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1、4.1 时分多路复用通信4.2 PCM30/32路系统,第4章 时分多路复用及PCM30/32路系统,本章主要内容,数字通信在实现多路通信时是采用的时分制多路方式，如何实现时分制多路通信是非常重要的。本章对时分多路复用的基本概念、PCM30/32路系统的帧结构及帧同步系统的工作原理、PCM30/32路的系统构成进行了说明。,4.1 时分多路复用通信概念,4.1.1 时分多路复用概念1.多路复用的概念为了提高通信信道的利用率，使信号沿同一信道传输而不互相干扰，这种通信方式称为多路复用。时分多路复用方式用于数字通信，例如PCM通信。频分多路复用方式用于模拟通信，例如载波通信。,4.1 时分多路复用
2、通信概念,2、时分多路复用概念概念：利用多路信号在信道上占用不同时间间隔的特征来分开各路信号，每路占用的时间间隔称为路时隙，简称时隙。,时分复用示意图,时分复用系统示意图,正常工作条件：两开关必须同频同相（转速、起始位置相同）。术语：收、发端保持同步。,工作原理,图中SA1和SA2为电子转换开关，它们在同步系统的控制下以同起点、同速度顺序同步旋转，以保证收、发两端同步工作。在发端，开关的旋转接点接于某路信源时，就相当于取出某路信源信号的离散时间的幅度数值。旋转接点按顺序旋转，就相当于按顺序取出各路信源信号在离散时间的幅度数值并合成，然后经模/数变换电路变为数字信号，再与同步信号合成即可送给信道
3、传输。在接收端，首先分出同步信号，再进行数/模变换后即可由旋转开关分别送给相应的信息接收者。,3路PCM时分复用系统组成,4.1.2 PCM时分多路通信系统的组成,以3路复用为例，说明PCM时分多路通信系统的组成。,工作原理：,1抗干扰，低通滤波，截止3.4kHz。2采样周期T=125s,fs=8000Hz,ST为抽样脉冲，各路依次错开，各路抽样信号在时间上分开，实现多路复用。3编码需要时间，为了保证编码精度，展宽多路抽样值到整个时隙，将和路信号PAM送保持单元。4经过量化成为PCM信号，一路PCM信号（码字）占用一个路时隙。5解码还原和路PAM信号，有量化误差，一路码字到齐后开始解码，有延迟
4、。6.分路、低通滤波重新恢复各路原始话音信号。,推广N路：PCM30/32路系统、PCM24路系统。几个基本概念：帧：重复出现的数字图案；帧周期就是各路信号的抽样周期，tF=T重复出现的数字图样路时隙：合路PAM信号每个样值所允许的时间，tC=T/N位时隙：一个码元占用的时间，tB=tC/l,4.1.3 时分多路复用系统中的位同步,1.帧同步的概念数字通信的同步：也称为定时，包括位同步和帧同步。位同步（码元同步、时钟同步）：是指收发两端时钟频率相等，相位一致。说明：位同步相当于开关旋转速度相同保证收发两端设在指定时间协调一致地工作，能正确区分，接收每一路信号。,位同步,在数据通信中最基本的同步
5、方式就是位同步(bit synchronization)或比特同步。比特是数据传输的最小单位。位同步（比特同步）是指接收端时钟已经调整到和发送端时钟完全一样，因此接收端收到比特流后，就能够在每一位的中间位置进行判决（如下图所示）。位同步（比特同步）的目的是为了将发送端发送的每一个比特都正确地接收下来。这就要在正确的时刻（通常就是在每一位的中间位置）对收到的电平根据事先已约定好的规则进行判决。例如，电平若超过一定数值则为1，否则为0。,位同步示意图,要真正恢复数字信号必须进行整形判决，这就要求本地码元定时与发送端定时脉冲的重复频率相等，而且判决时刻必须在最佳点以保证对输入信号的最佳取样进行判决。
