ch42时分多路复用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第,4,章 多路复用技术（,2,）,4.4,同步时分多路复用（,TDM,）,4.4.1 TDM,原理,4.4.2 TDM,数据复用方式,4.5,统计时分多路复用（,STDM,）,4.5.1 STDM,原理,4.5.2 STDM,帧结构,4.6,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,4.6.2,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,4.4,时分多路复用（,TDM,）,FDM,：,以,频率,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。,TDM,：,以,时间,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据传输速率时即可采用,TDM,；,4.4,同步时分多路复用（,TDM,）,TDM,：完全由数字线路实现，近几年得到广泛应用。,时分复用又分为,同步,时分复用和,异步,时分复用。,4.4.1 TDM,原理,4.4.2 TDM,数据复用方式,低通滤波器,1,低通滤波器,2,低通滤波器,n,1,低通滤波器,n,基带信号,m,1,(t),m,2,(t),m,n-1,(t),m,n,(t),信道,m,1,m,m,n-1,m,n,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,4,3,2,1,4,3,2,1,图,4-15,同步时分多路复用,S4,S3,S2,S1,S4,S3,S2,S1,多,路,解,复,用,器,同步多路电子开关,t1,t2,同步时分多路复用（,TDM,）,4.4.1 TDM,原理,1.TDM,基本原理：,其理论基础是基于抽样定理（,Sampling Theorem,）。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。,抽样定理,：,一个频带限制在（,0,f,H,）内的,时间连续信号,m(t),如果以不低于,2f,H,的速率进行抽样，则,m(t),可由抽样值完全确定。即：,若,f,s,=2f,H,（,f,s,代表采样频率,f,H,为最高频率）,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,图,4-11,抽样定理示意图,TDM,原理,抽样频率太低,抽样频率高,关键问题：,收发双方的同步,复用器中的电子开关是关键部件,TDM,工作特点：, 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,某一时刻,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,某一时间段,而言，信道上传送多路复用信号,TDM,2.,同步,TDM,中的基本概念,（,1,）帧：,TDM,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，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；,在具有,N,路输入系统中，,每个帧至少含有,N,个时间片,。,Synchronous TDM,：,不是因为,使用了同步传输，,而是因为,时间片是预先分配给数据源且固定不变的。,图,4-17,同步时分多路复用帧的传输,时,分,多,路,复,用,器,S4,S3,S2,S1,1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4,4,路输入信号,每帧含有,4,个时间片,帧,n,帧,2,帧,1,Time,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.,同步,TDM,中的基本概念,低通滤波器,1,低通滤波器,2,低通滤波器,n,1,低通滤波器,n,基带信号,m,1,(t),m,2,(t),m,n-1,(t),m,n,(t),信道,m,1,m,m,n-1,m,n,发送端,接收端,时分复用系统示意图,(,t),(,t),(,t),(,t),同步,（,2,）交错：,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，该设备就有机会向公共通路传输,规定大小,的数据。,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,交错,；,交错可以按,bit/byte/Data block,交错过程：,2.,同步,TDM,中的基本概念,时,分,多,路,复,用,器,DDD,CC,B,AAA,D,C,B,A,4,路输入信号,每帧含有,4,个时间片,帧,2,帧,1,D,C,A,D,A,帧,3,图,4-18,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：,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：,101010,（,4,）比特填充：,同步不同传输速率的数据源,，使得不同数据源间速率匹配（近似呈整数倍关系），,主要是通过复用器在设备的数据流中插入附加的比特。,2.,同步,TDM,中的基本概念,同步,TDM,标准,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,PCM,系统的一种最重要的应用。,现在,PCM,没有统一的标准，各个国家使用了各种互不兼容的方法。,北美和日本的技术：,T1,线路（,24,）,ITU-T,推荐的,TDM,标准：,E1,线路（,30,）,4.4.2 TDM,数据复用方式,根据每个时间片中存放的内容不同，在时分多路复用器中，数据复用方式分为三种，即,比特交错法,字符交错法,码组交错法,比特交错法,：,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一个比特。