第三章 時分多路復用與復接技術

1 時分多路復用

    為了提高信道利用率,，使多個信號沿同一信道傳輸而互相不干擾,，稱多路復用。目前采用較 多的是頻分多路復用和時分多路復用,。頻分多路復用用于模擬通信,，例如載波通信，時分多 路復用用于數(shù)字通信,，例如PCM通信,。

     時分多路復用通信，是各路信號在同一信道上占有不同時間間隙進行通信,。由前述的抽樣理 論可知,，抽樣的一個重要作用，是將時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號,，其在信道上 占用時間的有限性,，為多路信號沿同一信道傳輸提供了條件。具體說,，就是把時間分成一些 均勻的時間間隙,，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隙，以達到互相分開,，互不干擾的目的,。圖3－1為時分多路復用示意圖，各路信號經(jīng)低通濾波器將頻帶限制在3400Hz以下,，然后加到快速電子旋轉(zhuǎn)開關(稱分配器)開關不斷重復地作勻速旋轉(zhuǎn),，每旋轉(zhuǎn) 一周的時間等于一個抽樣周期T，這樣就做到對每一路信號每隔周期T時間抽樣一次,。由此可 見,，發(fā)端分配器不僅起到抽樣的作用，同時還起到復用合路的作用,。合路后的抽樣信號送到 PCM編碼器進行量化和編碼，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，由收端分配器旋轉(zhuǎn)開關K2依次接通每一路信號,，再經(jīng) 低通平滑,，重建成話音信號,。由此可見收端的分配器起到時分復用的分路作用，所以收端分 配器又叫分路門,。
　

    當采用單片集成PCM編解碼器時,，其時分復用方式是先將各路信號分別抽樣、編碼,、再經(jīng)時 分復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,。

     要注意的是：為保證正常通信,，收、發(fā)端旋轉(zhuǎn)開關必須同頻同相,。同頻是指的旋轉(zhuǎn)速度要完全相同,，同相指的是發(fā)端旋轉(zhuǎn)開關連接第一路信號時，收端旋轉(zhuǎn) 開關K2也必須連接第一路,，否則收端將收不到本路信號,，為此要求收、發(fā)雙方必須保持嚴 格的同步,。時分復用后的數(shù)碼流示意圖示于圖3－2

1.1 時分復用中的同步技術

    時分復用通信中的同步技術包括位同步(時鐘同步)和幀同步,，這是數(shù)字通信的又一個重要特 點。位同步是最基本的同步,，是實現(xiàn)幀同步的前提,。位同步的基本含義是收、發(fā)兩端機的時 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)送端送來的每一個碼元。為了 達到收,、發(fā)端頻率同頻,、同相，在設計傳輸碼型時,，一般要考慮傳輸?shù)拇a型中應含有發(fā)送端 的時鐘頻率成分,。這樣，接收端從接收到PCM碼中提取出發(fā)端時鐘頻率來控制收端時鐘,，就 可做到位同步,。
　

    幀同步是為了保證收、發(fā)各對應的話路在時間上保持一致,，這樣接收端就能正確接收發(fā)送端 送來的每一個話路信號,，當然這必須是在位同步的前提下實現(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。

1.2 時分復用的幀結構

     現(xiàn)以PCM30/32路電話系統(tǒng)為例,，來說明時分復用的幀結構,，這樣形成的PCM信號稱為PCM一次 群信號。

     在討論時分多路復用原理時曾指出,，時分多路復用的方式是用時隙來分割的,，每一路信號分 配 一個時隙叫路時隙，幀同步碼和信令碼也各分配一個路時隙,。PCM30/32系統(tǒng)的意思是整個系 統(tǒng)共分為32個路時隙,，其中30個路時隙分別 用來傳送30路話音信號，一個路時隙用來傳送幀同步碼,，另一個路時隙用來傳送信令碼,。 圖3－3是CCITT建議G.732規(guī)定的幀結構。
　

    從圖中可看出,，PCM30/32路系統(tǒng)中一個復幀包含16幀,，編號為幀、幀……幀,，一復幀的時間為2毫秒,。每一幀(每幀的時間為125微秒)又包含有32個路時隙，其編號 為,，每個路時隙的時間為3.9微秒,。每一路時隙包含 有8個位時隙，其編號為,，每個位時隙的時間為0.488微秒,。 

