《通信技术基础》课件第4章 信号多路复用与数字复接.ppt

1、4.1时分多路复用（时分多路复用（Time Ditision Multiple，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。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，叫做具体做法是：把通信过程划分为基本的时间间隔，叫做“帧帧”（也叫传输间期），每一帧时间根据通信路数划（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，叫做分为相应的小间隔，叫做“时隙时隙”。每一个。每一个“时隙时隙”依依次传输的一个信息单元如下图次传输的一个信息单元如下图4.6示：示：图4.6 时间间隔安排u例

2、如一个例如一个3路电话信号的时分复用过程，其框路电话信号的时分复用过程，其框图如下图图如下图4.7：图4.7 时分复用过程信道量化编码复用器解复用器解码123123抽样恢复抽样恢复抽样恢复抽样抽样抽样)(1tx)(2tx)(3tx1k2k)(1tx)(2tx)(3tx图4.8 工作过程波形)(1txt0STST2 3ST)(3txt0)(2txt0 t)(tx0 34ST37ST 32ST35ST37ST时隙帧1231223133 时分多路复用系统中的位同步时分多路复用系统中的位同步 u所谓时钟同步是使收端的时钟频率与发端的时钟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

3、制数字信号的数码率频率相同（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。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时分多路复用系统中的帧同步u帧同步是保证收发两端相应各话路要对准，即在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。接收端正确接收（区分）每一路信号。u把每帧的首尾辨别出来，就可正确区分每一路信把每帧的首尾辨别出来，就可正确区分每一路信号，即实现

4、帧同步。号，即实现帧同步。4 PCM3032路系统的构成框图路系统的构成框图u在前面讨论的抽样、量化、编解码及时分多路在前面讨论的抽样、量化、编解码及时分多路复用等基本原理的基础上，下面介绍复用等基本原理的基础上，下面介绍PCM3032路系统基本构成，如图路系统基本构成，如图4.11所示。所示。5 PCM3032路系统路系统1 PCM3032路系统帧结构路系统帧结构u图图4.9是是PCM3032路系统（称为基群，也叫一次群）的帧路系统（称为基群，也叫一次群）的帧结构图。结构图。图图4.9 PCM3032路系统路系统帧结构图帧结构图12340TS5678910 11 12 13 14 15 16

5、 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F1516帧、2ms32时 隙 256bit、125s10011011000011111010111111帧 定 位 时 隙复 帧 定 位 码 组保 留 给 国 际 用(目 前 固 定 为 1)保 留 给 国 内 用奇帧识别码帧对告码奇 帧 TS0偶帧 TS0第 1 15话 路话 音 信 息 时 隙标志信号时隙第 16 29话 路话 音 信 息 时 隙x1x2x3x4x5x6x7x8第 30话 路话 音 信 息 时 隙段 内 码极性码复

6、 帧 定位 码 组复 帧 对 告和 备 用 比特abcdabcd第 1路第 16路abcdabcd第 2路第 17路abcdabcd第 15路第 30路F15F2F1F0段 落 码图图4.10 PCM3032路系统路系统帧结构图帧结构图图4.11 PCM3032路系统图u话音信号根据原话音信号根据原CCITT建议采用建议采用8kHz抽样，抽样，抽样周期为抽样周期为125s，所以一帧的时间（即帧周，所以一帧的时间（即帧周期）期）T125s。每一帧由。每一帧由32个路时隙组成（每个路时隙组成（每个时隙对应一个样值，一个样值编个时隙对应一个样值，一个样值编8位码），位码），其中：其中：30个话路时隙

7、个话路时隙(TS1TS15，TS17TS31)帧同步时隙帧同步时隙(TS0)信令与复帧同步时隙信令与复帧同步时隙(TS16)4.2 数字复接的概念和方法数字复接的概念和方法4.2.1 数字复接数字复接1.数字复接的基本概念数字复接的基本概念uPCM复用和同步数字复接复用和同步数字复接u扩大数字通信容量方法通常有两种：扩大数字通信容量方法通常有两种：PCM复用和数字复复用和数字复接。接。PCM复用复用u所谓所谓PCM复用就是直接将多路信号编码复用。即将多路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模拟话音信号按125s的周期分别进行抽样，然后合在一的周期分别进行抽样，然后合在一起统一

8、编码形成一个多路数字信号（低次群信号）。起统一编码形成一个多路数字信号（低次群信号）。数字复接数字复接u数字复接是将几个低次群在时间的空隙上迭加合成高次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。图次群等。图4.12是同步数字复接的原理示意图。是同步数字复接的原理示意图。图图4.12 同步同步数字复接的原理示意图。数字复接的原理示意图。4.2.2 同步数字复接的实现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

