时分多路复用的实现和优化

1.时分多路复用的原理

时分复用是建立在抽样定理基础上的。抽样定理指明：在一定条件下，时间连续的模拟信号可以用时间上离散的抽样脉冲值代替。因此，如果抽样脉冲占据时间较短，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙，利用这种空隙便可以传输其他信号的抽样值。时分复用就是利用各路信号的抽样值在时间上占据不同的时隙，来达到在同一信道中传输多路信号而互不干扰的一种方法。

下面通过举例来说明时分复用技术的基本原理，假设有3路PAM信号进行时分复用，其传输波形如图 8-2-2 所示。

图8-2-2　3路时分多路复用波形

上述过程可通过如图 8-2-3 所示的框图实现。各路信号首先通过相应的低通滤波器（预滤波器）变为频带受限的低通型信号。然后再送至旋转开关（抽样开关），每单位时间将各路信号依次抽样一次，在信道中传输的合成信号就是 3 路信号在时间域上周期地互相错开的PAM信号，即TDM-PAM信号。

图8-2-3　3 路PAM信号时分复用原理

抽样时，各路轮一次的时间称为一帧，长度记为Ts，这就是旋转开关旋转一周的时间，即一个抽样周期。一帧中相邻两个抽样脉冲之间的时间间隔叫作路时隙（简称为时隙），即每路PAM信号每个样值允许占用的时间间隔，记为Ta=Ts/n，这里复用路数n=3。3路PAM信号时分复用的帧和时隙如图 8-2-4 所示。

图8-2-4　3路PAM信号时分复用的帧结构图

上述概念可以推广到 n 路信号的时分复用。多路复用信号可以直接送入信道进行基带传输，也可以加至调制器后再送入信道进行频带传输。在接收端，合成的时分复用信号由旋转开关依次送入各路相应的低通滤波器，重建或恢复出原始的模拟信号。需要指出的是，TDM中发送端的抽样开关和接收端的分路开关必须保持同步。

由于各种原因，时分复用技术的标准未能统一，存在着两种不同的制式。即A律13折线压缩特性——PCM30/32路制式（E体系）和 μ 律15折线压缩特性——T 体系。我国和欧洲等国采用的是PCM30/32路制式，日本和北美等国采用PCM24路制式。其中，PCM24路制式又包含两种不同的标准。下面对 PCM30/32 路系统进行简单介绍。

2.PCM30/32 路系统

A律13折线PCM30/32路系统中，一帧共有32个时隙，可以传送30路电话，即复用的路数n＝32 路，其中话路数为30。PCM 30/32路系统的帧结构如图 8-2-5 所示。

从图 8-2-5 可以看到，在PCM 30/32路的制式中，一个复帧由16帧组成，一帧由32个时隙组成，一个时隙有8个比特。对于PCM30/32路系统，由于抽样频率为 8 000 Hz，抽样周期（即PCM30/32路的帧周期）为1/8 000=125 (μs)；一个复帧由16帧组成，这样复帧周期为 2 ms；一帧内包含32路，则每路占用的时隙为125/32=3.91 (μs)；每时隙包含8位折叠二进制，因此，位时隙占 488 ns。

图8-2-5　PCM 30/32路系统的帧结构

从传输速率来讲，每秒钟能传送 8 000 帧，而每帧包含32×8＝256（bit），因此，传码率为2.048 MB，信息速率为2.048 Mbps。(www.xing528.com)

前面讨论的PCM30/32路（或PCM24路）时分多路系统，称为数字基群（即一次群）。为了能使宽带信号（如电视信号）通过 PCM 系统传输，必须有较高的传码率，因此，提出了数字复接技术。所谓数字复接技术，就是把较低群次的数字流汇合成更高群次的数字流。实际应用中通常采用准同步方式进行复接，因而称为准同步数字系列（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）。国际电信联盟（ITU）推荐了两种一次、二次、三次、四次和五次群的数字等级系列，如表 8-2-1 所示。

表8-2-1　数字复接系列（准同步数字系列）

从表 8-2-1 可以看出，PDH有两种基础速率：一种是以 1.544 Mbps 为第一级（一次群，或称基群）基础速率，采用的国家有北美各国和日本；另一种是以 2.048 Mbps 为第一级（一次群）基础速率，采用的国家有欧洲各国和中国。表 8-2-1 还列出了两种基础速率各次群的速率、话路数及其关系。对于以 2.048 Mbps 为基础速率的制式，各次群的话路数按 4 倍递增，速率的关系略大于4倍，这是因为复接时插入了一些相关的比特。对于以 1.544 Mbps为基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又不相同。

PDH 优点：易于构成通信网，便于分支与插入；复用倍数适中，具有较高效率；可视电话、电视信号及频分制载波信号能与某一高次群相适应；与传输媒质（如电缆、同轴电缆、微波、波导、光纤等）传输容量相匹配。

数字通信系统除了传输电话外，还可传输其他相同速率的数字信号，如可视电话、频分制载波信号以及电视信号。为了提高通信质量，这些信号可以单独变为数字信号传输，也可以和相应的PCM高次群一起复接成更高一级的高次群进行传输。基于PCM30/32路系列的数字复接体制的结构如图 8-2-6 所示。

图8-2-6　基于 PCM30/32 路系列的数字复接体制

3.同步数字系列

随着光纤通信的发展，准同步数字系列已经不能满足大容量高速传输的要求，不能适应现代通信网的发展要求，其缺点主要体现在以下几个方面。

（1）不存在世界性标准的数字信号速率和帧结构标准，不存在世界性的标准光接口规范，无法在光路上实现互通和调配电路。

（2）复接方式大多采用按位复接，不利于以字节为单位的现代信息交换。

（3）准同步系统的复用结构复杂，缺乏灵活性，硬件数量大，上、下业务费用高。

基于传统的准同步数字系列有上述缺点，为了适应现代电信网和用户对传输的新要求，必须从技术体制上对传输系统进行根本的改革。因此，ITU 制订了 TDM 制的 150 Mbps 以上的同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）标准。它不仅适用于光纤传输，也适用于微波及卫星等其他传输手段。它可以有效地按动态需求方式改变传输网拓扑，充分发挥网络构成的灵活性与安全性，而且在网络管理功能方面大大增强。数字复接系列（同步数字系列）如表 8-2-2 所示。

表8-2-2　数字复接系列（同步数字系列）

由于 SDH 具有同步复用、标准光接口和强大的网络管理能力等优点，在20世纪90年代中后期得到了广泛应用，而原有的PDH数字传输网已逐步纳入到了SDH网。