時分多路復(fù)用（TDM）.ppt

1、第4章 多路復(fù)用技術(shù)（2）,4.4 同步時分多路復(fù)用（TDM） 4.4.1 TDM原理 4.4.2 TDM數(shù)據(jù)復(fù)用方式 4.5 統(tǒng)計時分多路復(fù)用（STDM） 4.5.1 STDM原理 4.5.2 STDM幀結(jié)構(gòu) 4.6 多路復(fù)用技術(shù)的比較 4.6.1 時分多路復(fù)用與頻分多路復(fù)用的比較 4.6.2 比特交錯和字符交錯復(fù)用方式的比較 4.6.3 同步時分復(fù)用與統(tǒng)計（異步）時分復(fù)用的比較,4.4 時分多路復(fù)用（TDM）,FDM：以頻率作為分割信號的參量；采用模擬技術(shù)，對計算機通信不太合適。 TDM：以時間作為分割信號的參量；即信號在時間位置上分開但它們能占用的頻帶是重疊的。當傳輸信道所能達到的數(shù)據(jù)傳

2、輸速率超過了傳輸信號所需的數(shù)據(jù)傳輸速率時即可采用TDM；,4.4 同步時分多路復(fù)用（TDM）,TDM：完全由數(shù)字線路實現(xiàn)，近幾年得到廣泛應(yīng)用。 時分復(fù)用又分為同步時分復(fù)用和異步時分復(fù)用。 4.4.1 TDM原理 4.4.2 TDM數(shù)據(jù)復(fù)用方式,同步時分多路復(fù)用（TDM）,4.4.1 TDM原理,1.TDM基本原理：其理論基礎(chǔ)是基于抽樣定理（Sampling Theorem）。因為抽樣定理使得時間上離散的抽樣脈沖值代替基帶信號成為可能。 抽樣定理：一個頻帶限制在（0,fmax）內(nèi)的時間連續(xù)信號m(t),如果以不低于2fmax的速率進行抽樣，則m(t)可由抽樣值完全確定。即： 若fs=2fmax

3、（ fs代表采樣頻率 fmax為最高頻率） 則理論上就有一種方法能用采樣后的離散信號完全無失真地恢復(fù)原來的信號,圖4-11 抽樣定理示意圖,TDM原理,關(guān)鍵問題： 收發(fā)雙方的同步 復(fù)用器中的電子開關(guān)是關(guān)鍵部件 TDM工作特點： 通信雙方是按照預(yù)先指定的時間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩疫@種時間關(guān)系是固定不變的 某一時刻而言，信道上僅傳送一對設(shè)備之間的信號而不是多路復(fù)用信號 某一時間段而言，信道上傳送多路復(fù)用信號,TDM,2.同步TDM中的基本概念,（1）幀：TDM傳送信號時，將通信時間分成一定長度的幀。每一幀又被分成若干時間片。即一幀由若干個時間片組成。 幀中的每個時間片是預(yù)先分配給某個數(shù)據(jù)源的，且這種關(guān)

4、系固定不變。不論有無數(shù)據(jù)需要發(fā)送，所有數(shù)據(jù)源的時間片都會被占有； 在具有N路輸入系統(tǒng)中，每個幀至少含有N個時間片。 Synchronous TDM：不是因為使用了同步傳輸，而是因為時間片是預(yù)先分配給數(shù)據(jù)源且固定不變的。,幀內(nèi)時間片數(shù)=通道數(shù) (m=n) 幀數(shù)=信號源中信號最多的數(shù)量 (z=simax),圖4-17 同步時分多路復(fù)用幀的傳輸,Time,分配給某一設(shè)備的時間片在一幀中的位置是固定的（意味著多路開關(guān)是單向掃描的），這些就構(gòu)成了該設(shè)備的傳輸通道,2.同步TDM中的基本概念,2.同步TDM中的基本概念,（2）交錯：同步時分多路復(fù)用器關(guān)鍵部件是高速的電子開關(guān)；當開關(guān)移動到某個設(shè)備前，該設(shè)備