9、种方法：按位复接、按方法：按位复接、按字复接和按帧复接。字复接和按帧复接。1 按位复接按位复接u这是目前最常用的一种方式，这是目前最常用的一种方式，这种方式依次复接每一支路这种方式依次复接每一支路的一位码，的一位码，即在发送端将四个支路的数字信号以比特为单即在发送端将四个支路的数字信号以比特为单位，位，依次轮流发往信道；依次轮流发往信道；在接收端按发送端的发送结构依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，次从码流中检出各支路的码元，并分送到相应的支路，并分送到相应的支路，使使各支路恢复相应的帧结构。如下图各支路恢复相应的帧结构。如下图4.13所示。按位复接是每所示。按位复接是每

10、次复接各低次群（也称为支路）的一位码形成高次群。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 按字复接按字复接u在在PCM基群帧结构中，基群帧结构中，一个路时隙有一个路时隙有8位码元。位码元。按码字复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，接就是指每次按顺序复接每一支路的一个路时隙，即即8位码。位码。这种方式有利于多路合成的处理与交换，这种方式有利于多路合成的处理与交换，但循环周期长，但循环周期长，要求有较大的存储容量，要求有较大的存储容量，电路也比较复杂。电路也比较复杂。3 按帧复接按帧复接u按帧复接就是指每次复接一个支路的一帧码元（

11、每一帧含按帧复接就是指每次复接一个支路的一帧码元（每一帧含有有256个码元）。个码元）。这种方法不破坏原来各个支路的帧结构，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，有利于信息的交换处理，但与按字复接相比其循环周期更但与按字复接相比其循环周期更长，长，要求更大的存储容量和更复杂的设备，要求更大的存储容量和更复杂的设备，目前也很少应目前也很少应用。用。4 数字复接的同步数字复接的同步u数字复接要解决两个问题，即同步和复接。数字复接要解决两个问题，即同步和复接。u数字复接的数字复接的同步指的是被复接的几个低次群的数码率同步指的是被复接的几个低次群的数码率相同相同。u如图如图4.15

12、所示如果低次群的数码率不同，复接时会产生所示如果低次群的数码率不同，复接时会产生重叠和错位。（读者可对比一下图重叠和错位。（读者可对比一下图4.12中当低次群的数中当低次群的数码率相同时复接的情况）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低次群的数码率不相同情况复接复接5 数字复接的方法及系统构成数字复接的方法及系统构成（1）数字复接的方法）数字复接的方法u如果复接器输入端的各支路信号与本机定时信号是同步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，称为的，称为同步同步复接器。复接器。如果不是同步的，则称为如果不是同步的，则称为异步异步复复接器。如果输入支路数字信号与本

13、机定时信号标称速率接器。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，相同，但实际上有一个很小的容差，这种复接器称为这种复接器称为准准同步同步复接器。复接器。u同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个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

14、的缺点是一旦主时钟发进行码速变换）。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。局部地区使用。u异步复接是各低次群各自使用自己的时钟，由于各低次群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（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。得同步，再复接。PDH大多采用异步复接。大多采用异步复接。（2）异步数字复接系统的

15、构成）异步数字复接系统的构成u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，如例图组成，如例图4.16所示所示。图图4.16 异步异步数字复数字复接系统接系统u数字复接器的功能是把四个支路（低次群）合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。换）和复接等单元组成的。定时单元定时单元给设备提给设备提供统一的基准时钟（它备有内部时钟，也可以供统一的基准时钟（它备有内部时钟，也可以由外部时钟推动）。由外部时钟推动）。码速调整码速调整（若是同

16、步复接（若是同步复接时是码速变换）时是码速变换）单元单元的作用是把各输入支路的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），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。元将几个低次群合成高次群。u数字分接器的功能是把高次群分解成原来的低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、分接和恢复等单元次群，

17、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，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然后通过恢复单元把它们恢复成原来的低次群信号。信号。u图图4.17是是PCM二次群同步复接二次群同步复接/分接方式的例分接方式

18、的例子。子。图4.17 PCM二次群同步复接方式例子（2）异步复接）异步复接(也即准同步复接也即准同步复接)u码速调整技术的分类码速调整技术的分类 码速调整技术可分为正码速调整、正负码速调整码速调整技术可分为正码速调整、正负码速调整和正和正/零零/负码速调整三种。其中正码速调整应用最负码速调整三种。其中正码速调整应用最普遍。普遍。u码速调整与恢复的方法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群的速率由2048kbits左右统一调整成左右统一调整成2112kbits。接收端进行码速恢复，通过去掉插入的码元，将各接收端

19、进行码速恢复，通过去掉插入的码元，将各一次群的速率由一次群的速率由2112kbits还原成还原成2048kbits左右。左右。u正码速调整的含义是使调整以后的速率比任一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。支路可能出现的最高速率还要高。例如二次群例如二次群码速调整后每一支路速率均为码速调整后每一支路速率均为2112 kb/s，而一，而一次群调整前的速率在次群调整前的速率在2048 kb/s上下波动，但总上下波动，但总不会超过不会超过2112 kb/s。根据支路码速的具体变化。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，使情况，适当地在各支路插入一

