2001 Copyright SCUT DT&P Labs 1
数字通信原理
（ 6）
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 2
第八章 时分复用
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 3
8.1 时分复用基本概念
1,时分复用 （ TDM,Time-Division Multiplexing）
a,为每一路信号（连接）分配一个周期性重复的时隙
( TS:Time Slot),不同的时隙传输不同连接的信号。
b,TDM是一种电路交换的传输方式。
2,TDM,FDM 与 CDMA
TDM,各路的信号在时域上分离，在频域上重叠；
FDM,各路的信号在频域上分离，在时域上重叠；
CDMA,各路的信号在频域上、时域上均重叠；
3,TDM 的特点：电路形式单一，易于集成。系统对信号同步的要求较高。
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8.1 时分复用基本概念
4,数字复接与分接数字复接：把若干个低速的数字流复合成高速的数字流；
数字分接：把高速的数字流分接成若干低速的数字流。
TDM速率等级：
标准数字话路,64Kb/s；
基群 (一次群 )信号,32× 64Kb/s =2.048Mb/s (E1 32/30);
二次群信号,8.448Mbps ( >4× 2.048Mb/s );
三次群信号,34.368Mbps; ( >4× 34.368Mb/s )
四次群信号,139.264Mbps;( >4× 139.264Mb/s )
STM-1 155.520M; STM-4 622.080M; STM-16 2,488M b/s
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8.2 PCM基群帧结构
1,A律 E1 32/30 PCM基群信号帧结构
F4 F5 F6 F7 F8 F9 F 1 0 F 1 1 F 1 2 F 1 3 F 1 4 F 1 5F0 F1 F2 F3
复帧结构
TS
0
TS
1
TS
2
TS
3
TS
4
TS
5
TS
6
TS
7
TS
8
TS
9
TS
10
TS
11
TS
12
TS
13
TS
14
TS
15
TS
16
TS
17
TS
18
TS
19
TS
20
TS
21
TS
22
TS
23
TS
24
TS
25
TS
26
TS
27
TS
28
TS
29
TS
30
TS
31
× 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 A2 1 1
× 1 A1 1 1 1 1 1
a b c d a b c d
a b c d a b c d
a b c d a b c d
帧结构偶帧
T S 0
话路时隙
C H 1 ～1 5
帧同步时隙帧同步信号话路时隙
C H 1 6 ～2 9
复帧同步信号备用比特保留给国内通信用
C H 1 信令 C H 1 6 信令
C H 2 信令 C H 1 7 信令
C H 1 5 信令 C H 3 0 信令奇帧
T S 0
C H 3 0
F1
T S 1 6
F2
T S 1 6
F 1 5
T S 1 6
1 6 帧，2,0 m s
3,9 微秒
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8.2 PCM基群帧结构
A律 E1 32/30 PCM基群信号帧结构（续前）
（ 1）时隙 TS,8bits,fS = 8KHz,TS = 125?s;
（ 2） 32个 TS构成一个帧 F（ Frame）
TS0用于帧同步（对偶数帧）或保留作特殊用途（对奇数帧）；
TS16用于复帧同步（对 F0）,或话路的线路信令（ F1～ F15）；
（ 3） 16帧信号 F0～ F15构成一复帧在一个复帧内，各话路的线路信令（ abcd） 出现一次；
（ 4）随路信令与共路信令（＃ 7 Signaling） 的概念,
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8.2 PCM基群帧结构
2,? 律 PCM基群信号帧结构简介
F4 F5 F6 F7 F8 F9 F 1 0 F 1 1F0 F1 F2 F3复帧结构
0 0 0 1 1 1
1 1 10 0 0帧同步信号复帧同步信号
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8.3 增量调制复用终端的帧结构
1,增量调制帧结构：尚无国际标准，流行两种系列：
6,12,24 / 8,16,32,64
2,32路?M终端帧结构
(1) 时隙 (TSi)宽度,1bit,每路信号比特速率 32Kbps；
(2) 帧 (Frame)长,32× TS,
32路信号总的比特率,32× 32Kbps＝ 1024Kbps；
(3) 帧内 TS的分配
TS0,帧同步及告警时隙，共 32Kbps,其中
(a)16Kbps用于帧定位，每隔一帧发送 1bit特定状态信号，其组合为,… 1010…,或,… 1110…,或
…,0000,1110,0110,0101,…
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8.3 增量调制复用终端的帧结构
(b) 4Kbps 用作局间告警信号
0 －－ 正常； 1－－告警。
(b) 其余 12Kbps保留备用。
例：帧定位码组图样为,… 1110…,时的 TS0时隙分配
F序号,F’7 F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F’’0
TS0状态,备用 1 告警 1 备用 1 备用 0 备用 1
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8.3 增量调制复用终端的帧结构
TS1,线路信令时隙以连续出现的 4个 TS1为一组，组成一个话路的,abcd,线路信令；
构造 30组线路信令共需,30× 4＝ 120帧，由 128帧构成一复帧；
复帧帧结构（ TS1）
组 0 组 1 组 2 组 3 … 组 31
0000 1YZ1 abcd abcd … abcd
复帧定位 监控码组 线路信令 线路信令 … 线路信令
Y－ 对局告警
Z－ 传输线路告警
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8.3 增量调制复用终端的帧结构其它时隙（ Tsi,i＝ 2,3,…,31 ）功能
TS2,值机人员勤务电话话路；
TS3,TS4,TS5 数据通道时隙；
TS6 ～ TS31 用户话路时隙。
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8.5 数字复接终端
1,数字复接的基本原理复接（ Multiplexer）,将低速率的信号合路成高速率的信号；
分接（ Demultiplexer）,将高速率的信号分路成低速率的信号。
定时合路码速调整 分路 码速调整定时同步合路信号
1
2
3
4
1
2
3
4
fL f
M
复接器 分接器
fM fL
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8.5 数字复接终端
2,数字复接的类别
a,同步复接,各支路信号时钟与合路信号时钟是同步的；
b,异步复接,各支路时钟不同步，一般需要在复接器中加较大的缓冲器作码速调整，常用于信道统计复用的场合；
c,准同步复接,各支路时钟与复接器内部支路时钟标称值相同，允许有一定容差。
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8.5 数字复接终端
3,正码速调整复接器定义,fL,支路时钟； fL0,支路时钟标称值； fM,复接器支路时钟。
fh,合路信号时钟正码速调整复接器要求,fM > fL.