5、就有機會向公共通路傳輸規(guī)定大小的數(shù)據(jù)。開關(guān)的這種以固定的速率和固定的順序在設(shè)備間的移動過程就稱作交錯； 交錯可以按 bit/byte/Data block 交錯過程：,2.同步TDM中的基本概念,時 分 多 路 復(fù) 用 器,DDD,CC,B,AAA,4路輸入信號 每幀含有4個時間片,幀2,幀1,幀3,圖4-18同步時分多路復(fù)用交錯過程,2.同步TDM中的基本概念,（3）幀定位比特：在每幀的開始附加一個或多個同步比特，以便于解復(fù)用器根據(jù)輸入信息進行同步，從而精確地分離各時間片?？刂菩畔⑹褂玫氖强梢宰R別的比特模式：101010 （4）比特填充：同步不同傳輸速率的數(shù)據(jù)源，使得不同數(shù)據(jù)源間速率匹配（近

6、似呈整數(shù)倍關(guān)系），主要是通過復(fù)用器在設(shè)備的數(shù)據(jù)流中插入附加的比特。,2.同步TDM中的基本概念,同步TDM標準,主要采用一種脈沖編碼調(diào)制的技術(shù) PCM(Pulse Coded Modulation) PCM電話系統(tǒng)是時分多路PCM系統(tǒng)的一種最重要的應(yīng)用。 現(xiàn)在PCM沒有統(tǒng)一的標準，各個國家使用了各種互不兼容的方法。 北美和日本的技術(shù)：T1線路（24） ITU-T推薦的TDM標準：E1線路（30）,4.4.2 TDM數(shù)據(jù)復(fù)用方式,根據(jù)每個時間片中存放的內(nèi)容不同，在時分多路復(fù)用器中，數(shù)據(jù)復(fù)用方式分為三種，即 比特交錯法 字符交錯法 碼組交錯法,比特交錯法：比特交錯技術(shù)主要用于同步的數(shù)據(jù)源，它的每個

7、時間片僅含有某個數(shù)據(jù)源的一個比特。 傳輸特點： 這種方式按照被復(fù)用的支路順序和各支路中各自的比特順序每次僅復(fù)用一個比特的數(shù)據(jù) 比特交錯時分復(fù)用器在高速傳送的數(shù)據(jù)信號集合幀里，每一個時隙僅傳送一個低速信道的1比特數(shù)據(jù)或傳送1比特幀同步信息。,1.比特交錯法,比特交錯法,比特交錯法基本原理框圖,字符交錯法：主要用于異步的數(shù)據(jù)源,字符交錯是以一個字符為單位進行復(fù)用。即它的每個時間片包含某個數(shù)據(jù)源的一個字符數(shù)據(jù)或同步信息。 傳輸特點： 每個時間片傳輸1路信號中的1個字符（數(shù)據(jù)/同步信息），典型狀況下每個字符的起始位和停止位在傳輸之前被清除,2.字符交錯法,字符交錯法,字符交錯法基本原理框圖,幀結(jié)構(gòu)：

8、SF幀同步頭,Mi代表第M路信號中的第i個符號 優(yōu)缺點：適合于異步的數(shù)據(jù)源，但緩存容量與比特交錯技術(shù)相比較大,字符交錯法,碼組交錯法：碼組交錯技術(shù)按某一碼字長度（若干比特）為單位進行復(fù)用，即每個時間片包含某個數(shù)據(jù)源的一個碼字（可能是一個比特，一個字符或更多比特） 基本原理框圖：,3.碼組交錯法,碼組交錯法基本原理框圖,碼組交錯法,幀結(jié)構(gòu)： SF代表幀同步標志 Mi代表第M路輸入的第i個碼字 傳輸特點： 每個時間片傳輸一個碼字/子幀，與比特交錯技術(shù)相比誤碼率較低,實例:同步TDM,同步TDM實例,計算題,例4.1 五個信源通過同步TDM復(fù)用在一起。每個信源每秒產(chǎn)生 100個字符。假設(shè)采用字符交錯