20、些调整码元，使其瞬时码速都达到其瞬时码速都达到2112 kb/s(这个速率还包括这个速率还包括帧同步、业务联络、帧同步、业务联络、控制等码元控制等码元)，这是正码这是正码速调整的任务。码速恢复过程则把因调整速率速调整的任务。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。出原来的支路码流。图4.18 正码速调整原理 u这个正码速调整原理可用图这个正码速调整原理可用图4.18来说明。具体工作过程，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输入缓存器的支路信码是由时钟频率2048kHz写入的，而写入的，而从缓存

21、器读出信码的时钟是由复接设备提供的，其值为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，由于写入慢、读出快，在某个时刻就会把缓存器读空。器读空。缓存器相位比较器读时钟控制插入请求停读指令合成塞 塞入 入标 脉志 冲131211,CCC1V输入支路信码2048Kbit/s输出支路码流2112Kbit/s写入时钟=2048KhzLf读出时钟=2112KhzHfu正码速调整的具体实施正码速调整的具体实施:例如基群复接为二次群的异步例如基群复接为二次群的异步复接系统时中，是以每复接系统时中，是以每212 bit为一个码速调整段。其为一个码速调

22、整段。其码速调整帧结构图码速调整帧结构图 4-.19 所示。共分成所示。共分成4组，每组都是组，每组都是53个比特，第个比特，第1组的前组的前3个比特个比特F11、F12、F13用于帧用于帧同步和管理控制，后同步和管理控制，后3组的第一个比特组的第一个比特C11、C12、C13作为塞入比特（码速调整控制比特），第作为塞入比特（码速调整控制比特），第4组第组第2比特比特V1作为码速调整比特。作为码速调整比特。具体做的时候，具体做的时候，在第在第1组的末组的末了进行是否需要调整的判决了进行是否需要调整的判决(即比相即比相)，若需要调整，若需要调整，则在则在C11、C12、C13位置上插入位置上插入

23、3个个“1”码，码，V1仅仅作仅仅作为速率调整比特，不带任何信息，故其值可为为速率调整比特，不带任何信息，故其值可为“1”，也可为也可为“0”；若不需调整，若不需调整，则在则在C11、C12、C13位置位置上插入上插入3个个“0”码，码，V1位置仍传送信码。那么，位置仍传送信码。那么，是根是根据什么来判断需要调整或不需要调整。据什么来判断需要调整或不需要调整。(b)F11F12F134C11C12C13V1212bit2组 53bit3组 53bit4组 53bit1组 53bit信 码信 码信 码信 码(a)F11F21F31F41F13F23F33F42C11C21C31C41C12C22

24、C32C42C13C23C33C43V1V2V3V4帧 同 步 码告警备用212162159108106555321213217424129636615818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 u在复接端，写脉冲在复接端，写脉冲 和读脉冲和读脉冲 存在一个细微的相位差，且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，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志信号发生器收到请求后发出11

25、1送给接收端。插入请求发出送给接收端。插入请求发出一个指令，在一个指令，在V1位加入塞入脉冲，通过图位加入塞入脉冲，通过图4.18中的比较器可中的比较器可以做到缓存器快要读空时发出一指令，命令以做到缓存器快要读空时发出一指令，命令2112 kHz时钟停时钟停读一次，使缓存器中的存储量增加，读一次，使缓存器中的存储量增加，而这一次停读就相当于而这一次停读就相当于使图使图4.19(a)的的V1比特位置没有置入信码而只是一位作为码速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）。调整的比特码（即塞入脉冲）。u图图4.19(a)调整段（帧结构）的意义就是每调整段（帧结构）的意义就是每

26、212比特比相一次，比特比相一次，即作一次是否需要调整的判决。即作一次是否需要调整的判决。判决结果需要停读，判决结果需要停读，V1就是就是调整比特；不需要停读，调整比特；不需要停读，V1就仍然是信码。这样一来就把在就仍然是信码。这样一来就把在2048 kbit/s上上下波动的支路码流都变成同步的上上下波动的支路码流都变成同步的2112kbit/s码码流。流。HfLfu在复接器中，每个支路都要经过正码速的调整。由于各支在复接器中，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路的读出时钟都是由复接器提供的同一时钟2112kHz 所以所以经过这样调整，就使经过这样调整