     路時隙分別傳送第1路~第15路的信碼，路時隙分 別傳送第16路~第30路的信碼,。偶幀時隙傳送幀同步碼,，其碼型為{×0011011}。奇幀TS0時隙碼型為{×1A1SSSSS},，其中A1是對端告警碼,，A1=0時表示幀同步，A1=1時表示幀失步,；S為備用比特,，可用來傳送業(yè)務碼；×為國際備用比特或傳送循環(huán)冗余校 驗碼(CRC碼),，它可用于監(jiān)視誤碼,。幀時隙前4位碼為復幀同步碼，其碼型為 0000,；A2為復幀失步對告碼,。幀的時隙用來傳送30個話路的信 令碼。幀時隙前4位碼用來傳送第1路信號的信令碼,，后4位碼用來傳送第16 路信號的信令碼……,。直到幀時隙前后各4位碼分別傳送第15路、第30 路信號的信令碼,，這樣一個復幀中各個話路分別輪流傳送信令碼一次,。按圖3－3所示的幀 結構，并根據(jù)抽樣理論,，每幀頻率應為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(路時隙/幀)×8(bit/路時隙)=2048kbit/s=2.048Mbit/s

    PCM30/32路端機方框圖如圖3－4所示,。
　

    用戶的話音信號(發(fā)與收)采用二線制傳輸,，但端機的發(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,，用戶的話音信號需經(jīng)2/4線變換，也就是通過差動變量器(差動變量 器1~2端發(fā)送與4－1端接收的傳輸衰減越小越好,，而4－2端的衰減要越大越好,，以防止通路 振鳴)1~2端送入PCM端機的發(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)信號碼在匯總電 路里按PCM30/32系統(tǒng)幀結構排列，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進行整形,、再生，然后經(jīng)過碼型反變換,，恢復成原來的碼型,，再由分離 電路將PCM碼、信令碼,、幀同步碼,、數(shù)據(jù)信號碼分離,，分離出的話路信碼經(jīng)解碼、分路門恢 復出每一路的PCM信號,，然后經(jīng)低通平滑,，恢復成每一路的話音模擬信號，最后經(jīng)放大,、差 動變量器4~1端送至用戶,。再生電路所提取時鐘，除了用于抽樣判決,，識別每一個碼元外,， 還由它來控制收端定時系統(tǒng)產(chǎn)生收端所需的各種脈沖信號。

2 數(shù)字復接技術

    在頻分制載波系統(tǒng)中,，高次群系統(tǒng)是由若干個低次群信號通過頻譜搬移并疊加而成,。例如， 60路載波是由5個12路載波經(jīng)過頻譜搬移疊加而成,；1800路載波是由30個60路載波經(jīng)過頻譜 搬移疊加而成,。

     在時分制數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了擴大傳輸容量和提高傳輸效率,，常常需要將若干個低速數(shù)字 信號合并成一個高速數(shù)字信號流,，以便在高速寬帶信道中傳輸。數(shù)字復接技術就是解決PCM 信號由低次群到高次群的合成的技術,。

2.1 PCM復用與數(shù)字復接

    擴大數(shù)字通信容量有兩種方法,。一種方法是采用PCM30/32系統(tǒng)(又稱基群或一次群)復用的方 法。例如需要傳送120路電話時,，可將120路話音信號分別用8kHz抽樣頻率抽樣,，然后對每個 抽樣值編8位碼，其數(shù)碼率為8000×8×120=7680kbit/s,。由于每幀時間為125微秒,，每個路 時隙的時間只有1微秒左右，這樣每個抽樣值編8位碼的時間只有1微秒時間,，其編碼速度非 常高 ,，對編碼電路及元器件的速度和精度要求很高，實現(xiàn)起來非常困難,。但這種方法從原理上講 是可行的,，這種對120路話音信號直接編碼復用的方法稱PCM復用。另一種方法是將幾個(例 如4個)經(jīng)PCM復用后的數(shù)字信號(例如4個PCM30/32系統(tǒng))再進行時分復用,，形成更多路的數(shù)字 通信系統(tǒng),。顯然，經(jīng)過數(shù)字復用后的信號的數(shù)碼率提高了，但是對每一個基群編碼速度沒 有提高,，實現(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)字復用是采用數(shù)字 復接的方法來實現(xiàn)的,，又稱數(shù)字復接技術,。