9、技術(shù)而且每幀需要一個比特同步。幀速率是多少？通路上的比特率是多少？并求出該系統(tǒng)的傳輸效率。,解：（1）已知每個信源每秒產(chǎn)生 100個字符，而每一幀容納每個信源的一個字符，由此可知該系統(tǒng)的幀速率是100幀/秒。 （2）如果假設(shè)每個字符為8位，因此每幀有85=40位，再加上每幀有一位幀定位比特，所以每幀的長度為41位。由此可計算出通路上的比特率是41位/幀100幀/秒=4100bps。 （3）要想計算傳輸效率，已知通路上的比特率為=4100bps，而各通道上傳輸有用數(shù)據(jù)的總合為81005=4000bps。由此可計算出該系統(tǒng)的效率為97.6%。,4.5 異步時分多路復(fù)用,TDM缺點：資源浪費 原因：

10、幀中時間片與用戶一一對應(yīng)，用戶沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時也占用這個時間片，因而浪費資源。,STDM,為了提高時隙的利用率，可以采用按需分配時隙的技術(shù)，以避免每幀中出現(xiàn)空閑時隙的現(xiàn)象。以這種動態(tài)分配時隙方式工作的技術(shù)稱為統(tǒng)計時分多路復(fù)用(STDM)或稱異步TDM（ATDM）或智能TDM （ITDM） Asynchronous TDM Intelligent TDM,4.5.1 STDM基本原理,STDM系統(tǒng)復(fù)用器（解復(fù)用器）的一側(cè)與幾條低速線路相連，另一側(cè)是高速復(fù)用線路；每條低速線路都有一個與之相聯(lián)系的I/O緩沖區(qū)。 發(fā)送端：復(fù)用器首先掃描各條低速線路（輸入緩沖區(qū)），將輸入數(shù)據(jù)組織成STDM幀；STDM幀長

11、度可以是固定的也可以是不固定的；時間片位置也可以是不固定的；所以每幀不僅包含數(shù)據(jù)，還有地址信息（每個時間片所對應(yīng)數(shù)據(jù)都帶地址）。,接收端：解復(fù)用器根據(jù)STDM幀結(jié)構(gòu)將時隙數(shù)據(jù)分發(fā)給合適的輸出緩沖區(qū)，直到輸出設(shè)備； STDM幀的每個時隙存在額外的開銷。,實例:幀長度固定的STDM,時 分 多 路 復(fù) 用 器,S5,S4,S3,S2,S1,AAAAA,CCCC,情況2：三條輸入線路發(fā)送數(shù)據(jù),EEE,時 分 多 路 復(fù) 用 器,S5,S4,S3,S2,S1,AAAAA,CCCC,情況3：四條輸入線路發(fā)送數(shù)據(jù),EEE,DDD,時 分 多 路 復(fù) 用 器,S5,S4,S3,S2,S1,AAAAA,CCC

12、C,情況4：五條輸入線路發(fā)送數(shù)據(jù),EEE,DDD,BBB,4.5.2 STDM幀結(jié)構(gòu),STDM所使用的幀結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能有一定的影響，一般應(yīng)盡量減少用于管理的附加信息，將額外開銷比特壓縮到最小，以改善吞吐能力。 通常STDM系統(tǒng)使用諸如HDLC規(guī)程（詳見第8章）的通信協(xié)議。如果使用HDLC幀，那么數(shù)據(jù)幀中必須含有復(fù)用操作的控制位 。,STDM的兩種幀格式 ； 1。每幀一源的格式，幀中只包含一個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)及其地址信息。數(shù)據(jù)字段的長度是可變的，并且數(shù)據(jù)字段的結(jié)束就標志著整個幀的結(jié)束。在負荷不重的情況下這種機制的表現(xiàn)良好，但在負荷較重時效率就很低。,2。每幀多源的情況。這種方法允許在一個幀中壓縮多個

