《ch时分多路复用》PPT课件.ppt

第第4章章 多路复用技术（多路复用技术（2）4.4 同步时分多路复用（同步时分多路复用（TDM）4.4.1 TDM原理原理 4.4.2 TDM数据复用方式数据复用方式4.5 统计时分多路复用（统计时分多路复用（STDM）4.5.1 STDM原理原理 4.5.2 STDM帧结构帧结构4.6 多路复用技术的比较多路复用技术的比较 4.6.1 时分多路复用与频分多路复用的比较时分多路复用与频分多路复用的比较 4.6.2 比特交错和字符交错复用方式的比较比特交错和字符交错复用方式的比较 4.6.3 同步时分复用与统计（异步）时分复用的比较同步时分复用与统计（异步）时分复用的比较4.4 时分多路复用（时分多路复用（TDM）FDM：以以频率频率作为分割信号的参量；采作为分割信号的参量；采用模拟技术，对计算机通信不太合适。用模拟技术，对计算机通信不太合适。TDM：以以时间时间作为分割信号的参量；即作为分割信号的参量；即信号在时间位置上分开但它们能占用的信号在时间位置上分开但它们能占用的频带是重叠的。当传输信道所能达到的频带是重叠的。当传输信道所能达到的数据传输速率超过了传输信号所需的数数据传输速率超过了传输信号所需的数据传输速率时即可采用据传输速率时即可采用TDM；4.4 同步时分多路复用（同步时分多路复用（TDM）TDM：完全由数字线路实现，近几年得完全由数字线路实现，近几年得到广泛应用。到广泛应用。时分复用又分为时分复用又分为同步同步时分复用和时分复用和异步异步时时分复用。分复用。4.4.1 TDM原理原理 4.4.2 TDM数据复用方式数据复用方式 低通滤波器1低通滤波器2低通滤波器n1低通滤波器n基带信号m1(t)m2(t)mn-1(t)mn(t)信道m1mmn-1mn发送端接收端时分复用系统示意图(t)(t)(t)(t)时分多路复用器43214321图图4-15 同步时分多路复用同步时分多路复用S4S3S2S1S4S3S2S1多路解复用器同步多路电子开关同步多路电子开关t1t2同步时分多路复用（同步时分多路复用（TDM）4.4.1 TDM4.4.1 TDM原理原理1.TDM基本原理：基本原理：其理论基础是基于抽样定理其理论基础是基于抽样定理（Sampling Theorem）。）。因为抽样定理使得时因为抽样定理使得时间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能。间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能。抽样定理抽样定理：一个频带限制在（一个频带限制在（0,fmax）内的）内的时间时间连续信号连续信号m(t),如果以不低于如果以不低于2fmax的速率进行抽样，的速率进行抽样，则则m(t)可由抽样值完全确定。即：可由抽样值完全确定。即：若若fs=2fmax（fs代表采样频率代表采样频率 fmax为最高频为最高频率率）则理论上就有一种方法能用采样后的离散信号则理论上就有一种方法能用采样后的离散信号完全无失真地恢复原来的信号完全无失真地恢复原来的信号图图4-11 抽样定理示意图抽样定理示意图TDM原理原理抽样频率太低抽样频率太低抽样频率高抽样频率高关键问题：关键问题：收发双方的同步收发双方的同步复用器中的电子开关是关键部件复用器中的电子开关是关键部件TDM工作特点：工作特点：通信双方是按照预先指定的时间进行数通信双方是按照预先指定的时间进行数据传输的而且这种时间关系是固定不变的据传输的而且这种时间关系是固定不变的 某一时刻某一时刻而言，信道上仅传送一对设备之而言，信道上仅传送一对设备之间的信号而不是多路复用信号间的信号而不是多路复用信号某一时间段某一时间段而言，信道上传送多路复用信而言，信道上传送多路复用信号号TDM2.2.同步同步TDMTDM中的基本概念中的基本概念（1）帧：）帧：TDMTDM传送信号时，将通信时间分传送信号时，将通信时间分成一定长度的帧。