG-n，n數(shù)值的大小表明階位的高低。

首先，各種速率等級的數(shù)據(jù)流先進入相應的不同接口容器C-n。容器C-n是一種信息結構，主要完成適配功能，讓那些最常使用的準同步數(shù)字體系信號能夠進入有限數(shù)目的標準容器。它為對應等級的虛容器VC-n形成相應的網絡同步信息凈負荷。由標準容器出來的數(shù)據(jù)流加上通道開銷后就構成了所謂的虛容器VC-n，這是SDH中最重要的一種信息結構，主要支持通道層連接。通道層又有低階通道和高階通道之分，高階通道由低階通道復用而成或直接由VC-4(VC-3)形成。

VC的包封速率是與網絡同步的，因而不同VC的包封是互相同步的，而包封內部卻允許裝載各種不同容量的準同步支路信號。除了在VC的組合點和分解點外，VC在SDH網中傳輸時總是保持完整不變，因而可以作為一個獨立的實體在通道中任一點取出或插入，進行同步復用和交叉連接處理，十分方便和靈活。由VC出來的數(shù)據(jù)流再按圖10-17規(guī)定路線進入管理單元或支路單元。

管理單元AU是一種為高階通道層和復用段層提供適配功能的信息結構，它由高階VC和AU-PTR組成。其中AUPTR用來指明高階VC(VC-3/4)的幀起點與復用段幀起點之間的時間差，但AU-PTR本身在STM-N幀內位置是固定的。一個或多個在