     數(shù)字復接系統(tǒng)由數(shù)字復接器和數(shù)字分接器組成,，如圖3－5所示,。數(shù)字復接器是把兩個或兩個 以上的支路(低次群)，按時分復用方式合并成一個單一的高次群數(shù)字信號設備,，它由定時,、 碼速調(diào)整和復接單元等組成。數(shù)字分接器的功能是把已合路的高次群數(shù)字信號,，分解成原來 的低次群數(shù)字信號,，它由幀同步、定時,、數(shù)字分接和碼速恢復等單元組成,。 
　

    定時單元給設備提供一個統(tǒng)一的基準時鐘。碼速調(diào)整單元是把速率不同的各支路信號,，調(diào)整 成與復接設備定時完全同步的數(shù)字信號,，以便由復接單元把各個支路信號復接成一個數(shù)字流 。另外在復接時還需要插入幀同步信號,，以便接收端正確接收各支路信號,。分接設備的定時 單元是由接收信號中提取時鐘，并分送給各支路進行分接用,。

CCITT已推薦了兩類數(shù)字速率系列和復接等級,，兩類數(shù)字速率系列和數(shù)字復接等級分別如表3 －1和圖3－6所示。

表3－1 兩類數(shù)字速率系列

2.2數(shù)字信號的復接
　

    數(shù)字復接的方法主要有按位復接,、按字復接和按幀復接三種,。按位復接又叫比特復接，即復 接時每支路依次復接一個比特,。圖3－7(a)所示是4個PCM30/32系統(tǒng)時隙(CH1話路) 的碼字情況,。圖3－7(b)是按位復接后的二次群中各支路數(shù)字碼排列情況。按位復接方法簡 單易行,，設備也簡單,，存儲器容量小，目前被廣泛采用,，其缺點是對信號交換不利,。圖3－7 (c)是按字復接，對PCM30/32系統(tǒng)來說，一個碼字有8位碼,，它是將8位碼先儲存起來,，在規(guī) 定時間四個支路輪流復接，這種方法有利于數(shù)字電話交換,，但要求有較大的存儲容量,。按幀 復接是每次復接一個支路的一個幀(一幀含有256個比特)，這種方法的優(yōu)點是復接時不破壞 原來的幀結構,，有利于交換,，但要求更大的存儲容量。

2.3 數(shù)字復接中的碼速變換

    幾個低次群數(shù)字信號復接成一個高次群數(shù)字信號時,，如果各個低次群(例如PCM30 /32系統(tǒng))的時鐘是各自產(chǎn)生的,，即使它們的標稱數(shù)碼率相同，都是2048kbit/s,，但它們的瞬 時數(shù)碼率也可能是不同的,。因為各個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)的瞬時數(shù)碼率在2048kbit/s±100bit/s)，幾個低次群復接后的數(shù)碼就會產(chǎn)生重 疊或錯位,，如圖3－8所示,。 這樣復接合成后的數(shù)字信號流，在接收端是無法分接恢復成原來的低次群信號的,。因此,， 數(shù)碼率不同的低次群信號是不能直接復接的。為此,，在復接前要使各低次群的數(shù)碼率同步 ,，同時使復接后的數(shù)碼率符合高次群幀結構的要求。由此可見,，將幾個低次群復接成高次 群時,，必須采取適當?shù)拇胧哉{(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,，即同步復接和異步復接,。同步復接是用一個高穩(wěn)定的主 時鐘來控制被復接的幾個低次群，使這幾個低次群的碼速統(tǒng)一在主時鐘的頻率上,，這樣就 達 到系統(tǒng)同步的目的,。這種同步方法的缺點是主時鐘一旦出現(xiàn)故障，相關的通信系統(tǒng)將全部中 斷,。它只限于在局部區(qū)域內(nèi)使用,。異步復接是各低次群使用各自的時鐘。這樣，各低次群的 時鐘速率就不一定相等,，因而在復接時先要進行碼速調(diào)整,，使各低次群同步后再復接。

