现代通信原理(08TDM)
现代通信原理
西南科技大学信控学院
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现代通信原理
第八章 时分复用(1)
单元概述
多路复用的目的是在一条信道上传输多路信号,根据多路复用的方式不同,可以分为频分复用,时分复用,码分复用等.随着数字通信的发展,时分复用得到最为广泛的应用.
单元学习提纲
(1)频分复用及系统构成;
(2)以PCM一次群为例,理解时分复用的原理;
(3)记住我国常用的时分复用数字速率系列;
(4)准同步时分复用与同步时分复用的区别;
(5)正码速调整数字复接原理.
(6)置位同步法原理.
(7)捕捉时间的计算方法.
第八章 时分复用
经过采样,量化,编码的信号,包括PCM,ADPCM, M等,采用时分复用的方式进行传输.
第八章 时分复用
8.1时分复用TDM原理
频分复用FDM是利用用一物理连接的不同频道来传输不同的信号,达到多路传输的目的.
时分复用TDM是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号,也能达到多路传输的目的.
目前通信中常用的多路复用方式主要有以下四种.
频分复用方式(FDM,frequency division multiplex),包括光纤通信的波分复用(WDM).
时分复用方式(TDM,time division multiplex ),(1)同步时分复用如PDH,SDH等
(2)统计时分多路如IP,ATM等.
空分复用方式(SDM,space division multiplex ).如无线通信中(包括卫星通信)的位置复用和有线通信中的同缆多芯复用.
码分复用方式(CDM,code division multiplex ).编码发射相关接收技术.
多路复用示意图
TDMA/FDD
DS-CDMA
FH-CDMA/TDMA
FDMA
Frequency
Time
Frequency
Time
Frequency
Time
Frequency
Time
Spread Spectrum
Spread Spectrum
同步时分复用和统计时分复用
时分多路复用以时间作为信号分割的参量,故必须使各路信号在时间轴上互不重叠.n路时分复用系统的示意图:
TDM方式的优点(相对与FDM)
1,多路信号的汇合和分路都是数字电路,比FDM的模拟滤波器分路简单,可靠.
2,信道的非线性在FDM中产生交调和高次谐波,严重干扰信号的传输.
TDM方式的缺点(相对与FDM)
TDM(特别是同步TDM)对系统的同步要求高,系统控制复杂.
TDM方式目前又分为以下两种
同步时分复用系统(分两类):
1,准同步系列PDH(用于公共电话网PSTN).
2,同步系列SDH(用于光纤通信等骨干网络)
统计时分复用系统(分两类):
1,虚电路方式(如,X.25,帧中继,ATM).
2,数据报方式(如TCP/IP)
PSTN系统目前采用PDH和SDH结合的方式,在
小用户接入及交换采用PCM/PDH,核心骨干网络采
用SDH.
目前世界上存在两类的PDH标准
1,基于A律压缩的30/32路PCM系统(欧洲标准,
用于欧洲,中国,俄罗斯等).
2,基于u律压缩的24路PCM系统(美洲标准,用于北美,日本,台湾等)
准同步数字复接系列PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)
(速率等级)
SDH一般复用结构
在某些新型的三层结构宽带传输网络方案中,
STM-1/STM-4 (155Mbps/622Mbps) 用于接入层
STM-16 (2.5Gbps) 用于汇接层
STM-64 (10Gbps) 用于核心层
SDH体系的常用速率等级
8.2 PCM基群帧结构
采用TDM的数字通信系统,在国际上已建立起标准.原则上是先把一定路数的电话复合成一个标准数据流(称为基群),基群数据流的构造结构称为基群帧.
把基群数据流采用同步(SDH)或准同步数字复接技术汇合成更高速的数据(称为高次群),高次群的复接结构称为高次群的复接帧.
对帧的研究是时分复用系统研究的重点,相当于对频分复用系统中频道的研究.
