ch時(shí)分多路復(fù)用PPT課件

1、第4章 多路復(fù)用技術(shù)（2） 4.4 同步時(shí)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(jì)時(shí)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(shí)分多路復(fù)用與頻分多路復(fù)用的比較 4.6.2 比特交錯(cuò)和字符交錯(cuò)復(fù)用方式的比較 4.6.3 同步時(shí)分復(fù)用與統(tǒng)計(jì)（異步）時(shí)分復(fù)用的比較第1頁/共55頁4.4 時(shí)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(jì)算機(jī)通信不太合適。 TDM：以時(shí)間作為分割信號的參量；即信號在時(shí)間位置上分開但它們能占用的頻帶是重疊的。當(dāng)傳輸信道所

2、能達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率超過了傳輸信號所需的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)即可采用TDM；第2頁/共55頁4.4 同步時(shí)分多路復(fù)用（TDM） TDM：完全由數(shù)字線路實(shí)現(xiàn)，近幾年得到廣泛應(yīng)用。 時(shí)分復(fù)用又分為同步時(shí)分復(fù)用和異步時(shí)分復(fù)用。 4.4.1 TDM原理 4.4.2 TDM數(shù)據(jù)復(fù)用方式第3頁/共55頁 低通濾波器1低通濾波器2低通濾波器n1低通濾波器n基帶信號m1(t)m2(t)mn-1(t)mn(t)信道m(xù)1mmn-1mn發(fā)送端接收端時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)示意圖(t)(t)(t)(t)第4頁/共55頁時(shí)分多路復(fù)用器43214321圖4-15 同步時(shí)分多路復(fù)用S4S3S2S1S4S3S2S1多路解復(fù)用器同步多路電子開關(guān)

3、t1t2同步時(shí)分多路復(fù)用（同步時(shí)分多路復(fù)用（TDM）第5頁/共55頁 4.4.1 TDM4.4.1 TDM原理 基本原理：其理論基礎(chǔ)是基于抽樣定理（Sampling Theorem）。因?yàn)槌闃佣ɡ硎沟脮r(shí)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(gè)頻帶限制在（0,fmax）內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號m(t),如果以不低于2fmax的速率進(jìn)行抽樣，則m(t)可由抽樣值完全確定。即： 若fs=2fmax （ 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)原來的信號第6頁/共55頁圖4-11 抽樣定理示意圖TDM原理原理抽樣頻率太低抽樣頻率高第7頁

4、/共55頁 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(diǎn)： 通信雙方是按照預(yù)先指定的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩疫@種時(shí)間關(guān)系是固定不變的 某一時(shí)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(shí)間段而言，信道上傳送多路復(fù)用信號TDM第8頁/共55頁2.2.同步TDMTDM中的基本概念 （1）幀：TDM傳送信號時(shí)，將通信時(shí)間分成一定長度的幀。每一幀又被分成若干時(shí)間片。即一幀由若干個(gè)時(shí)間片組成。 幀中的每個(gè)時(shí)間片是預(yù)先分配給某個(gè)數(shù)據(jù)源的，且這種關(guān)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(shí)間片都會(huì)被占有； 在具有N路輸入系統(tǒng)中，每個(gè)幀至少含有N個(gè)時(shí)間片。 S

5、ynchronous TDM：不是因?yàn)槭褂昧送絺鬏敚且驗(yàn)闀r(shí)間片是預(yù)先分配給數(shù)據(jù)源且固定不變的。第9頁/共55頁 幀內(nèi)時(shí)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)第10頁/共55頁圖4-17 同步時(shí)分多路復(fù)用幀的傳輸時(shí)分多路復(fù)用器S4S3S2S11234123412344路輸入信號每幀含有4個(gè)時(shí)間片幀n幀2幀1Time分配給某一設(shè)備的時(shí)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中的基本概念第11頁/共55頁2.2.同步同步TDMTDM中的基本概念中的基本概念 低通濾波器1低通濾波器2低通濾波器n1低

6、通濾波器n基帶信號m1(t)m2(t)mn-1(t)mn(t)信道m(xù)1mmn-1mn發(fā)送端接收端時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)示意圖(t)(t)(t)(t)同步第12頁/共55頁 （2）交錯(cuò)：同步時(shí)分多路復(fù)用器關(guān)鍵部件是高速的電子開關(guān)；當(dāng)開關(guān)移動(dòng)到某個(gè)設(shè)備前，該設(shè)備就有機(jī)會(huì)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(dòng)過程就稱作交錯(cuò)； 交錯(cuò)可以按 bit/byte/Data block 交錯(cuò)過程：2.同步TDM中的基本概念第13頁/共55頁時(shí)分多路復(fù)用器DDDCCBAAAD C B A4路輸入信號每幀含有4個(gè)時(shí)間片幀2幀1D CADA幀3圖4-18同步時(shí)分多路復(fù)用交錯(cuò)過程2.同步

7、TDM中的基本概念第14頁/共55頁 （3）幀定位比特：在每幀的開始附加一個(gè)或多個(gè)同步比特，以便于解復(fù)用器根據(jù)輸入信息進(jìn)行同步，從而精確地分離各時(shí)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中的基本概念第15頁/共55頁同步TDM標(biāo)準(zhǔn) 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(shí)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(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)國家使用了各種互不兼容的方法

