第三章 时分多路复用与复接技术

1 时分多路复用
为了提高信道利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相不干扰，称多路复用。目前采用较 多的是频分多路复用和时分多路复用。频分多路复用用于模拟通信，例如载波通信，时分多 路复用用于数字通信，例如PCM通信。
时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。由前述的抽样理 论可知，抽样的一个重要作用，是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号，其在信道上 占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。具体说，就是把时间分成一些 均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开，互不干扰的目的。图3－1为时分多路复用示意图，各路信号经低通滤波器将频带限制在3400Hz以下，然后加到快速电子旋转开关(称分配器)开关不断重复地作匀速旋转，每旋转 一周的时间等于一个抽样周期T，这样就做到对每一路信号每隔周期T时间抽样一次。由此可 见，发端分配器不仅起到抽样的作用，同时还起到复用合路的作用。合路后的抽样信号送到 PCM编码器进行量化和编码，然后将数字信码送往信道。在收端将这些从发送端送来的各路 信码依次解码，还原后的PAM信号，由收端分配器旋转开关K2依次接通每一路信号，再经 低通平滑，重建成话音信号。由此可见收端的分配器起到时分复用的分路作用，所以收端分 配器又叫分路门。

当采用单片集成PCM编解码器时，其时分复用方式是先将各路信号分别抽样、编码、再经时 分复用分配器合路后送入信道，接收端先分路，然后各路分别解码和重建信号。
要注意的是：为保证正常通信，收、发端旋转开关必须同频同相。同频是指的旋转速度要完全相同，同相指的是发端旋转开关连接第一路信号时，收端旋转 开关K2也必须连接第一路，否则收端将收不到本路信号，为此要求收、发双方必须保持严 格的同步。时分复用后的数码流示意图示于图3－2
1.1 时分复用中的同步技术
时分复用通信中的同步技术包括位同步(时钟同步)和帧同步，这是数字通信的又一个重要特 点。位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端机的时 钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。为了 达到收、发端频率同频、同相，在设计传输码型时，一般要考虑传输的码型中应含有发送端 的时钟频率成分。这样，接收端从接收到PCM码中提取出发端时钟频率来控制收端时钟，就 可做到位同步。

帧同步是为了保证收、发各对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端 送来的每一个话路信号，当然这必须是在位同步的前提下实现。
为了建立收、发系统的帧同步，需要在每一帧(或几帧)中的固定位置插入具有特定码型的帧 同步码。这样，只要收端能正确识别出这些帧同步码，就能正确辨别出每一帧的首尾，从而 能正确区分出发端送来的各路信号。
1.2 时分复用的帧结构
     现以PCM30/32路电话系统为例，来说明时分复用的帧结构，这样形成的PCM信号称为PCM一次 群信号。
在讨论时分多路复用原理时曾指出，时分多路复用的方式是用时隙来分割的，每一路信号分 配 一个时隙叫路时隙，帧同步码和信令码也各分配一个路时隙。PCM30/32系统的意思是整个系 统共分为32个路时隙，其中30个路时隙分别 用来传送30路话音信号，一个路时隙用来传送帧同步码，另一个路时隙用来传送信令码。 图3－3是CCITT建议G.732规定的帧结构。

从图中可看出，PCM30/32路系统中一个复帧包含16帧，编号为帧、帧……帧，一复帧的时间为2毫秒。每一帧(每帧的时间为125微秒)又包含有32个路时隙，其编号 为，每个路时隙的时间为3.9微秒。每一路时隙包含 有8个位时隙，其编号为，每个位时隙的时间为0.488微秒。 
路时隙分别传送第1路~第15路的信码，路时隙分 别传送第16路~第30路的信码。偶帧时隙传送帧同步码，其码型为{×0011011}。奇帧TS0时隙码型为{×1A1SSSSS}，其中A1是对端告警码，A1=0时表示帧同步，A1=1时表示帧失步；S为备用比特，可用来传送业务码；×为国际备用比特或传送循环冗余校 验码(CRC码)，它可用于监视误码。帧时隙前4位码为复帧同步码，其码型为 0000；A2为复帧失步对告码。帧的时隙用来传送30个话路的信 令码。帧时隙前4位码用来传送第1路信号的信令码，后4位码用来传送第16 路信号的信令码……。直到帧时隙前后各4位码分别传送第15路、第30 路信号的信令码，这样一个复帧中各个话路分别轮流传送信令码一次。按图3－3所示的帧 结构，并根据抽样理论，每帧频率应为8000帧/秒，帧周期为125微秒，所以PCM30/32路系统 的总数码率是
=80000(帧/秒)×32(路时隙/帧)×8(bit/路时隙)=2048kbit/s=2.048Mbit/s
PCM30/32路端机方框图如图3－4所示。