E1帧结构
帧结构
帧长:125 s(256bits)――1个抽样周期
32个时隙
每时隙8bit(3.9 s=125÷32)
每比特时长0.488 s=125÷256
TS0:帧同步,告警,
帧同步序列为0011011,在偶数帧传送.
奇数帧的第2比特固定为1.
TS16:控制信令(在复帧结构下分配使用)
TS1～TS15和TS17～TS31共30个时隙传送30路话
音或数据.
复帧结构
由16个帧组成,帧长2ms.
采用共路信令方式,将16个帧的TS16集中起来
使用,传送信令,本路信令与本路话不在一个
时隙里传送.
若复帧中包含F0,F1……F15共16个帧,
F0的TS16传送复帧同步和备用比特.
F1的TS16传送CH1和CH16的信令.
F2的TS16传送CH2和CH17的信令.
F3的TS16传送CH3和CH18的信令.
~~~~~~
F15的TS16传送CH15和CH30的信令.
基群帧与时隙(话路)关系图
125 μs
时隙和帧的关系
1时隙传送
第1路话
2时隙传送
第2路话
3时隙传送
第3路话
16时隙
传送信令
0时隙传
送同步信号
E1基群帧的帧长和速率
1,共32个时隙(TS0用于传同步字节,TS16用于传线路信令,其它30个时隙用于传30路话).
2,每时隙8比特(传语音信号的一个采样值),每帧有32*8=256比特,即为帧长.
3,采样频率为8K,采样周期为125us,即每帧必须在125us之内传完,传输率为
256/125(bit/us)=2.048Mb/s
T1帧结构
建议 G.733
帧结构
帧长:125 s(193bits)――1个抽样周期
24个时隙
每时隙8bit(5.18 s=(125×8)÷193)
每比特时长0.6477 s(=125÷193)
TS0～TS23传话音或数据
最后1比特:帧同步(帧定位比特)
1比特控制信令:从每个时隙周期性地借用
随路信令方式,信令与话路在一个时隙里传送.
TI帧结构
数字复用系列
一次群(T1)1.544Mb/s 24路
二次群(T2=4T1) 6.312Mb/s 96路
三次群(T3=7T2) 44.736Mb/s(美)672路
(T3=5T2) 32.064Mb/s(日) 480路
四次群(T4=6T3) 274.176Mb/s(美)4032路 (T4=3T3) 97.728Mb/s(日) 1440路
每帧包含:24×8+1(附加位)=193比特
其中第193位用于帧同步(01010101…)
∴每条信道获得
7×8000 = 56000bps 数据位
1×8000 = 8000bps 控制位
每次抽样还有一附加位(用于帧同步).
每秒8000次对24路话音通道依次采样,产生7个数据位和1个控制位.
∴T1载波的总数据率
24×56000+24×8000+8000 = 1.544Mbps
8.3 增量调制复用终端的帧结构
这里介绍32路 M终端的帧结构.
一,基帧
1,每路时隙的比特率为32kb/s.
2,每帧分32个时隙,每个时隙只有一个比特.
帧速率为32*32=1024kb/s.
3,每个时隙时宽为1/1024kb/s=0.976uS.
每帧时宽为0.976uS*32=31.232uS.
4,TS0为帧定位.
TS1为信令时隙.
TS2~TS31为话路时隙.
二,复帧
为了使 M终端机能适用于PCM交换机接口.也将128个 M基帧构成一个复帧.
复帧的时隙数为128*32=4096,也就是4096个比特,这与PCM一个复帧的比特数相同.
M复帧周期为31.232*128=3997.696us.
对于TS0,组合使用,每8帧中,用4帧
(0,2,4,6)的TS0组合传送帧定位信号
1110,3帧(3,5,7)的TS0备用,第1帧的
TS0没有定义.
128帧的TS1共128比特分成32个组,每组4比特
组0(1,2,3,4帧)的TS0组合为为复帧定位
编码0000.