13、數(shù)據(jù)。此時，除了需要指明數(shù)據(jù)源的地址外，還需要給出數(shù)據(jù)字長，因此改進地址和數(shù)據(jù)字長的標志方法可使這種方法更加有效。使用相對尋址的方法就可以減少地址字段 。,4.6 多路復(fù)用技術(shù)比較,1.FDM與TDM比較 FDM在適合模擬通信技術(shù)，效率高，能夠充分利用傳輸媒介帶寬資源，但隨輸入信號增加設(shè)備趨于復(fù)雜 。 TDM適合數(shù)字通信技術(shù) 2.比特交錯與字符交錯技術(shù)比較 字符交錯技術(shù)：效率高（以字符為單位進行傳輸除掉其中的起始位和停止位）?？雇话l(fā)、噪聲性能好 比特交錯技術(shù)：傳輸延遲小,3.同步TDM與STDM比較 時間片上：N條輸入線路 TDM: 幀內(nèi)時間片數(shù)為M=N STDM:幀內(nèi)時間片數(shù)M = N 效率

14、上： TDM: 效率低，但技術(shù)可靠，通信費用低 STDM:效率高，技術(shù)先進，但緩沖的容量較大，需用地址信息以便解復(fù)用器確定數(shù)據(jù)流向，即控制規(guī)程較復(fù)雜,4.復(fù)用過程 TDM:時間片固定(包括個數(shù)，與數(shù)據(jù)源的對應(yīng)） ，幀長度固定。 STDM: 幀長度可以是固定的也可以是不固定的；時間片位置也可以是不固定的,同步TDM,幀長度固定的STDM,4.7 CDMA,碼分復(fù)用CDM 是另一種共享信道的方法。 Code Division Multiplexing 實際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA (Code Division Multiple Access) 每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶

15、進行通信。,由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此不會造成干擾。 碼分復(fù)用最初是用于軍事通信，因為這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 在CDMA中，每一個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。 m取值一般為64或128 假定m為8,CDMA基本原理,在CDMA中的每一個站都被指派一個唯一的m位的碼片序列。 如果該站發(fā)送1，則發(fā)送它自己的m 位碼片序列； 如果該站發(fā)送0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。 例如，指定給s站的8 位碼片序列是00011011，則： 當s發(fā)送比特1時，發(fā)序列00011011 當s發(fā)送比特0時，發(fā)序列1110010

16、0,如果將碼片中的0寫為-1，將1寫為+1 上例中， s站的8 位碼片序列是 （-1, -1, -1, +1, +1, -1, -1, +1, +1） 如果發(fā)送比特1，就表示為： （-1, -1, -1, +1, +1, -1, -1, +1, +1） 如果發(fā)送比特0，就表示為： （+1, +1, +1, -1, -1, +1, +1, -1, -1） 如果s站要發(fā)送信息速率為b bit/s，由于每一個比特要轉(zhuǎn)換成m個比特的碼片，因此S站實際發(fā)送的數(shù)據(jù)速率為mb bit/s；同時它所占有的頻帶寬度也提高原來的m倍。,小結(jié),多路復(fù)用技術(shù)的基本概念 FDM，同時（t） ，不同頻（率）（f） TDM，同頻（率）（f），不同時（t） STDM，同 CDMA，同時（t） ，又同頻（率）（f） 假設(shè)8人（分成4組）在同一房間中說話 FDM：4組人在同一房間的不同角落用同樣的語調(diào)相互交談。 TDM：將一段時間分成4個時間片，4組輪流交談。 CDM：4組同時分別用不同語言來交談。,PCM,脈沖編碼調(diào)制技術(shù) PCM(Pulse Coded Modulation) 抽樣 量化：用預(yù)先規(guī)定的有限個離散值來表示模擬抽樣值的過程稱為“量化”。 先對輸入信號的取值范圍進行“分級”，得到M個離散電平值，然后把模擬抽樣信號