每一帧又被分成若干时成一定长度的帧。每一帧又被分成若干时间片。即一帧由若干个时间片组成。间片。即一帧由若干个时间片组成。帧中的每个时间片是预先分配给某个数据源的，帧中的每个时间片是预先分配给某个数据源的，且这种关系固定不变。不论有无数据需要发送，且这种关系固定不变。不论有无数据需要发送，所有数据源的时间片都会被占有；所有数据源的时间片都会被占有；在具有在具有N路输入系统中，路输入系统中，每个帧至少含有每个帧至少含有N个时间片个时间片。Synchronous TDM：不是因为不是因为使用了同步传使用了同步传输，输，而是因为而是因为时间片是预先分配给数据源且固定时间片是预先分配给数据源且固定不变的。不变的。帧内时间片数帧内时间片数=通道数通道数 (m=n)帧数帧数=信号源中信号最多的数量信号源中信号最多的数量 (z=simax)图图4-17 同步时分多路复用帧的传输同步时分多路复用帧的传输时分多路复用器S4S3S2S11234123412344路输入信号路输入信号每帧含有每帧含有4个时间片个时间片帧帧n帧帧2帧帧1Time分配给某一设备的时间片在一帧中的位置是固定的（意味着多路开关是单向扫描的），这些就构成了该设备的传输通道2.同步TDM中的基本概念2.2.同步同步TDMTDM中的基本概念中的基本概念 低通滤波器1低通滤波器2低通滤波器n1低通滤波器n基带信号m1(t)m2(t)mn-1(t)mn(t)信道m1mmn-1mn发送端接收端时分复用系统示意图(t)(t)(t)(t)同步同步（2）交错：）交错：同步时分多路复用器关键部件是同步时分多路复用器关键部件是高速的电子开关；当开关移动到某个设备前，高速的电子开关；当开关移动到某个设备前，该设备就有机会向公共通路传输该设备就有机会向公共通路传输规定大小规定大小的数的数据。据。开关的这种以固定的速率和固定的顺序在开关的这种以固定的速率和固定的顺序在设备间的移动过程就称作设备间的移动过程就称作交错交错；交错可以按交错可以按 bit/byte/Data block 交错过程：交错过程：2.同步TDM中的基本概念时分多路复用器DDDCCBAAAD C B A4路输入信号路输入信号每帧含有每帧含有4个时间片个时间片帧帧2帧帧1D CADA帧帧3图图4-18同步时分多路复用交错过程同步时分多路复用交错过程2.同步TDM中的基本概念（3）帧定位比特：）帧定位比特：在每帧的开始附加一个在每帧的开始附加一个或多个同步比特，以便于解复用器根据输入信或多个同步比特，以便于解复用器根据输入信息进行同步，从而精确地分离各时间片。控制息进行同步，从而精确地分离各时间片。控制信息使用的是可以识别的比特模式：信息使用的是可以识别的比特模式：101010（4）比特填充：）比特填充：同步不同传输速率的数据同步不同传输速率的数据源源，使得不同数据源间速率匹配（近似呈整数，使得不同数据源间速率匹配（近似呈整数倍关系），倍关系），主要是通过复用器在设备的数据流主要是通过复用器在设备的数据流中插入附加的比特。中插入附加的比特。2.同步TDM中的基本概念同步同步TDM标准标准主要采用一种脉冲编码调制的技术主要采用一种脉冲编码调制的技术 PCM(Pulse Coded Modulation)PCM电话系统是时分多路电话系统是时分多路PCM系统的一系统的一种最重要的应用。种最重要的应用。现在现在PCM没有统一的标准，各个国家使用没有统一的标准，各个国家使用了各种互不兼容的方法。了各种互不兼容的方法。北美和日本的技术：北美和日本的技术：T1线路（线路（24）ITU-T推荐的推荐的TDM标准：标准：E1线路（线路（30）4.4.2 TDM数据复用方式根根据据每每个个时时间间片片中中存存放放的的内内容容不不同同，在在时时分分多多路路复复用用器器中中，数数据据复复用用方方式式分分为为三三种种，即即比特交错法比特交错法字符交错法字符交错法码组交错法码组交错法比特交错法比特交错法：比特交错技术主要用于比特交错技术主要用于同步的数据源，它的每个时间片仅含有某个数据源的，它的每个时间片仅含有某个数据源的一个比特。