组1传送监控码组:
第5,8帧的TS1恒为1
第6帧的TS1传送复帧对局告警信号.
第7帧的TS1传送线路告警信号.
对于 M帧,还有如下规定:
TS2为值班人员的专用勤务电话.
T53,TS4,TS5为数据通道时隙.
TS6~TS31为用户电话时隙.
8.4 60路PCM-ADPCM变换编码终端的帧结构
对于PCM,A律30/32系统基群共传送30路话音,话音的每一个样值用8位表示,比特率为2048KB/S.
对于ADPCM,话音的每一个样值用4位表示,话路容量可以增加一倍.即在2048KB/S的资源情况下,可以传送60路话音,降低了每路话的费用.
两个30路话PCM码流汇接成一个60路ADPCM码流的转换器如下图.
PCM-ADPCM变换编码终端的帧结构,与
30/32PCM的基群相同,由256个比特组成,速
率为2048KB/S.分为32个时隙,每个时隙由8
比特组成.
1,在TS0中:
偶数帧传帧同步信号,(码型为1001100固定值).
奇数帧传告警指示:如在码流A中测到30路公共
故障,将在7,8比特置10;如果均正常,置00.
2,TS1~TS15,
每奇数时隙传两路A,偶数时隙传两路B.
TS17~TS31,
每奇数时隙传两路B,偶数时隙传两路A.
如表所示.
3,信令传送与30/32PCM一样采用复帧结构,16
帧为一复帧,复帧重复频率为500HZ,两种情况.
A,当60路ADPCM话路的每路信令小于2比特,
只用TS16传信令.其分配方法见表8-6.
B,当60路ADPCM话路的每路信令大于2比特,
将用TS16,TS17传信令.
若复帧中包含F0,F1……F15共16个帧,
F0的TS16传送复帧同步(0000)和告警比特.
F1的TS16传送CH1A,CH2A,CH15B,CH16B的信令.
F2的TS16传送CH1B,CH2B,CH17A,CH18A的信令.
F3的TS16传送CH3A,CH4A,CH17B,CH18B的信令.
~~~~~~
F15的TS16传送CH15A,CH16A,CH29B,CH30B的信令.
8.5数字复接终端
在时分制的PCM通信系统中,为了扩大传输容量,必须将基群信号复接成高次群信号. 目前SDH五次群的比特率已经达到565.148Mbps,可以容纳7680路话;SDH中STM-64已经达到10Gbps,可以容纳12万条话路.
抽样定理确定了每帧长度不能长于125us.
传输路数越多,每路样值8比特码占用的时间就越小,每个比特的时宽就越小,对应的频宽(传输速率)就越大.
一个样值(8比特)占用的时宽
基群:3.9us
二次群:0.997us
三次群: 0.023us
四次群: 0.0057us
高次群的轮流采样在技术上不可能实现,只能采用数字复接方式实现高次群的传输.
8.5.1 数字复接原理
数字复接的基本概念:
把这种两路或两路以上的低速数字信号合并成一路高速数字信号的过程称为数字复接
数字复接原理:
将各支路数字脉冲变窄,将相位调整到合适位置,并按一定的帧结构间插排列起来.
数字复接系统包括数字复接器和数字分接器两大部分.
把两路或两路以上的支路数字信号按时分复用方式合并成为一路数字信号的过程称作数字复接.
在传输线路的接收端把一个复合数字信号分离成各分支信号的过程,称为数字分接.
将数字复接器和数字分接器用于信道传输,就构成了数字复接系统
数字复接系统包括三个主要部分:定时,码速调整,复接.
数字分接系统包括:同步分离,产生定时,分接,支路码速恢复.
数字复接的分类
按复接中各支路信号的交织长度划分
按位复接.按位复接每次只依次复接一位码.
按路复接.对PCM基群来说,一个路时隙有8位码.按路复接就是指每次按顺序复接8位码.
按帧复接.按帧复接是指每次复接一个支路的一帧数码(一帧含有256个码).