6、如图所示,图 判决时刻的选取(a)判决时刻选取不合适；(b)判决时刻选取适当,外同步法,1插入位定时导频法,图 导频插入频谱,导频提取的原理如图8-9所示，图8-9中利用锁相环的跟踪和窄带的特性来提取信号，而移相电路目的是为了抵消提取出的导频信号经窄带滤波器、限幅器和锁相环引起的相移。,图 插入导频的提取,图8-8为导频插入频谱，其中图8-8(a)表示双极性不归零的基带信号插入导频的位置是fb=1/T(T为码元周期)；图8-8(b)表示经波形相关编码之后，基带信号中插入导频的位置为fb*1/2。,(b),(a),图8-10 微分整流滤波法方框图及各点波形(a)方框图；(b)各点波形。,(b),
7、(a),图8-11 包络检波法提取位定时信号(a)方框图；(b)波形图。,自同步法,位同步系统的性能指标,1.相位误差(精度)相位误差是指在码元建立后，接收端提取的位同步脉冲与接收到的码元(脉冲)之间出现的相位误差。2.同步建立时间 同步建立时间即为系统从失步后开始到系统重新实现同步止所需要的最长时间。3.同步保持时间 从含有位同步信息的接收信号消失或接收信号中的位同步信息消失开始，到位同步提取电路输出的正常位同步信号中断为止的这段时间，称为位同步保持时间。4.同步门限信噪比 在保证一定的位同步质量的前提下，接收机输入端所允许的最小信噪比，称为同步门限信噪比。5.同步带宽 同步带宽是指位同步频
8、率与码元速率之差。,何为帧同步？,但仅仅有位同步还不够。因为数据要以帧为单位进行发送。若某一个帧有差错，以后就重传这个出错的帧。因此一个帧应当有明确的界限，也就是说，要有帧定界符。接收端在收到比特流后，必须能够正确地找出帧定界符，以便知道哪些比特构成一个帧。接收端找到了帧定界符并确定帧的准确位置，就是完成了帧同步(frame synchronization)。,帧同步：是指收发两端相应的话路在时间上对准，以便接收端能够正确分路。,说明：复用时多路信号构成一帧，并且附加帧起始标志（帧同步码），以便接收端识别。每一帧内信号位固定，若能识别出首尾，就可以正确区分每一路信号，实现帧同步，相当于开关起始
9、位置相同。,4.1.4 时分多路复用系统中的帧同步,两种帧同步方式,位同步和帧同步,同步通信方式在电信网中使用得非常广泛，其中的一个重要特点是在发送端连续不断地发送比特流中，即使有的时隙没有被用户使用，但用于同步的时隙也要保留在时分复用帧中的相应位置上。在同步通信中帧同步的任务就是使接收端能够从收到的连续比特流中确定出每一个时分复用帧的位置。异步通信方式在计算机网络中使用得较多。我们可以注意到，数据帧在接收端出现的时间是不规则的。因此在接收端必须进行帧定界。但帧定界也常称为帧同步。因此，当我们看到帧同步时，应当弄清这是同步通信中的帧同步，还是异步通信中的帧定界。异步通信的好处是通信设备简单、便
10、宜，但传输效率较低（因为开始位和停止位的开销所占比例较大）,位同步和帧同步,这里我们要强调一下，在异步通信时，接收端即使找到了数据帧的开始处，也还必须将数据帧中的所有比特逐个接收下来。因此，接收端必须和数据帧中的各个比特进行比特同步（这就是异步通信中的同步问题）。试想：如果接收端不知道每一个比特要持续多长时间，那怎样能将一个个比特接收下来呢？因此，不管是同步通信还是异步通信，要想接收比特块中的每一个比特，就必须和比特块中的比特进行位同步（比特同步）。然而在异步通信中，位同步（比特同步）的方法和同步通信时并不完全一样。,2.帧同步系统的工作原理,PCM复用系统为了完成帧同步功能，在接收端还需要有
11、两种装置：一是同步码识别装置，二是调整装置。同步码识别装置用来识别接收的PCM信号序列中的同步标志码位置；调整装置，当收、发两端同步标志码位置不对应时，需对收端进行调整以使其两者位置相对应。这些装置统称为帧同步电路。,2.帧同步系统的工作原理作用：同步码识别、同步调整,逐步移位法帧同步系统框图,3.帧同步系统的保护措施,由前述工作原理可以知道，帧同步系统总是处于检测和比较状态，即使系统是正常同步工作状态也要进行检测和比较。加入保护电路的同步系统原理框图如图所示。,3.帧同步系统的保护措施,保护过程示意图,1）帧同步系统的相关概念假失步：由于误码引起的失步；假同步：因信息码可能出现的与帧同步码型