,传输特点：,这种方式按照被复用的,支路顺序和各支路中各自的比特顺序,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集合帧里，每一个时隙仅传送一个低速信道的,1,比特数据或传送,1,比特帧同步信息。,1.,比特交错法,时,分,多,路,复,用,器,S1,b11,b12,b13,b14,4,路输入信号,每帧含有,4,个时间片,帧,2,帧,1,S2,S3,S4,b2 b1,b21,b22,b23,b24,比特交错法,比特交错法基本原理框图,字符交错法：,主要用于,异步的数据源,字符交错是,以一个字符为单位进行复用,。,即它的每个时间片包含,某个数据源的,一个字符数据或同步信息。,传输特点,：,每个时间片传输,1,路信号中的,1,个字符（数据,/,同步信息），典型状况下每个字符的起始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,S1,A1,SF,B1,M1,m,路输入信号,每帧含有,m,个时间片,帧,2,帧,1,S2,Sm,Cn Ci c2 c1,A2,SF,B2,M2,An Ai A2 A1,Bn Bi B2 B1,Mn Mi M2 M1,帧,i,Ai,SF,Bi,Mi,字符交错法,字符交错法基本原理框图,帧结构：,SF,帧同步头,Mi,代表第,M,路信号中的第,i,个符号,优缺点：,适合于异步的数据源，但缓存容量与比特交错技术相比较大,SF,Mi,Bi,Ai,字符交错法,码组交错法：,码组交错技术按某一,码字,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（可能是一个比特，一个字符或更多比特）,基本原理框图：,3.,码组交错法,时,分,多,路,复,用,器,S1,SF,A1,B1,M1,m,路输入信号,每帧含有,m,个时间片,帧,2,帧,1,S2,Sm,Fn Fi F2 F1,SF,A2,B2,M2,An Ai A2 A1,Bn Bi B2 B1,Mn Mi M2 M1,帧,i,SF,Ai,Bi,Mi,码组交错法基本原理框图,码组交错法,帧结构：,SF,代表帧同步标志,Mi,代表第,M,路输入的第,i,个码字,传输特点：,每个时间片传输一个码字,/,子帧，与比特交错技术相比误码率较低,SF,Mi,Bi,Ai,实例,:,同步,TDM,S4,S3,S2,S1,时,分,多,路,复,用,器,AAAAA,CCC,A,C,帧,1,C,A,帧,2,C,A,帧,3,A,帧,4,A,帧,5,同步,TDM,实例,计算题,例,4.1,五个信源通过同步,TDM,复用在一起。每个信源每秒产生,100,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。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。,解：,（,1,）已知每个信源每秒产生,100,个字符，而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,100,帧,/,秒。,（,2,）如果假设每个字符为,8,位，因此每帧有,85=40,位，再加上每帧有一位帧定位比特，所以每帧的长度为,41,位。由此可计算出通路上的比特率是,41,位,/,帧,100,帧,/,秒,=4100bps,。,（,3,）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,81005=4000bps,。由此可计算出该系统的效率为,97.6%,。,4.5,异步时分多路复用,TDM,缺点：,资源浪费,原因：,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，因而浪费资源。,STDM,为了提高时隙的利用率，可以采用,按需分配,时隙的技术，以避免每帧中出现空闲时隙的现象,，即每一个时间片都可被所连接的任何一个有数据发送的输入线路所使用。以这种动态分配时隙方式工作的技术称为,统计时分多路复用,(STDM),或称,异步,TDM,（,ATDM,）,或智能,TDM,（,ITDM,）,Asynchronous TDM,Intelligent TDM,A2,A4,B3,B4,C1,C3,D2,D3,统计,时分,多路,复用,器,C1,A2,D2,B3,C3,D3,A4,B4,帧,1,帧,3,帧,2,帧,4,SA,SB,SC,SD,图,4-16,帧长不固定的,STDM,4.5.1,STDM,基本原理,STDM,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；,每条低速线路都有一个与之相联系的,I/O,缓冲区,。,发送端：,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,STDM,帧；,STDM,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,；所以每帧不仅包含数据，还有,地址信息,（每个时间片所对应数据都带地址）。,接收端：,解复用器根据,STDM,帧结构将时隙数据分发给合适的输出缓冲区，直到输出设备；,STDM,帧的每个时隙存在额外的开销。,实例,:,帧长度固定的,STDM,时,分,多,路,复,用,器,S5,S4,S3,S2,A,A,C,A,C,A,C,A,S1,AAAAA,CCC,情况,1,：两条输入线路发送数据,时,分,多,路,复,用,器,S5,S4,S3,S2,E,C,A,E,C,A,E,C,A,S1,AAAAA,CCCC,情况,2,：三条输入线路发送数据,EEE,A,C,A,时,分,多,路,复,用,器,S5,S4,S3,S2,A,E,D,C,A,E,D,C,A,S1,AAAAA,CCCC,情况,3,：四条输入线路发送数据,EEE,E,D,C,DDD,A,C,A,时,分,多,路,复,用,器,S5,S4,S3,S2,D,C,B,A,E,D,C,B,A,S1,AAAAA,CCCC,情况,4,：五条输入线路发送数据,EEE,A,C,A,DDD,E,D,C,B,A,E,BBB,4.5.2 STDM,帧结构,STDM,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息，将额外开销比特压缩到最小，以改善吞吐能力。