数字复接的分类
从复接中各支路信号时钟间的关系角度分
同步复接.如果被复接的各支路信号使用的时钟都是由一个总时钟提供的,为同步复接.
异步复接.如果各支路信号的时钟并非来自同一时钟源,各信号之间不存在同步关系,称为异步复接.
准同步复接.如果各支路信号的时钟由不同的时钟源提供,而这些时钟源在一定的容差范围内为标称相等情况,对应的复接称为准同步复接.
下图分别表示了4路PCM 30/32基群按位复接和按字复接成PCM二次群的情形.
直接复接不同步的低次群会产生重复和错位,如图所示
准同步数字复用系列PDH
(Plesiochronous Digital Hierarchg)
PDH的复接业务
8.5.2 正码速调整复接器
准同步复接的码速调整方式可分为:
正码速调整
正/负码速调整
正/零/负码速调整
其中正码速调整的应用最为普遍.
基群复接成二次群
正码速调整部分主要由缓冲存储器与控制
电路所组成.
1,正码速调整电路:
设输入支路(低次群)的频率为fl
输出时钟(同步复接支路)频率为fm
因为是正码速调整,所以fm>fl
2,调整方式:
设计一个调速帧,该帧的比特数大于未调速的
低次群帧,由于两种帧具有相同的时宽,所以调速
帧的传输速率大于未调速的低次群速率).
指定一个时隙,如果不需要调速,该时隙传送
信码;如果需要调高速率,该时隙空闲.
该时隙称为塞入位置SV.
该塞入时隙在发送端是空闲了还是已加入信码 发送端必须送一个判别标识码给接收端,为此在调速帧中流出固定时隙传送了这个判别标识码.称为塞入标志.
每个被复接的基群支路的复接帧同步码,业务码,插入码(作调整码速用),插入标志码以及信息码的安排如图所示
基群正码速调整帧结构
基群帧长是256bit,时宽是125us,基群速
率是256/125us=2.048Mbps
二次群速率是8.448Mbps,4路基群信号合成
一路二次群信号,所以先要将每路的基群速率调
整到2.112Mbps.
调高速率就需要增加相同时间内的比特数.
X=2.112Mbps* 125us=264(bit)
根据以上比较,正码速调整要将原采样周期内的比特数由256增加到264.
定义212字节为一个正码速调整帧,帧长为212比特,这个帧中需要有X=212*(264-256)/264,即6.424242...个填充比特.
F1,F2,F3------固定填充比特,在二次群复接帧中有定义.
C1,C2,C3------固定填充比特,用作填充标志.
V1------动态填充比特,用于调整码速.
当C1,C2,C3=000时,为信码.(没有填充)
当C1,C2,C3=111时,为填充比特.
四个基群调速帧212比特,按位复接成二次群复接帧848比特的帧结构如图所示
二次群的复接帧结构
四个正码速调整帧按位复接.
F11表示第1帧的第1个字节,F21表示第2帧的第1个字节,依此类推.
二次群复接帧的字节数为848,速率为8.448Mb/s.
表6-3给出了三次群和三次群的帧结构.
PCM的数字复接等级如图所示
140Mbps系统中一个2Mbps信号上下电路的示意图
同步数字复用系列SDH
(Synchronous Digital Hierarchg)
PDH的缺点
(1)国际标准不统一,不利于网络互通.
(2)数字复接分接复杂.由于采用正码速调整的异步复用方式,很难从高次群中提取低次群信号.
(3)没有世界性的标准光接口,已经不能满足光纤通信高速,大容量的要求.
(4)供网络管理,业务通信和监控的比特太少.
以字节结构为基础的矩形块状帧结构
图6-25给出了SDH系统的上下电路示意图
8.6 帧同步
在时分复用系统中,要保证接收端能正确恢复原支路信号,必须要有一个同步系统来正确识别同步信息并对接收端分路器进行同步控制.