一个比特。传输特点：传输特点：这种方式按照被复用的这种方式按照被复用的支路顺序和各支路中支路顺序和各支路中各自的比特顺序各自的比特顺序每次仅复用一个比特的数据每次仅复用一个比特的数据比特交错时分复用器在高速传送的数据信号比特交错时分复用器在高速传送的数据信号集合帧里，每一个时隙仅传送一个低速信道集合帧里，每一个时隙仅传送一个低速信道的的1比特数据或传送比特数据或传送1比特帧同步信息。比特帧同步信息。1.比特交错法时分多路复用器S1b11b12b13b144路输入信号路输入信号每帧含有每帧含有4个时间片个时间片帧帧2帧帧1S2S3S4 b2 b1b21b22b23b24比特交错法 比特交错法基本原理框图比特交错法基本原理框图字符交错法：字符交错法：主要用于主要用于异步的数据源异步的数据源,字符字符交错是交错是以一个字符为单位进行复用以一个字符为单位进行复用。即它的即它的每个时间片包含每个时间片包含某个数据源的某个数据源的一个字符数据一个字符数据或同步信息。或同步信息。传输特点：每每个个时时间间片片传传输输1 1路路信信号号中中的的1 1个个字字符符（数数据据/同同步步信信息息），典典型型状状况况下下每每个个字字符符的的起起始始位和停止位在传输之前被清除位和停止位在传输之前被清除2.字符交错法时分多路复用器S1A1SFB1M1m路输入信号路输入信号每帧含有每帧含有m个时间片个时间片帧帧2帧帧1S2SmCn Ci c2 c1A2SFB2M2An Ai A2 A1Bn Bi B2 B1Mn Mi M2 M1帧帧iAiSFBiMi字符交错法 字符交错法基本原理框图字符交错法基本原理框图帧结构：SFSF帧帧同同步步头头,Mi,Mi代代表表第第M M路路信信号号中中的的第第i i个个符符号号优缺点：适适合合于于异异步步的的数数据据源源，但但缓缓存存容容量量与比特交错技术相比较大与比特交错技术相比较大MiBiAiSF字符交错法码组交错法：码组交错法：码组交错技术按某一码组交错技术按某一码字码字长度（若干比特）为单位进行复用，即长度（若干比特）为单位进行复用，即每个时间片包含某个数据源的一个码字每个时间片包含某个数据源的一个码字（可能是一个比特，一个字符或更多比（可能是一个比特，一个字符或更多比特）特）基本原理框图：基本原理框图：3.码组交错法时分多路复用器S1M1SFA1B1m路输入信号路输入信号每帧含有每帧含有m个时间片个时间片帧帧2帧帧1S2SmFn Fi F2 F1M2SFA2B2An Ai A2 A1Bn Bi B2 B1Mn Mi M2 M1帧帧iMiSFAiBi 码组交错法基本原理框图码组交错法基本原理框图码组交错法帧结构：帧结构：SFSF代代表表帧帧同同步步标标志志 MiMi代代表表第第M M路路输输入入的的第第i i个码字个码字传输特点：传输特点：每每个个时时间间片片传传输输一一个个码码字字/子子帧帧，与与比比特特交交错技术相比误码率较低错技术相比误码率较低 MiBiAiSF实例实例:同步同步TDMS4S3S2S1时分多路复用器AAAAACCCAC 帧帧1CA 帧帧2CA 帧帧3A 帧帧4A 帧5 同步同步TDM实例实例计算题计算题例4.1 五个信源通过同步五个信源通过同步TDM复用在一起。复用在一起。每个信源每秒产生每个信源每秒产生 100个字符。假设采用个字符。假设采用字符交错技术而且每帧需要一个比特同步。字符交错技术而且每帧需要一个比特同步。帧速率是多少？通路上的比特率是多少？帧速率是多少？通路上的比特率是多少？并求出该系统的传输效率。并求出该系统的传输效率。解：（1）已知每个信源每秒产生）已知每个信源每秒产生 100个字符，而个字符，而每一帧容纳每个信源的一个字符，由此可知该系每一帧容纳每个信源的一个字符，由此可知该系统的帧速率是统的帧速率是100帧帧/秒。