12、相同的码组而误判的同步。,前方保护的目的：避免出现假失步。后方保护目的：避免出现假同步。,保护过程示意图,失步状态,同步状态,同步状态,前方保护时间,后方保护时间,同步捕捉时间,帧同步系统的要求：同步性能稳定，具有一定的抗干扰能力；同步识别效果好；（同步码组的长度要短,效果好)同步引入时间要短；构成系统的电路简单。,4.帧同步系统的要求及有关问题的讨论,1）帧同步码的插入方式,集中插入：如PCM30/32路系统,分散插入：如PCM24路系统,帧码,帧码,2）帧码码型的选择,帧码长度r的选择，需考虑以下几个因素。检定概率P1：发帧码，正确收的概率，大好漏检概率P2：发帧码，未检出的概率,小好,P
13、1+P2=1假同步概率P3：未发帧码,识别为帧码的概率，小好非假同步概率P4：未发帧码，收未识别为帧码概率,大好 P3+P4=1,出现的矛盾：r小，P2小，P3大 r大，P2大，P3小，同步码组太长，资源浪费,解决此矛盾的方法：（1）提供后方保护，提高帧同步系统的稳定性；（2）选取最佳同步码码型，如临界点为的码组。,概念：同步码邻接区：长度为r的帧码（同步码）码组，其前后各长为r-1位码的区域称为同步码邻接区。临界点为的码组：在帧同步码邻接区内无假帧码的码组。,同步码邻接区，r=7,3）帧同步码检出方式逐位比较方式码型检出方式,）同步引入方式逐步引入方式 复位同步方式,帧同步码检出方式,a.逐
14、位比较方式：接收端产生一组与发送端插入的帧同步码组相同的本地帧码，在识别电路中使本地帧码与接收的PCM序列码逐位进行比较。b.码型检出方式：接收端设置一个移位寄存器，该寄存器的每级输出端的组合是按发送的帧同步码型设计的，当接收的PCM序列中帧同步码全部进入移存器时才能有识别检出脉冲。,复位同步方式,帧同步系统的性能指标,通常用假失步概率、假同步概率和帧同步平均建立时间来衡量这些性能。,1.假失步概率与假同步概率,由于干扰的存在，接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识别已发出的同步码组，误判为失步，出现这种情况的概率称为假失步概率。在接收的数字信号序列中，也可能在表示信息的码元中
15、出现与同步码组相同的码组，它被识别器识别出来误认为是同步码组而形成假同步信号，出现这种情况的概率称为假同步概率。,2.同步平均建立时间,同步建立时间是指系统在开始工作或从确认失步开始搜捕起，一直到重新进入同步工作状态这段时间，其时间长短与同步检测的方式有关。,4.2 PCM30/32路系统,说明：PCM30/32路系统，复用路数n=32，通常话音路数为30，另外两个时隙用于传送帧同步码和信令码。,信令概念：信令是连接建立、拆除、控制及网管信息，分为时隙内/外信令，共路信令与随路信令。,信令分类：共路信令(CCS:Common Channel Signaling)是多路信号共用一个信令信道，随路
16、信令(CAS:Channel Associated Signaling)是每路信号一个信令信道。,话音信号8kHz采样，PCM帧周期125s。合理利用帧结构，将若干帧组成一个复帧。,4.2.1 PCM30/32路系统帧结构,.基本帧结构,一个子帧含32个时隙，一个时隙宽度为,一个时隙含8比特，比特间隔,1复帧含16个子帧，复帧周期,子帧周期为,PCM30/32路系统帧结构,帧结构说明：30个话路时隙，TS1TS15,TS17TS32帧同步时隙TS0，分为偶帧、奇帧情况。奇帧时第二位为“1”，此位用以区别奇/偶帧，A1为失步对告，A1=0为同步，A1=1为失步，其它位传送其它信息。信令与复帧同步
17、时隙TS16。信令信号抽样频率500Hz，抽样周期2ms，每隔16帧传一次。16帧为一复帧，为使信令码对准，需复帧同步，信令码不能出现0000，以免与复帧同步混淆。,例题：计算基群PCM30/32系统的码元传输速率。解：,练习：请计算PCM30/32系统的几个标准数据:帧周期（s）帧长度（bit）路时隙（s）位时隙（s）传码率Rb,2）CRC复帧结构1个CRC复帧含2个CRC子复帧SMF，SMF也称为CRC块。1个CRC复帧含16（328）=4096比特1个SMF含8个子帧（基本帧），含8（328）=2048比特。,2.CRC复帧结构（简介）,1）CRC：Cyclic Redundancy C