用户的话音信号(发与收)采用二线制传输，但端机的发送与接收支路是分开的，即发与收是 采用四线制传输。因此，用户的话音信号需经2/4线变换，也就是通过差动变量器(差动变量 器1~2端发送与4－1端接收的传输衰减越小越好，而4－2端的衰减要越大越好，以防止通路 振鸣)1~2端送入PCM端机的发送端，经放大(调节话音电平)、低通滤波(限制话音频带、防止 折叠噪声)、抽样、合路和编码，编码后的PCM码、帧同步码、信令码、数据信号码在汇总电 路里按PCM30/32系统帧结构排列，最后经码型变换成适宜于信道传输的码型送往信道。接收 端首先将接收到信号进行整形、再生，然后经过码型反变换，恢复成原来的码型，再由分离 电路将PCM码、信令码、帧同步码、数据信号码分离，分离出的话路信码经解码、分路门恢 复出每一路的PCM信号，然后经低通平滑，恢复成每一路的话音模拟信号，最后经放大、差 动变量器4~1端送至用户。再生电路所提取时钟，除了用于抽样判决，识别每一个码元外， 还由它来控制收端定时系统产生收端所需的各种脉冲信号。
2 数字复接技术
在频分制载波系统中，高次群系统是由若干个低次群信号通过频谱搬移并叠加而成。例如， 60路载波是由5个12路载波经过频谱搬移叠加而成；1800路载波是由30个60路载波经过频谱 搬移叠加而成。
在时分制数字通信系统中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常常需要将若干个低速数字 信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速宽带信道中传输。数字复接技术就是解决PCM 信号由低次群到高次群的合成的技术。
2.1 PCM复用与数字复接
扩大数字通信容量有两种方法。一种方法是采用PCM30/32系统(又称基群或一次群)复用的方 法。例如需要传送120路电话时，可将120路话音信号分别用8kHz抽样频率抽样，然后对每个 抽样值编8位码，其数码率为8000×8×120=7680kbit/s。由于每帧时间为125微秒，每个路 时隙的时间只有1微秒左右，这样每个抽样值编8位码的时间只有1微秒时间，其编码速度非 常高 ，对编码电路及元器件的速度和精度要求很高，实现起来非常困难。但这种方法从原理上讲 是可行的，这种对120路话音信号直接编码复用的方法称PCM复用。另一种方法是将几个(例 如4个)经PCM复用后的数字信号(例如4个PCM30/32系统)再进行时分复用，形成更多路的数字 通信系统。显然，经过数字复用后的信号的数码率提高了，但是对每一个基群编码速度没 有提高，实现起来容易，目前广泛采用这种方法提高通信容量。由于数字复用是采用数字 复接的方法来实现的，又称数字复接技术。
数字复接系统由数字复接器和数字分接器组成，如图3－5所示。数字复接器是把两个或两个 以上的支路(低次群)，按时分复用方式合并成一个单一的高次群数字信号设备，它由定时、 码速调整和复接单元等组成。数字分接器的功能是把已合路的高次群数字信号，分解成原来 的低次群数字信号，它由帧同步、定时、数字分接和码速恢复等单元组成。 

定时单元给设备提供一个统一的基准时钟。码速调整单元是把速率不同的各支路信号，调整 成与复接设备定时完全同步的数字信号，以便由复接单元把各个支路信号复接成一个数字流 。另外在复接时还需要插入帧同步信号，以便接收端正确接收各支路信号。分接设备的定时 单元是由接收信号中提取时钟，并分送给各支路进行分接用。
CCITT已推荐了两类数字速率系列和复接等级，两类数字速率系列和数字复接等级分别如表3 －1和图3－6所示。
表3－1 两类数字速率系列
群号 一次群 二次群 三次群 四次群
数码率(Mbit/s) 1.544 6.312 32.064 97.728
话路数 24 24*4=96 95*5=480 480*3=1440
数码率(Mbit/s) 2.048 8.448 34.368 139.264
话路数 30 30*40=120 120*4=480 480*4=1920

2.2数字信号的复接

数字复接的方法主要有按位复接、按字复接和按帧复接三种。按位复接又叫比特复接，即复 接时每支路依次复接一个比特。图3－7(a)所示是4个PCM30/32系统时隙(CH1话路) 的码字情况。图3－7(b)是按位复接后的二次群中各支路数字码排列情况。按位复接方法简 单易行，设备也简单，存储器容量小，目前被广泛采用，其缺点是对信号交换不利。图3－7 (c)是按字复接，对PCM30/32系统来说，一个码字有8位码，它是将8位码先储存起来，在规 定时间四个支路轮流复接，这种方法有利于数字电话交换，但要求有较大的存储容量。按帧 复接是每次复接一个支路的一个帧(一帧含有256个比特)，这种方法的优点是复接时不破坏 原来的帧结构，有利于交换，但要求更大的存储容量。
2.3 数字复接中的码速变换
几个低次群数字信号复接成一个高次群数字信号时，如果各个低次群(例如PCM30 /32系统)的时钟是各自产生的，即使它们的标称数码率相同，都是2048kbit/s，但它们的瞬 时数码率也可能是不同的。因为各个支路的晶体振荡器的振荡频率不可能完全相同(CCIT规 定PCM 30/32系统的瞬时数码率在2048kbit/s±100bit/s)，几个低次群复接后的数码就会产生重 叠或错位，如图3－8所示。 这样复接合成后的数字信号流，在接收端是无法分接恢复成原来的低次群信号的。因此， 数码率不同的低次群信号是不能直接复接的。为此，在复接前要使各低次群的数码率同步 ，同时使复接后的数码率符合高次群帧结构的要求。由此可见，将几个低次群复接成高次 群时，必须采取适当的措施，以调整各低次群系统的数码率使其同步，这种同步是系统与系 统之间的同步，称系统同步。 