   不論同步復接或異步復接,，都需要碼速變換,。雖然同步復接時各低次群的數(shù)碼率完全一致 ，但復接后的碼序列中還要加入幀同步碼,、對端告警碼等碼元,，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)碼率為8448kbit/s,。按理說，PCM二次 群的數(shù)碼率是4×2048kbit/s=8192kbit/s,。當考 慮到4個PCM一次群在復接時插入了幀同步碼、告警碼,、插入碼和插入標志碼等碼元,，這此碼 元 的插入，使每個基群的數(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3－9所示,。每一個參與復接的數(shù)碼流都必須經(jīng)過一個碼速調(diào)整裝置 ，將瞬時數(shù)碼率不同的數(shù)碼流調(diào)整到相同的,、較高的數(shù)碼率,，然后再進行復接。

     碼速調(diào)整裝置的主體是緩沖存儲器,，還包括一些必要的控制電路,、輸入支路的數(shù)碼率=2.048Mbit/s±100bit/s，輸出數(shù)碼率為=2.112Mbit/s,。所謂正碼速調(diào)整就是因為而得名的,。

     假定緩存器中的信息原來處于半滿狀態(tài)，隨著時間的推移,，由于讀出時鐘大于寫入時 鐘,，緩存器中的信息勢必越來越少 ，如果不采取特別措施,，終將導致緩存器中的信息 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數(shù)降到規(guī)定數(shù) 量時 ,，就發(fā)出控制信號，這時控制門關閉,，讀出時鐘被扣除一個比特,。由于沒有讀出時鐘，緩存 器中的信息就不能讀出去,，而這時信息仍往緩存器存入,，因此緩存器中的信息就增加一個比 特。如此 重復下去,，就可將數(shù)碼流通過緩沖存儲器傳送出去,，而輸出信碼的速率則增加為 圖3－10中某支路輸入碼速率為，在寫入時鐘作用下,，將信碼寫入緩存器,，讀出 時鐘頻率是，由于,，所以緩存器是處于慢寫快讀的狀態(tài),，最后將會出現(xiàn)“取 空”現(xiàn)象。如果在設計電路時加入一控制門,，當緩沖存儲器中的信息尚未“取空”而快要“ 取空”時,，就讓它停讀一次。同時插入一個脈沖(這是非信息碼),，以提高碼速率,，如圖中① ②所示。從圖中可以看出,，輸入信碼是以的速率寫入緩存器,，而讀出脈沖是以速率 讀出，如圖中箭頭所示,。由于,，讀、寫時間差(相位差)越來越小,，到第6個脈沖 到來時,，與幾乎同時出現(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”,，這時就停讀一次，同時插入一個脈沖,，如圖中虛線所示,。 插入脈沖在何時插入是根據(jù)緩存器的儲存狀態(tài)來決定的,，可通過插入脈沖控制電路來完成。 儲存狀態(tài)的檢測可通過相位比較器來完成,。

     在收端,，分接器先將高次群信碼進行分接，分接后的各支路信碼分別寫入各自的緩存器,。 為了去掉發(fā)送端插入的插入脈沖(稱標志信號脈沖),，首先要通過標志信號檢出電路檢出標志 信號， 然后通過寫入脈沖扣除電路扣除標志信號,?？鄢藰酥拘盘柡蟮闹沸糯a的順序與原來信碼 的順 序一樣，但在時間間隔上是不均勻的,，中間有空隙如圖中③所示,。但從長時間來看，其平均 時間間隔,，即平均碼速與原支路信碼相同,，因此，在收端要恢復原支路信碼,，必須先 從圖中③波形中提取時鐘,。脈沖間隔均勻化的任務由鎖相環(huán)完成。鑒相器的輸入為已扣 除插入脈沖的,，另一個輸入端接輸出，經(jīng)鑒相,、低通和后獲得一個頻率 等于時鐘平均頻率的讀出時鐘,，從緩存器中讀出信碼。