,通常,STDM,系统使用诸如,HDLC,规程（详见第,8,章）的通信协议。如果使用,HDLC,帧，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 ；,1,。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机制的表现良好，但在负荷较重时效率就很低。,2,。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 。,4.6,多路复用技术比较,1.FDM,与,TDM,比较,FDM,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备趋于复杂 。,TDM,适合数字通信技术,2.,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输除掉其中的起始位和停止位）。抗突发、噪声性能好,比特交错技术：传输延迟小,3.,同步,TDM,与,STDM,比较,时间片上：,N,条输入线路,TDM:,帧内时间片数为,M=N,STDM:,帧内时间片数,M = N,效率上：,TDM:,效率低，但技术可靠，通信费用低,STDM:,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定数据流向，即控制规程较复杂,4.,复用过程,TDM:,时间片固定,(,包括个数，与数据源的对应） ，帧长度固定。,STDM:,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,D,B,C,A,B,A,C,S4,S3,S2,S1,时,分,多,路,复,用,器,A,A,B,B,C,C,D,A,B,B,C,A,C,D,B,A,B,D,C,A,C,同步,TDM,帧长度不固定，按时间片固定的,STDM,帧长度固定的,STDM,4.7 CDMA,码分复用,CDM,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,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进行通信。,由于,各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰,。,码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号,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,。,在,CDMA,中，每一个比特时间再划分为,m,个短的间隔，称为,码片,(chip),。,m,取值一般为,64,或,128,假定,m,为,8,CDMA,基本原理,在,CDMA,中的每一个站都被指派一个唯一的,m,位的码片序列。,如果该站发送,1,，则发送它自己的,m,位码片序列；,如果该站发送,0,，则发送该码片序列的二进制反码。,例如，指定给,s,站的,8,位码片序列是,00011011,，则：,当,s,发送比特,1,时，发序列,00011011,当,s,发送比特,0,时，发序列,11100100,如果将码片中的,0,写为,-1,，将,1,写为,+1,上例中，,s,站的,8,位码片序列是,（,-1, -1, -1, +1, +1, -1, -1, +1, +1,）,如果发送比特,1,，就表示为：,（,-1, -1, -1, +1, +1, -1, -1, +1, +1,）,如果发送比特,0,，就表示为：,（,+,1, +1, +1, -1, -1, +1, +1, -1, -1,）,如果,s,站要发送信息速率为,b bit/s,，由于每一个比特要转换成,m,个比特的码片，因此,S,站实际发送的数据速率为,mb bit/s,；同时它所占有的频带宽度也提高原来的,m,倍。,小结,多路复用技术的基本概念,FDM,，同时（,t,） ，不同,频（率）（,f,）,TDM,，同,频（率）（,f,），,不同,时,（,t,）,STDM,，同,CDMA,，同时（,t,） ，不同,频（率）（,f,）,假设,8,人（分成,4,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谈。,TDM,：将一段时间分成,4,个时间片，,4,组轮流交谈。,CDM,：,4,组同时分别用不同语言来交谈。,PCM,脉冲编码调制的技术,PCM(Pulse Coded Modulation),抽样,量化,：用预先规定的有限个离散值来表示模拟抽样值的过程称为“量化”。,先对输入信号的取值范围进行“分级”，得到,M,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,量化误差,）。我们把相邻两个离散电平值之间的差距称为,量化间隔,或,量化间距,。,编码：,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数的多少。,f(t),抽样,量化,编码,脉冲再现,译码,LPF,噪声,定时,A/D,D/A,f(t),Intel 2911A,编解码器,图,4-19,PCM(Pulse Coded Modulation),T1,载波,帧格式,最大传输速率,=,位数,/,帧 * 采样频率,f,s,=,（,1+8*24,）*,8000,= 1.544 (Mbps),分,帧,位,控,制,位,7,6,5,4,3,2,1,* 24,（对应,24,路话音）,数据位,帧格式,最大传输速率,=,位数,/,帧 * 采样频率,f,s,=,（,8*2+8*30,）*,8000,= 2.048 (Mbps),E1,载波,8,位,同步,Total=30,（对应,30,路话音）,8,位,信令,8,位,数据,（*,15,）,8,位,数据,（*,15,）,