秒。（2）如果假设每个字符为）如果假设每个字符为8位，因此每帧有位，因此每帧有85=40位，再加上每帧有一位帧定位比特，所以位，再加上每帧有一位帧定位比特，所以每帧的长度为每帧的长度为41位。由此可计算出通路上的比特位。由此可计算出通路上的比特率是率是41位位/帧帧100帧帧/秒秒=4100bps。（3）要想计算传输效率，已知通路上的比特率为要想计算传输效率，已知通路上的比特率为=4100bps，而各通道上传输有用数据的总合为而各通道上传输有用数据的总合为81005=4000bps。由此可计算出该系统的效率由此可计算出该系统的效率为为97.6%。4.5 异步时分多路复用异步时分多路复用TDM缺点：缺点：资源浪费资源浪费原因：原因：帧中时间片与用户一一对应，用户帧中时间片与用户一一对应，用户没有数据发送时也占用这个时间片，因而没有数据发送时也占用这个时间片，因而浪费资源。浪费资源。STDM为了提高时隙的利用率，可以采用为了提高时隙的利用率，可以采用按需分配按需分配时隙的技术，以避免每帧中出现空闲时隙的时隙的技术，以避免每帧中出现空闲时隙的现象现象。以这种动态分配时隙方式工作的技术。以这种动态分配时隙方式工作的技术称为称为统计时分多路复用统计时分多路复用(STDM)或称或称异步异步TDM（ATDM）或智能或智能TDM（ITDM）Asynchronous TDMIntelligent TDMA2A4B3B4C1C3D2D3统计统计时分时分多路多路复用复用器器C1A2D2B3C3D3A4B4帧帧1帧帧3帧帧2帧帧4SASBSCSD图图4-16 帧长不固定的帧长不固定的STDM 4.5.1 STDM基本原理基本原理STDM系统复用器（解复用器）的一侧与几系统复用器（解复用器）的一侧与几条低速线路相连，另一侧是高速复用线路；条低速线路相连，另一侧是高速复用线路；每条低速线路都有一个与之相联系的每条低速线路都有一个与之相联系的I/O缓缓冲区冲区。发送端：发送端：复用器首先扫描各条低速线路（输复用器首先扫描各条低速线路（输入缓冲区），将输入数据组织成入缓冲区），将输入数据组织成STDM帧；帧；STDM帧长度可以是固定的也可以是不固定帧长度可以是固定的也可以是不固定的；时间片位置也可以是不固定的的；时间片位置也可以是不固定的；所以每；所以每帧不仅包含数据，还有帧不仅包含数据，还有地址信息地址信息（每个时间（每个时间片所对应数据都带地址）。片所对应数据都带地址）。接收端：接收端：解复用器根据解复用器根据STDM帧结构将时隙帧结构将时隙数据分发给合适的输出缓冲区，直到输出数据分发给合适的输出缓冲区，直到输出设备；设备；STDM帧的每个时隙存在额外的开销。帧的每个时隙存在额外的开销。实例实例:帧长度固定的帧长度固定的STDM时分多路复用器S5S4S3S2AACACACAS1AAAAACCC情况情况1：两条输入线路发送数据：两条输入线路发送数据时分多路复用器S5S4S3S2E C AE C AE C AS1AAAAACCCC情况情况2：三条输入线路发送数据：三条输入线路发送数据EEEA C A时分多路复用器S5S4S3S2A E DC A ED C AS1AAAAACCCC情况情况3：四条输入线路发送数据：四条输入线路发送数据EEEE D CDDDA C A时分多路复用器S5S4S3S2D C BA E DC B AS1AAAAACCCC情况情况4：五条输入线路发送数据：五条输入线路发送数据EEEA C ADDDE D CB A EBBB4.5.2 STDM帧结构帧结构 STDM所使用的帧结构对系统性能有一定的所使用的帧结构对系统性能有一定的影响，一般应尽量减少用于管理的附加信影响，一般应尽量减少用于管理的附加信息，将额外开销比特压缩到最小，以改善息，将额外开销比特压缩到最小，以改善吞吐能力。吞吐能力。