由于编码压缩方式和帧结构不一样,同步信息在帧中的位置也不同,实现同步的方式主要有以下几种:
逐码移位同步法:适用于PCM24系统.
捕捉态工作逻辑:适用于32路增量调制.
置位同步法:适用于PCM30/32系统.
8.6.3 置位同步法
1,同步态的捕捉与校验
在集中插入帧同步码组的复用设备中,例如PCM30/32终端机.一旦从输入总码流中检出帧同步码组0011011,则对接收机定时系统直接设置初始相位.然后再经两帧校验,如果
仍能检出同步码组,就确定已进入同步态;如果不存在帧同步码组,则判断前次检出的是假帧同步信号,予以放弃.再以下一个检出的帧同步码组开始,重新进行捕捉和校验.
2,失补态的校验与重新捕捉同步态
系统处于同步态时,会因为干扰或中断,使帧同步码组丢失,经过三次校验,如果均丢失同步信息,就宣布进入失步态,开始另一次捕捉过程.
整个过程见下页图.其中
A――同步态.
D――失步态.
B,C――同步保护态.
E,F――搜索效验态.
同步原理框图
接收端同步电路的组成和工作过程:
1,定时脉冲产生器.(电路图的右下角)
自主产生包括位脉冲(D1~D8),时隙脉冲(TS0~TS32),帧脉冲(奇,偶),用于接收端正确分离时分复用信号.
在刚开机或失步时,这个脉冲序列出现的时间不对,信号的分复用结果是错误的.
2,同步码检测电路.(Q1~Q8,M1)
帧同步码组为0011011,接收端帧同步码检测器由8位移位寄存器和7输入与非门组成,与非门的组合逻辑为:
PCM码流顺序进行串并变换,并顺序输入8与非门M1.如果有0011011出现,将在最后一位到来时,产生同步时标PS.( PS为低电平)
3,帧时标产生电路:(M4,M3)
定时脉冲产生器产生的偶帧,TS0,D8相与产生
帧时标PC.
如果在同步态,PC将和PS同步到达.
4,判别,校验及调整电路(A,B,C,M5,
M6,Q1,M8)
将帧时标PC与与码流同步时标PS加到移位寄存器
A,B,C上, PC作为时钟, PS作为输入.
A,当PC出现时,PS若为高电平(失步校验)
当PC第二次出现,PS若为高电平(失步校验)
当PC第三次出现,PS若为高电平(判为失步)
有R=0,S=1 ,Q1=1,开通收端定时系统,发调整
指令.调整后再重复上述过程,直到同步为止.
B,当PC出现时,PS若为低电平(同步搜索)
当PC第二次出现,PS若为低电平(同步搜索)
当PC第三次出现,PS若为低电平(判为同步)
有R=1,S=0, Q1=0,封锁收端定时系统,
禁止发调整指令.
M7和SR2保证了在确认失步(Q1=1)条件下,
必须在隔两帧后,遇到第一个同步时标时,才进行
第二次调整.
图中双稳态电路和R1,C1组成复位自锁电路,
选择R1C1使电路时常数等于两帧时间.
调整指令到达,C1开始放电,两帧后才能使
SR2的R为0,S为1时,使Q2为1,开通M8,使第
二次调整指令发出.
其间自锁,避免了假同步脉冲的影响.
8.6.4 捕捉时间
捕捉时间:
同步系统从开机到稳定工作所需的时间,又
称稳定时间,是同步系统的一个重要参数.
捕捉时间长,则此项性能差.
捕捉时间短,则此项性能好.
对于PCM30/32系统
自测题
_ (1)为什么32路脉冲编码调制基群的速率为2048kb/s 怎样计算得到的
(2)为什么数字复接系列中二次群速率不是一次群(基群)的四倍
(3)时分复用中帧同步的作用是什么
(4)数字复接器的功能是什么
(5)准同步复接与同步复接的区别是什么
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