8、。 北美和日本的技術(shù)：T1線路（24） ITU-T推薦的TDM標(biāo)準(zhǔn)：E1線路（30）第16頁/共55頁第17頁/共55頁4.4.2 TDM數(shù)據(jù)復(fù)用方式 根據(jù)每個(gè)時(shí)間片中存放的內(nèi)容不同，在時(shí)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(cuò)法 字符交錯(cuò)法 碼組交錯(cuò)法第18頁/共55頁 比特交錯(cuò)法：比特交錯(cuò)技術(shù)主要用于同步的數(shù)據(jù)源，它的每個(gè)時(shí)間片僅含有某個(gè)數(shù)據(jù)源的一個(gè)比特。 傳輸特點(diǎn)： 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(gè)比特的數(shù)據(jù) 比特交錯(cuò)時(shí)分復(fù)用器在高速傳送的數(shù)據(jù)信號集合幀里，每一個(gè)時(shí)隙僅傳送一個(gè)低速信道的1比特?cái)?shù)據(jù)或傳送1比特幀同步信息。1.比特交錯(cuò)法第19頁/

9、共55頁時(shí)分多路復(fù)用器S1b11b12b13b144路輸入信號每幀含有4個(gè)時(shí)間片幀2幀1S2S3S4 b2 b1b21b22b23b24比特交錯(cuò)法 比特交錯(cuò)法基本原理框圖第20頁/共55頁 字符交錯(cuò)法：主要用于異步的數(shù)據(jù)源,字符交錯(cuò)是以一個(gè)字符為單位進(jìn)行復(fù)用。即它的每個(gè)時(shí)間片包含某個(gè)數(shù)據(jù)源的一個(gè)字符數(shù)據(jù)或同步信息。 傳輸特點(diǎn)： 每個(gè)時(shí)間片傳輸1路信號中的1個(gè)字符（數(shù)據(jù)/同步信息），典型狀況下每個(gè)字符的起始位和停止位在傳輸之前被清除2.字符交錯(cuò)法第21頁/共55頁時(shí)分多路復(fù)用器S1A1SFB1M1m路輸入信號每幀含有m個(gè)時(shí)間片幀2幀1S2SmCn Ci c2 c1A2SFB2M2An Ai A2

10、 A1Bn Bi B2 B1Mn Mi M2 M1幀iAiSFBiMi字符交錯(cuò)法 字符交錯(cuò)法基本原理框圖第22頁/共55頁 幀結(jié)構(gòu)： SF幀同步頭,Mi代表第M路信號中的第i個(gè)符號 優(yōu)缺點(diǎn)：適合于異步的數(shù)據(jù)源，但緩存容量與比特交錯(cuò)技術(shù)相比較大MiBiAiSF字符交錯(cuò)法第23頁/共55頁 碼組交錯(cuò)法：碼組交錯(cuò)技術(shù)按某一碼字長度（若干比特）為單位進(jìn)行復(fù)用，即每個(gè)時(shí)間片包含某個(gè)數(shù)據(jù)源的一個(gè)碼字（可能是一個(gè)比特，一個(gè)字符或更多比特） 基本原理框圖：3.碼組交錯(cuò)法第24頁/共55頁時(shí)分多路復(fù)用器S1M1SFA1B1m路輸入信號每幀含有m個(gè)時(shí)間片幀2幀1S2SmFn Fi F2 F1M2SFA2B2An

11、Ai A2 A1Bn Bi B2 B1Mn Mi M2 M1幀iMiSFAiBi 碼組交錯(cuò)法基本原理框圖碼組交錯(cuò)法第25頁/共55頁 幀結(jié)構(gòu)： SF代表幀同步標(biāo)志 Mi代表第M路輸入的第i個(gè)碼字 傳輸特點(diǎn)： 每個(gè)時(shí)間片傳輸一個(gè)碼字/子幀，與比特交錯(cuò)技術(shù)相比誤碼率較低 MiBiAiSF第26頁/共55頁實(shí)例:同步TDMS4S3S2S1時(shí)分多路復(fù)用器AAAAACCCAC 幀1CA 幀2CA 幀3A 幀4A 幀5 同步TDM實(shí)例第27頁/共55頁計(jì)算題 例4.1 五個(gè)信源通過同步TDM復(fù)用在一起。每個(gè)信源每秒產(chǎn)生 100個(gè)字符。假設(shè)采用字符交錯(cuò)技術(shù)而且每幀需要一個(gè)比特同步。幀速率是多少？通路上的比特

12、率是多少？并求出該系統(tǒng)的傳輸效率。第28頁/共55頁 解：（1）已知每個(gè)信源每秒產(chǎn)生 100個(gè)字符，而每一幀容納每個(gè)信源的一個(gè)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(gè)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(jì)算出通路上的比特率是41位/幀100幀/秒=4100bps。 （3）要想計(jì)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(jì)算出該系統(tǒng)的效率為97.6%。第29頁/共55頁4.5 異步時(shí)分多路復(fù)用 TDM缺點(diǎn)：資源浪費(fèi) 原因：幀中時(shí)間片與用戶一一對