通常通常STDM系统使用诸如系统使用诸如HDLC规程（详见规程（详见第第8章）的通信协议。如果使用章）的通信协议。如果使用HDLC帧，帧，那么数据帧中必须含有复用操作的控制位那么数据帧中必须含有复用操作的控制位。STDM的两种帧格式的两种帧格式；1。每帧一源的格式，帧中只包含一个数据。每帧一源的格式，帧中只包含一个数据源的数据及其地址信息。数据字段的长度源的数据及其地址信息。数据字段的长度是可变的，并且数据字段的结束就标志着是可变的，并且数据字段的结束就标志着整个帧的结束。在负荷不重的情况下这种整个帧的结束。在负荷不重的情况下这种机制的表现良好，但在负荷较重时效率就机制的表现良好，但在负荷较重时效率就很低。很低。2。每帧多源的情况。这种方法允许在一个。每帧多源的情况。这种方法允许在一个帧中压缩多个数据。此时，除了需要指明帧中压缩多个数据。此时，除了需要指明数据源的地址外，还需要给出数据字长，数据源的地址外，还需要给出数据字长，因此改进地址和数据字长的标志方法可使因此改进地址和数据字长的标志方法可使这种方法更加有效。使用相对寻址的方法这种方法更加有效。使用相对寻址的方法就可以减少地址字段就可以减少地址字段。4.6 多路复用技术比较多路复用技术比较1.FDM与与TDM比较比较FDM在适合模拟通信技术，效率高，能够充分在适合模拟通信技术，效率高，能够充分利用传输媒介带宽资源，但随输入信号增加设利用传输媒介带宽资源，但随输入信号增加设备趋于复杂备趋于复杂。TDM适合数字通信技术适合数字通信技术2.比特交错与字符交错技术比较比特交错与字符交错技术比较字符交错技术：效率高（以字符为单位进行传字符交错技术：效率高（以字符为单位进行传输除掉其中的起始位和停止位）。抗突发、噪输除掉其中的起始位和停止位）。抗突发、噪声性能好声性能好比特交错技术：传输延迟小比特交错技术：传输延迟小3.同步同步TDM与与STDM比较比较时间片上：时间片上：N条输入线路条输入线路TDM:帧内时间片数为帧内时间片数为M=N STDM:帧内时间片数帧内时间片数M=N 效率上：效率上：TDM:效率低，但技术可靠，通信费用效率低，但技术可靠，通信费用低低 STDM:效率高，技术先进，但缓冲的效率高，技术先进，但缓冲的容量较大，需用地址信息以便解复用器确容量较大，需用地址信息以便解复用器确定数据流向，即控制规程较复杂定数据流向，即控制规程较复杂4.复用过程复用过程TDM:时间片固定时间片固定(包括个数，与数据源包括个数，与数据源的对应）的对应），帧长度固定。，帧长度固定。STDM:帧长度可以是固定的也可以是帧长度可以是固定的也可以是不固定的；时间片位置也可以是不固定的不固定的；时间片位置也可以是不固定的DBCABACS4S3S2S1时分多路复用器AABBCCDABBCACDB ABD CAC同步同步TDM帧长度不固定，帧长度不固定，按时间片固定按时间片固定的的STDM帧长度固定的帧长度固定的STDM4.7 CDMA码分复用码分复用CDM 是另一种共享信道的方法。是另一种共享信道的方法。Code Division Multiplexing实际上，人们更常用的名词是码分多址实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。进行通信。由于由于各用户使用经过特殊挑选的不同码各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰型，因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信，因为这码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号种系统发送的信号有很强的抗干扰能力有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。