27、，就使4个支路的瞬时数码率都相同，即均为个支路的瞬时数码率都相同，即均为2112 kb/s，故一个复接帧长为，故一个复接帧长为8448 bit(二次群），二次群），其帧结其帧结构如图构如图4.19(b)所示。图所示。图 4.19(b)是由图是由图4.19(a)所示的所示的4个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，比特复接，就是将复接开关每旋转一周，在各个支路取出就是将复接开关每旋转一周，在各个支路取出一个比特。一个比特。也有按字复接的，也有按字复接的，即开关旋转一周，在各支路即开关旋转一周，在各支路上取出一字节。上取出一

28、字节。u在数字复接器中，复接单元输入端上各支路信号必须是同在数字复接器中，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。一定的帧结构排列起来，即可实现数字合路复接功能。u在分接侧码速恢复时，就要识别在分接侧码速恢复时，就要识别V1到底是信码还是调整比到底是信码还是调整比特；特；如果是信码，如果是信码，将其保留；如果是调整比特，将其保留；如果是调整比特，就将其就将

29、其舍弃。舍弃。这可通过这可通过C11、C12、C13来决定。因为复接时已约来决定。因为复接时已约定，若比相结果无需调整，定，若比相结果无需调整，C11、C12、C13为为000；若比若比相结果要调整，相结果要调整，C11、C12、C13为为111，所以码速恢复时，所以码速恢复时，根据根据C11、C12、C13是是111还是还是000就可以决定就可以决定V1应舍去还应舍去还是应保留。是应保留。从原理上讲，从原理上讲，要要识别识别V1是信码还是调整比特是信码还是调整比特，只要只要1位码就够了。这里用位码就够了。这里用3位码主要是为了提高可靠性。位码主要是为了提高可靠性。如果用如果用1位码，位码，这

30、位码传错了，这位码传错了，就会导致对就会导致对V1的错误处置。的错误处置。例如用例如用“1”表示有调整，表示有调整，“0”表示无调整，表示无调整，经过传输若经过传输若“1”错成错成“0”，就会把调整比特错当成信码；反之，若，就会把调整比特错当成信码；反之，若“0”错成错成“”，就会把信码错当成调整比特而舍弃。现在用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，位码，采用大数判决，即即“1”的个数比的个数比“0”多认定是多认定是3个个“”码；码；反之，则认定反之，则认定 3 个个“0”码。码。这样，即使传输中这样，即使传输中错一位码，错一位码，也仍然能正确判别也仍然能正确判别V

31、1的性质的性质。(3)复接等级和速率系列复接等级和速率系列u准同步数字体系准同步数字体系(Plesiochronous Digital(Plesiochronous Digital Hierarchy,PDH)Hierarchy,PDH)）国际上主要有两大系列的准同步数字体系，都经原国际上主要有两大系列的准同步数字体系，都经原CCITTCCITT推荐，即推荐，即PCM24PCM24路系列和路系列和PCM30PCM303232路系列。北路系列。北美和日本采用美和日本采用1.544Mbit1.544Mbits s作为第一级速率（即一次作为第一级速率（即一次群）的群）的PCM24PCM24路数字系列

32、，但两家又略有不同；欧洲路数字系列，但两家又略有不同；欧洲和中国则采用和中国则采用2 2.048048MbitMbits s作为第一级速率（即一次作为第一级速率（即一次群）的群）的PCMPCM30303232路数字系列。路数字系列。u在表在表4.1中，中，二次群二次群(以以30/32路作为一次群为例路作为一次群为例)的标的标准速率准速率8448 kb/s20484=8192 kb/s。其他高次群其他高次群复接速率也存在类似问题。复接速率也存在类似问题。这些多出来的码元是用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。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

33、图 表表 4-1 两种标准系列和高次群速率两种标准系列和高次群速率 5020301615u在大容量通信系统中，高次群失步必然会引起低次群的在大容量通信系统中，高次群失步必然会引起低次群的失步。所以为了使系统能可靠工作，四次群异步复接调失步。所以为了使系统能可靠工作，四次群异步复接调整控制比特整控制比特Cj为为5个，五次群的个，五次群的Cj为为6个比特个比特(二、三次群二、三次群都是都是3个比特个比特)。这样安排的结果，由于误码而导致对这样安排的结果，由于误码而导致对V1比特的错误处理的概率就会更小，从而保证大容量通信比特的错误处理的概率就会更小，从而保证大容量通信系统的稳定可靠工作。系统的稳定可靠工作。u复接后的大容量高速数字流可以通过电缆、光纤、微波、复接后的大容量高速数字流可以通过电缆、光纤、微波、卫星等信道传输。光纤将取代电缆，卫星利用微波段传卫星等信道传输。光纤将取代电缆，卫星利用微波段传输信号。输信号。因此，大容量的高速数字流主要是通过光纤和因此，大容量的高速数字流主要是通过光纤和微波来传输的。微波来传输的。经济效益分析表明，经济效益分析表明，二次群以上用光二次群以上用光纤、微波传输都是合算的。纤、微波传输都是合算的。