2.3 多路复用与同步技术

在数字通信系统中，为了提高线路利用率，在同一信道上传输互不干扰的多路信号的通信方式称为多路复用。多路复用技术解决了多路信号组合在一条物理信道上进行传输的问题，使得一条高速的主干链路可同时为多条低速的接入链路提供服务，即网络干线可以同时运载大量的数据传输，到达接收端后，再使用多路复用器分离出各路信号。多路复用系统结构示意如图2-6所示。

2.3.1 多路复用技术

常见的多路复用技术有频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用和码分多路复用。

1.频分多路复用 （ FDM ）

频分多路复用是指在物理信道上按照频率区分信号。具体来讲，当物理信道的频率带宽大大超过单一原始信号所需带宽的情况下，可以将物理信道的总带宽分割成多个与传输单个信号带宽相同（略宽）的子信道，每个信道传输一路信号。多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相重叠。频分多路复用示意如图2-7所示。

频分多路复用系统容易实现，技术成熟，能较充分地利用信道带宽，但保护频带占用了一定的信道带宽，降低了频带利用率，同时，子信道间易造成串音和互调干扰，链路增多时需增加设备，成本较高，不易于设备小型化。频分多路复用系统适用于模拟信号的传输，主要用于长途载波电话、立体声调频、电视广播等方面，但目前应用已不多，已逐步被时分多路复用所替代。

2.时分多路复用 （ TDM ）

若物理信道能够达到的位传输速率超过各路信号源所要求的数据传输速率，可以采用时分多路复用技术。时分多路复用是将一条物理信道按时间分为若干时间片（时隙）轮流地给多个信号使用，每一时间片（时隙）由复用的一个信号占用，这样可以在一条物理信道上传输多个数字信号。时分多路复用系统给不同信号划分不同时隙，各路信号只能占用系统所分配的时隙，即使该时隙内无信息传输，其他路信号也不能占用该时隙。时分多路复用示意如图2-8所示。

时分多路复用技术按规定的间隔在时间上相互错开，在一条信道上传输多路信号，其系统的必要条件是同步和定时，因此系统收发设备必须有统一的时间标准，保证收发时间的一致性。复用器和解复用器的电子开关起始位置和旋转速率必须一致，否则会导致错收。在数字通信系统中，一帧指传输一段具有固定数据格式的数据所占用的时间，各种信号（包含加入的定时、同步、起始等信号）都严格按时间关系进行，该时间关系称为帧结构。

对于时分制多路电话系统的标准，国际电信联盟（ITU）制定了准同步数字同步体系（PDH）和同步数字同步体系（SDH），并对PDH与SDH都制定了E体系（中国、欧洲等采用）和T体系（北美、日本等采用）。前面所提到的PCM通信是典型的时分多路复用系统。

3.波分多路复用 （ WDM ）

波分多路复用是将两种或多种不同光波长信号在发送端经复用器（在波分多路复用系统中亦称合波器）汇合，耦合到光线路的同一根光纤中各自传输信息的技术，在接收端经解复用器（分波器）分离出不同波长的光信号。它实际就是将电的频分多路复用技术用于光纤信道，区别在于使用光调制解调设备将不同信道的信号调制成了不同波长的光，并复用到光纤通道上，在接收端使用波分设备分离出不同波长的光。波分多路复用示意如图2-9所示。

波分多路复用能充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍、几十倍甚至几百倍，节省光纤线路投资，减少成本。波分多路复用技术使用的各波长信道相互独立，可以传输特性和速率完全不同的信号，如PDH信号和SDH信号、数字信号和模拟信号、多种数据混合传输等。它还具有高度的组网灵活性。基于以上优点，该技术有很多应用形式，如长途干线网、广播分配网、多路多址局域网等。

4.码分多路复用 （ CDM ）

码分多路复用技术是用一组包含互相正交的码元的码组携带多路信号，各路信号的码元采用不同的编码，发送端各路信号可以占用全部频带，在同一时间发送，靠信号的不同波形来区分各个用户，抗干扰性强。在接收端，只有用相匹配的接收机才能识别出相符的信号，不同码型的信号因为接收机本地产生的码型不同而不能解调，此时这些信号相当于噪声和干扰信号。

码分多路复用技术主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。它不仅可以提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，而且增大了通信系统的容量。

2.3.2 数字复接技术

数字复接是指将若干个低速率的数字信号按一定的规律和方法合并成一个高速率的数字信号，以便在高速信道中传输；信号到达接收端后，再把这个高速数字信号流分解还原成相应的各个低速数字信号。简而言之，数字复接就是对各支路的数字信号进行时分复用。

1.数字复接方法

在复接过程中，各支路的数字信号在高次群中有三种复接方法，分别为按位复接、按路复接和按帧复接。

（1）按位复接

按位复接每次只依次复接每个支路的一位码，所以又称为比特复接，即复接高速流依次取各支路的第1位码后，再循环取各支路后面的各位码。以三支路复接为例，复接后的码序列第1位表示第1支路的第1位码；第2位表示第2支路的第1位码；第3位表示第3支路的第1位码；第4位表示第1路的第2位码；第5位表示第2路的第2位码；依次类推。这种复接方法设备简单，要求的设备存储容量小，容易实现，但不利于信号交换，同时要求各个支路码速和相位相同。