18、heck 循环冗余校验。,4）循环编码过程：（1）将SMF（N）中的CRC比特位置为0，即令C1=C2=C3=C4=0，得到由SMF（N）的信息码组。,（3）将SMF（N）循环编码得到的监督位b1b2b3b4 插入到SMF(N+1)中的CRC比特位上。即令SMF（N+1）中的C1=b1,C2=b2,C3=b3,C4=b4，进行发送传输。（4）重复步骤（1）、（2）、（3）。,（2）除 得余数，存储对应的码组b1b2b3b4.,5）循环译玛过程：,（3）提取SMF（N+1）中的CRC校验码C1、C2、C3、C4，并与b1b2b3b4相比较，如有不同，说明SMF（N+1）有误码。（4）重复步骤（1
19、）、（2）、（3）。,（2）除 得余数，存储对应的码组b1b2b3b4.,(1)将SMF（N）中的CRC比特位置为0，构成接收端SMF（N）的信息码组,3）基群中附加CRC校验的目的提供防止假同步的附加保护措施;增强通信系统的误码检测能力。（CRC码可以检测整条数字链路）,4.2.2 PCM30/32路定时系统,1.时钟系统：用于产生帧、路、位等时钟信号的系统.,2.时钟的作用主时钟CP：用于产生各类定时脉冲的时钟源。时隙脉冲：TS0、TS16帧时隙脉冲用于帧码及信令码的插入和分离。路脉冲：CH1 CH30路脉冲用于抽样、合路和分路；位脉冲：D1 D8用于编码、译码。复帧脉冲：复帧码、线路信令
20、码的插入和分离。,3.发端时钟系统,PCM30/32路系统发端定时系统方框图：,各种定时信号的作用及参数：,（1）时钟脉冲频率：2048kHz频率稳定度：5010-6，误差：102Hz占空比：50%，脉冲宽度：0.488/2=0.244s,（2）位脉冲用于编码、解码、产生路脉冲、帧同步码和标志信号码等;频率：256kHz，8相，脉冲宽度：0.244 s,时钟脉冲、位脉冲示意图,(3)路脉冲,作用：（1）用于各话路信号抽样和分路;（2）TS0、TS16路时隙脉冲形成。频率：8kHz（抽样）宽度：0.488 s4=1.95 s,（4）路时隙与复帧脉冲,时隙脉冲：TS0路时隙脉冲：传送帧同步码TS1
21、6路时隙脉冲：传送信令码频率均为：8kHz，宽度均为：0.488s8=3.91s,复帧脉冲：传送复帧同步码，频率：0.5kHz,16相，宽度：125 s,4.收端定时钟提取,说明：收端定时系统没有主时钟源(晶体振荡器)，由时钟提取电路代替，2.048MHz时钟产生位脉冲、路脉冲等方法同发端一样。,谐振槽提取定时钟的方框图,问题：接收端如何获得同步时钟（2.048MHz)?,3.2.3 PCM30/32路帧同步系统,位同步无法判别收到的信码是第几路信号的第几位码，须采用帧同步方法解决以下问题：分辨出哪8位是一个码字码字属于哪一路,注意：PCM30/32系统的帧同步是指子帧同步、复帧同步、CRC复
22、帧同步。,保护过程示意图,失步状态,同步状态,同步状态,前方保护时间,后方保护时间,同步捕捉时间,复习：前方保护的目的：避免出现假失步。后方保护的目的：避免出现假同步。,前方保护由前述可知，前方保护是为了防止假失步。,具体的说，从第一个帧同步码丢失起到帧同步系统进入捕捉状态为止的这段时间称为前方保护时间，可表示为：,后方保护后方保护是为防止伪同步。从捕捉到第一个真正的同步码到系统进入同步状态这段时间称为后方保护时间，可表示为：,1)N帧(偶)有同步码(10011011),第一位固定为1；2)N+1帧（奇）无同步码，第2比特固定为1,表示奇帧；3)N+2帧（偶）有同步码（10011011）；则判