系统同步的方法有两种，即同步复接和异步复接。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，使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，这样就 达 到系统同步的目的。这种同步方法的缺点是主时钟一旦出现故障，相关的通信系统将全部中 断。它只限于在局部区域内使用。异步复接是各低次群使用各自的时钟。这样，各低次群的 时钟速率就不一定相等，因而在复接时先要进行码速调整，使各低次群同步后再复接。
不论同步复接或异步复接，都需要码速变换。虽然同步复接时各低次群的数码率完全一致 ，但复接后的码序列中还要加入帧同步码、对端告警码等码元，这样数码率就要增加，因此 需要码速变换。
CCITT规定以2048kbit/s为一次群的PCM二次群的数码率为8448kbit/s。按理说，PCM二次 群的数码率是4×2048kbit/s=8192kbit/s。当考 虑到4个PCM一次群在复接时插入了帧同步码、告警码、插入码和插入标志码等码元，这此码 元 的插入，使每个基群的数码率由2048kbit/s调整到2112kbit/s，这样4×2112kbit/s=8448kb it/s。码速调整后的速率高于调整 前的速率，称正码速调整。
正码速调整方框图如图3－9所示。每一个参与复接的数码流都必须经过一个码速调整装置 ，将瞬时数码率不同的数码流调整到相同的、较高的数码率，然后再进行复接。
码速调整装置的主体是缓冲存储器，还包括一些必要的控制电路、输入支路的数码率=2.048Mbit/s±100bit/s，输出数码率为=2.112Mbit/s。所谓正码速调整就是因为而得名的。
假定缓存器中的信息原来处于半满状态，随着时间的推移，由于读出时钟大于写入时 钟，缓存器中的信息势必越来越少 ，如果不采取特别措施，终将导致缓存器中的信息 被取空，再读出的信息将是虚假的信息。


为了防止缓存器的信息被取空，需要采取一些措施。一旦缓存器中的信息比特数降到规定数 量时 ，就发出控制信号，这时控制门关闭，读出时钟被扣除一个比特。由于没有读出时钟，缓存 器中的信息就不能读出去，而这时信息仍往缓存器存入，因此缓存器中的信息就增加一个比 特。如此 重复下去，就可将数码流通过缓冲存储器传送出去，而输出信码的速率则增加为图3－10中某支路输入码速率为，在写入时钟作用下，将信码写入缓存器，读出时钟频率是，由于，所以缓存器是处于慢写快读的状态，最后将会出现“取 空”现象。如果在设计电路时加入一控制门，当缓冲存储器中的信息尚未“取空”而快要“ 取空”时，就让它停读一次。同时插入一个脉冲(这是非信息码)，以提高码速率，如图中① ②所示。从图中可以看出，输入信码是以的速率写入缓存器，而读出脉冲是以速率 读出，如图中箭头所示。由于，读、写时间差(相位差)越来越小，到第6个脉冲 到来时，与几乎同时出现，这将出现没有写入都要求读出信息的情况从而造成“取 空”现象。为了防止“取空”，这时就停读一次，同时插入一个脉冲，如图中虚线所示。 插入脉冲在何时插入是根据缓存器的储存状态来决定的，可通过插入脉冲控制电路来完成。 储存状态的检测可通过相位比较器来完成。
在收端，分接器先将高次群信码进行分接，分接后的各支路信码分别写入各自的缓存器。 为了去掉发送端插入的插入脉冲(称标志信号脉冲)，首先要通过标志信号检出电路检出标志 信号， 然后通过写入脉冲扣除电路扣除标志信号。扣除了标志信号后的支路信码的顺序与原来信码 的顺 序一样，但在时间间隔上是不均匀的，中间有空隙如图中③所示。但从长时间来看，其平均 时间间隔，即平均码速与原支路信码相同，因此，在收端要恢复原支路信码，必须先 从图中③波形中提取时钟。脉冲间隔均匀化的任务由锁相环完成。鉴相器的输入为已扣 除插入脉冲的，另一个输入端接输出，经鉴相、低通和后获得一个频率 等于时钟平均频率的读出时钟，从缓存器中读出信码。