在在CDMA中，每一个比特时间再划分为中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为个短的间隔，称为码片码片(chip)。m取值一般为64或128假定假定m为为8CDMA基本原理基本原理在在CDMA中的每一个站都被指派一个唯中的每一个站都被指派一个唯一的一的m位的码片序列。位的码片序列。如果该站发送如果该站发送1，则发送它自己的，则发送它自己的m 位码片位码片序列；序列；如果该站发送如果该站发送0，则发送该码片序列的二进，则发送该码片序列的二进制反码。制反码。例如，指定给例如，指定给s站的站的8 位码片序列是位码片序列是00011011，则：，则：当当s发送比特发送比特1时，发序列时，发序列00011011当当s发送比特发送比特0时，发序列时，发序列11100100如果将码片中的如果将码片中的0写为写为-1，将，将1写为写为+1上例中，上例中，s站的站的8 位码片序列是位码片序列是（-1,-1,-1,+1,+1,-1,-1,+1,+1）如果发送比特如果发送比特1，就表示为：，就表示为：（-1,-1,-1,+1,+1,-1,-1,+1,+1）如果发送比特如果发送比特0，就表示为：，就表示为：（+1,+1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,-1）如果如果s站要发送信息速率为站要发送信息速率为b bit/s，由于每由于每一个比特要转换成一个比特要转换成m个比特的码片，因此个比特的码片，因此S站实际发送的数据速率为站实际发送的数据速率为mb bit/s；同时它同时它所占有的频带宽度也提高原来的所占有的频带宽度也提高原来的m倍。倍。小结小结多路复用技术的基本概念多路复用技术的基本概念FDM，同时（同时（t），不同不同频（率）（频（率）（f）TDM，同同频（率）（频（率）（f），），不同不同时时（t）STDM，同同CDMA，同时（同时（t），又同，又同频（率）（频（率）（f）假设假设8人（分成人（分成4组）在同一房间中说话组）在同一房间中说话FDM：4组人在同一房间的不同角落用同样的语调相互交组人在同一房间的不同角落用同样的语调相互交谈。谈。TDM：将一段时间分成将一段时间分成4个时间片，个时间片，4组轮流交谈。组轮流交谈。CDM：4组同时分别用不同语言来交谈。组同时分别用不同语言来交谈。PCM脉冲编码调制技术脉冲编码调制技术 PCM(Pulse Coded Modulation)抽样量化：用预先规定的有限个离散值来表示模：用预先规定的有限个离散值来表示模拟抽样值的过程称为拟抽样值的过程称为“量化量化”。先对输入信号的取值范围进行先对输入信号的取值范围进行“分级分级”，得到，得到M个离散电平值，然后把模拟抽样信号归入最接近个离散电平值，然后把模拟抽样信号归入最接近的电平值（会出现的电平值（会出现量化误差）。我们把相邻两个）。我们把相邻两个离散电平值之间的差距称为离散电平值之间的差距称为量化间隔或或量化间距。编码：把多进制的多电平数字信号转成二进把多进制的多电平数字信号转成二进制数字信号。编码位数的多少决定量化分级制数字信号。编码位数的多少决定量化分级数的多少。数的多少。f(t)抽样抽样量化量化编码编码脉冲再现脉冲再现译码译码LPF噪声噪声定时定时A/DD/Af(t)Intel 2911A编解码器编解码器图图4-19PCM(Pulse Coded Modulation)T1载波帧格式最大传输速率=位数/帧*采样频率fs =（1+8*24）*8000 =1.544(Mbps)分分帧帧位位控控制制位位7654321*24（对应（对应24路话音）路话音）数据位数据位帧格式最大传输速率=位数/帧*采样频率fs =（8*2+8*30）*8000 =2.048(Mbps)E1载波8位位同步同步Total=30（对应对应30路话音）路话音）8位位信令信令8位位数据数据（*15）8位位数据数据（*15）