23、断进入同步。如果以上3个条件均满足，则判帧同步系统进入同步状态。若条件不满足，则表示前一帧是伪同步，需重新捕捉。,1.无CRC校验时帧同步系统工作流程,失步到同步的判别：,A：同步态，B：前方保护状态C：捕获状态D：后方保护状态,Ps：帧同步码，Pc：收端本地帧同步码,帧同步系统工作流程图,说明,无CRC校验时帧同步系统工作流程。,子帧前方保护时间：T前=（m-1）TsTs=250 s，G.732规定：m=3 4,子帧后方保护时间：T后=（n-1）TsG.732规定：n=2,A：同步态，C：失步态,1）（子）帧同步的判决当满足以下三个条件时，认为到达了子帧同步。第一次捕捉到正确的帧同步码；接着
24、来的第二帧的TS0的第二比特为1，再接着来的下一帧的TS0时隙有正确的帧同步码。,2）复帧同步、失步的判别方法同步：子帧同步的前提下，当检测到复帧同步信号，并且后四位比特中至少有一位是1，则认为复帧同步。失步：当已收到两个连续的有错误的复帧同步信号，或在两个复帧周期F0的TS16中所有的比特均为0时，认为复帧失步。,2.有CRC校验时帧同步系统工作流程,3）CRC复帧同步、失步的判别同步：子帧同步的前提下，8ms内能识别出两个以上的CRC复帧同步码，则认为CRC复帧同步。失步：8ms内未能捕捉到两个以上的CRC复帧同步码组，则认为CRC复帧失步。,4）子帧失步的判别方法采用CRC功能后，当以下
25、三个条件任意一个满足时，认为子帧失步。连续三次收到有错误的帧同步信号；连续三次收到奇正帧的TS0的第2比特有错误；CRC复帧失步，或者1秒内CRC块错误超过915个。,帧同步码型与长度,在PCM信息码流中，不可避免地随机地形成与帧同步码组相同的码组。即伪同步码组，由于伪同步码组的出现，将使平均失步时间加长。如果增加帧同步码组的码位数，可使伪同步码组出现的机会减少。但是码位数过多，将减少有效通信容量或增加信道数码率。因此应研究在一定码位数的条件下，如何选择帧同步码组的结构，以期得到最佳的平均失步时间。,PCM综合码流分区图,对于集中插入帧同步码组方式来讲，并不是整个信息码流中任何一码组都会形成伪
26、同步码组的。帧同步周期包含512比特，当采用一种特殊的码型时，有一段码流不会出现伪同步码组。根据这种情况，可将信息码流分为两个区域：随机区和覆盖区，如图所示。在随机区内是可能出现伪同步码组的，这是因为它完全由信息码组成，而信息码的每一位都是随机的。在覆盖区中任一码长L的码组都是由部分信息码和部分帧同步码共同组成的，仅有一组是真正的帧同步码组，在这些码组中的某些码位不是随机的。在覆盖区内，于帧同步码组的两侧有（L-1）位，它们与帧同步码共同组成2(L-1)+L=3L-2个码位。从图可知，如果帧同步码组选得恰当，例如PCM30/32路制式中，帧同步码组为0011011，在覆盖区内除帧同步码组外，没
27、有伪同步码存在，这种帧同步码组的结构称为单极点码组，它表示在覆盖区内只有帧同步码组本身，而无伪同步码组存在.,1.群路编译码系统,2.单路编译码系统,音频接口：话路接口和数据接口 组成 复接、分接单元 信道接口单元（2M接口盘）,4.3 PCM30/32路系统的构成,群路编译码系统(教材P75）,单路编译码系统(教材P76）,PCM30/32路系统工作过程简述如下：用户话音信号的发与收是采用二线制传输，但端机的发送支路与接收支路是分开的，即发与收是采用四线制传输的。,因此用户的话音信号需要经过2/4线变换的差动变量器，经1 2端送入PCM系统的发送端。,差动变量器1 2端与4 1端的传输衰减要
28、求越小越好，但4 2端的衰减要求越大越好，以防止通路振鸣。,话音信号再经过放大（调节话音电平）、低通滤波（限制话音频带，防止折叠噪声的产生）、抽样和路及编码。,编码后的信息码与帧同步码、信令码（包括复帧同步码）在汇总电路中，按各自规定的时隙进行汇总，最后经码型变换电路变换成适合于信道传输的码型送往信道。,2048kbit/s电接口标准如下：,1一般特性 比特率2048kbit/s，容差：50ppm（5010-6）码型HDB3码2输出口规范：参见下页2048kbit/s输出口规范表3输入口规范 包括允许衰减、反射损耗、抖动和漂移容限及抗扰能力。4外导体或屏蔽接地,3.4 PCM30/32路系统接口标准,第三章 结束,