13、應(yīng)，用戶沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)也占用這個(gè)時(shí)間片，因而浪費(fèi)資源。第30頁/共55頁STDM 為了提高時(shí)隙的利用率，可以采用按需分配時(shí)隙的技術(shù)，以避免每幀中出現(xiàn)空閑時(shí)隙的現(xiàn)象。以這種動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙方式工作的技術(shù)稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用(STDM)或稱異步TDM（ATDM）或智能TDM （ITDM） Asynchronous TDM Intelligent TDM第31頁/共55頁A2A4B3B4C1C3D2D3統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用器C1A2D2B3C3D3A4B4幀1幀3幀2幀4SASBSCSD圖4-16 幀長不固定的STDM第32頁/共55頁 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

14、連，另一側(cè)是高速復(fù)用線路；每條低速線路都有一個(gè)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幀長度可以是固定的也可以是不固定的；時(shí)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(gè)時(shí)間片所對應(yīng)數(shù)據(jù)都帶地址）。第33頁/共55頁 接收端：解復(fù)用器根據(jù)STDM幀結(jié)構(gòu)將時(shí)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(gè)時(shí)隙存在額外的開銷。第34頁/共55頁實(shí)例:幀長度固定的STDM時(shí)分多路復(fù)用器S5S4S3S2AACACACAS1AAAAACCC情況1：兩條輸入線路發(fā)送數(shù)據(jù)第35頁/共55頁時(shí)分多路復(fù)用

15、器S5S4S3S2E C AE C AE C AS1AAAAACCCC情況2：三條輸入線路發(fā)送數(shù)據(jù)EEEA C A第36頁/共55頁時(shí)分多路復(fù)用器S5S4S3S2A E DC A ED C AS1AAAAACCCC情況3：四條輸入線路發(fā)送數(shù)據(jù)EEEE D CDDDA C A第37頁/共55頁時(shí)分多路復(fù)用器S5S4S3S2D C BA E DC B AS1AAAAACCCC情況4：五條輸入線路發(fā)送數(shù)據(jù)EEEA C ADDDE D CB A EBBB第38頁/共55頁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

16、，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 。第39頁/共55頁 STDM的兩種幀格式 ； 1。每幀一源的格式，幀中只包含一個(gè)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(biāo)志著整個(gè)幀的結(jié)束。在負(fù)荷不重的情況下這種機(jī)制的表現(xiàn)良好，但在負(fù)荷較重時(shí)效率就很低。 第40頁/共55頁 2。每幀多源的情況。這種方法允許在一個(gè)幀中壓縮多個(gè)數(shù)據(jù)。此時(shí)，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(jìn)地址和數(shù)據(jù)字長的標(biāo)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

17、。第41頁/共55頁第42頁/共55頁4.6 多路復(fù)用技術(shù)比較 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(cuò)與字符交錯(cuò)技術(shù)比較 字符交錯(cuò)技術(shù)：效率高（以字符為單位進(jìn)行傳輸除掉其中的起始位和停止位）。抗突發(fā)、噪聲性能好 比特交錯(cuò)技術(shù)：傳輸延遲小第43頁/共55頁 3.同步TDM與STDM比較 時(shí)間片上：N條輸入線路 TDM: 幀內(nèi)時(shí)間片數(shù)為M=N STDM:幀內(nèi)時(shí)間片數(shù)M = N 效率上： TDM: 效率低，但技術(shù)可靠，通信費(fèi)用低 STDM:效率高，技術(shù)先進(jìn)，但緩沖的容量較大，需用地址信息以便

18、解復(fù)用器確定數(shù)據(jù)流向，即控制規(guī)程較復(fù)雜第44頁/共55頁 4.復(fù)用過程 TDM:時(shí)間片固定(包括個(gè)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(shí)間片位置也可以是不固定的第45頁/共55頁DBCABACS4S3S2S1時(shí)分多路復(fù)用器AABBCCDABBCACDB ABD CAC同步TDM幀長度不固定，按時(shí)間片固定的STDM幀長度固定的STDM第46頁/共55頁4.7 CDMA 碼分復(fù)用CDM 是另一種共享信道的方法。 Code Division Multiplexing 實(shí)際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA (Code Division Multi

19、ple Access) 每一個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。第47頁/共55頁 由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此不會(huì)造成干擾。 碼分復(fù)用最初是用于軍事通信，因?yàn)檫@種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)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(gè)比特時(shí)間再劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。 m取值一般為64或128 假定m為8第48頁/共55頁CDMA基本原理 在CDMA中的每一個(gè)站都被指派一個(gè)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(jìn)制反碼。 例如，指定給s站的8 位碼片序列是00011011，則： 當(dāng)s發(fā)送比特1時(shí)，發(fā)序列00011011 當(dāng)s發(fā)送比特0時(shí)，發(fā)序列11100100第49頁/共55頁 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(gè)比特要轉(zhuǎn)換成m個(gè)比特的碼片