（2）按路复接

对于PCM基群而言，一个支路时隙有8bit，复接时先将8bit寄存起来，在规定时间内8bit一次复接，即依次取各支路的一时隙（8bit）以后，再循环取各支路后面的各个时隙。这种复接方法有利于多路合成处理和交换，但要求有较大的存储容量，电路较复杂。

（3）按帧复接

按帧复接是指每次复接一个支路的一帧数码，即各路的第一帧依次取过以后，再循环取后面的各个帧。这种复接方法在复接时不破坏原来的帧结构，有利于交换，但设备存储容量要求更大。

2.数字复接方式

按照复接时各低次群时钟的情况，复接方式可分为同步复接、异步复接与准同步复接。

（1）同步复接

同步复接方式中各个输入支路的时钟统一由一个时钟提供，即各个支路的时钟频率完全相同。一般情况下，该方式的各支路信号并非来自同一个地方，即各支路的信号到达复接设备的传输距离不同，所以到达时各支路存在相位差，因此在复接前需要进行相位调整。此外，为了接收端能够正确接收各支路信码及准确分接，各支路在复接时，必须插入一定数量的帧同步码、业务码等。PCM基群使用同步复接方式进行复接。

（2）异步复接

异步复接指复接信号时钟不是同一时钟源且没有统一的标称频率或相应数量关系的各个支路进行复接的复接方式，在复接时不仅需要进行相位调整，还需进行频率调整，使得信号同步后进行同步复接。数据通信中广泛采用了这种复接方式。

（3）准同步复接

准同步复接是指参与复接的各个低次群时钟异源，但各支路的时钟在一定的容差范围内。该方式在复接前必须将各支路的码速都调整到规定值，是目前使用最广泛的一种复接方式。例如，对于二次群复接，4个基群信号虽然标称码速都是2048Mbit/s，但4个基群有各自的时钟，这些时钟都允许有100bit/s的误差，因此4个基群信码流瞬时信码率各不相同，在复接之前要进行码速调整，即使各基群信号有相同的数码率。

3.数字复接系列

国际电信联盟（ITU）推荐了两类数字速率系列和数字复接等级，见表2-2。

例如，在扩大数字通信系统容量时，若在一条通路上传送120路电话，可将4个30路PCM系统的基群信号（码速为2.048Mbit/s）进行复接，合成一个码速为8.448Mbit/s的120路数字信号系统，称为二次群；若用4个120路的二次群信号复接，可合成一个480路的数字信号系统，称为三次群，以此类推。

以2.048Mbit/s为基群的数字速率系列的帧结构与目前数字交换用的帧结构统一，便于数字传输和数字交换的统一发展。

2.3.3 同步技术

在数字通信系统中，同步电路起着至关重要的作用，是数字通信系统的关键技术。同步电路若失效，将严重影响系统的误码性能，甚至会导致整个系统瘫痪。

1.同步的基本概念

同步是指使系统的收发两端步调在时间和频率上保持一致。同步技术为收发两端或整个通信网络提供精度很高的时钟来定时，保证系统（或网络）的数据流传输能同步、有序且准确。

为了保证接收端能正确接收每一个码元，系统需要在收发双方建立同步后才传输信息，因此，同步系统需要具备同步误差小、相位抖动小及同步建立时间短、保持时间长等基本特性。

2.同步技术分类

（1）载波同步

载波同步用于数字调制系统的相干解调。相干解调需要在接收端恢复出与发送端载波同频并与其相位保持某种特定关系的相干载波，在接收端获得这一载波的过程称为载波同步。载波同步是实现相干解调的首要条件。

（2）位同步

位同步也称为比特同步或码元同步。位同步指收发双方的位定时脉冲信号频率相等且相位符合某种特定关系。具体来讲，位同步的目的是使接收端接收到的每一位信息都与发送端保持同步。位同步技术用于基带传输或频带传输，在接收端，为了能从混有噪声和干扰而失真的信号中恢复出原始的基带数字信号，需要在最佳时刻对准波形最佳位置进行取样判决，因此接收端会产生一个码元同步脉冲或位同步脉冲，该脉冲的重复频率和相位与接收码元一致。

（3）帧同步

帧同步也称为群同步。帧同步指通信双方的帧定时信号频率相等且相位符合某种特定关系。数字信号流都是按照一定数据格式传送的，若干码元组成一帧（群），从而形成群的数字信号序列。

在时分多路通信系统中，接收端如果要正确地恢复信息，就必须识别帧的起始时刻，找出各路时隙的位置。因此，接收端必须产生与传送帧起止时间相一致的定时信号。

（4）网同步

网同步指通信网各节点的时钟频率相等，即节点时钟同步。

当通信点对点进行，并完成了载波同步、位同步、帧同步后，即可进行可靠的通信，不需要进行网同步。但通信网往往需要在多点之间进行通信，因此需要把各个方向传来的信息码元按不同的目的地进行分路、合路和交换，而这些功能的有效实现必须要求网同步。

3.同步方式

按同步信息传输方式的不同，同步方式可分为外同步法和自同步法。

（1）外同步法

外同步法由发送端传输独立的同步信号，因此要付出额外的功率及占用一定的频带资源，一般应用在帧同步中。

（2）自同步法

在自同步法中，发送端不需要专门发送同步信息，同步信息由接收端设法从所收的信号中提取，因此不需要付出额外的功率。该方法多用于载波同步中。 dASW4Jdam3rOrRQ1s8lz1G4BN4bfwDqA90+TiD5/q8vE5MZmEDHNxtpoRavvx6Qy