同步复接码速调整合路信号
1
2
3
4
1
2
3
4
fL f
M
复接器 分接器
fM fL
同步分接码速调整fh
控制信号 控制信号
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8.5 数字复接终端
3,正码速调整复接器（续前）
正码速调整（支路）帧结构
1 2 3 4,,,,,,53 54 55,,,,,,1 0 6 1 0 7 1 0 8,,,,,,1 5 9 1 6 0 1 6 1 1 6 2,,,,,,2 1 2
F 1 1 F 1 2 F 1 3 5 0 b i t 信息位 SZ SZ SZ SV5 2 b i t 信息位 5 2 b i t 信息位 5 3 b i t 信息位
I 组 5 3 b i t I I 组 5 3 b i t组 I I I 组 5 3 b i t I V 组 5 3 b i t
Q + K
图中,F11 F12 F13 － 帧定位标识；
SV－ 塞入位置；
SZ－ 塞入指示，有塞入调整时，三位塞入指示为,111”
无塞入调整时，三位塞入指示为,000”
在接收端恢复时采用择多逻辑判决方法。
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8.5 数字复接终端
3,正码速调整复接器（续前）
合路信号帧长：
其中,m－ 支路数； Q－ 帧内每个支路的信码数（随 SV是否包含息码而变化）； K－ 控制比特位数。记 fh0为合路信号速率的标称值，则帧频,
标称码调整速率
（对某一支路）：
最大码调整速率,
（每帧每个支路只能作 1bit的调整）
)(F KQmL
F
h
L
fF 0?
0000 Lh
F
LS ffL
QfQFf
KQ
f
KQm
mf
L
fFf mm
F
h
S )(
0
m a x,
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8.5 数字复接终端
3,正码速调整复接器（续前）
标称码速调整比：
相应地，实际码速调整比：
F
h
L
FS
h
F
h
L
SLh
FS
S L
f
fQ
Lf
fL
f
fQfff
L
Q
f
fS
0
0
m a x,
0
0
0
m a x,00
m a x,
0
0
KLffmLffKmL F
h
L
F
h
LF
0
0
0
0 1
KLffmf fS F
h
L
S
S
1
m a x,
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8.5 数字复接终端
3,正码速调整复接器（续前）
例，按 CCITT有关正码率调整的建议（参见表 8－ 7）
4路 E1基群信号复接成一路二次群信号时
m＝ 4,fL0＝ 2.048Mbps,fh0＝ 8.448Mbps,LF＝ 4× 212＝ 848
K＝ 6 （ F11,F12,F13,3× SZ）
标称码速调整比：
4 2 4 2 4 2 4.068 4 84 4 8.8 0 4 8.2411
0
0
0
KL
f
f
mS Fh
L
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8.5 帧同步
1,帧同步的基本概念帧同步：正确识别每帧信号的起始位置，从而确定各路信号或信令的相对位置。
帧同步实现的前提是比特（位）同步。
帧同步是信道复用，实现多路信号复接与分接的基础。
2。 帧同步的实现
(1)在每帧信号的头部加入帧同步码组：
如 E132/30 基群信号系统：在每个偶数帧加入同步码组× 0011011
(2) 在每帧的头或尾加入按特定规律变化的比特序列如,T1 24路基群信号每帧的最后 1比特按规律,010101… 变化。
如,32路?M调制信号，在每帧 TS01比特时隙，按重复 1110变化。
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8.5 帧同步
3,E1 基群信号帧同步原理
(1) 逐比特移位寻找帧同步码组× 0011011，直至搜索到该码组；
(2) 获得第一个同步码字后，在随后的若干（规定的） 偶数帧 周期内检测帧同步字的真伪；
(3) 若在规定的连续若干个偶帧周期内同步字均无误，则进入同步状态，否则返回步骤 (1);
(4) 若遇干扰失步（在偶帧特定时隙内找不到同步字），继续观测随后（规定）的若干偶数帧周期，如继续失步则返回步骤 (1),否则同步状态不变。
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8.5 帧同步
4,E1 基群信号帧同步状态转换图图中,A－ 同步态； B,C－ 同步保护态； D－ 失步态；
E,F－ 搜索校核态。
规定：在失步状态下若连续找到 3个同步字，则进入同步态；
在同步状态下若连续 3次找不到同步字，则进入失步态。
A
B F
C E
D
无误无误无误无误无误无误误误误误误了解，状态转换的条件 。
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8.5 帧同步
5,E1 基群信号帧同步系统电路实现
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8.5 同步系统分析
1,帧同步系统的性能分析研究帧同步算法的性能－－实现帧同步所需的统计平均时间。
2。 TDM－?M32路系统帧同步时间的计算已知 TDM－?M32路系统帧同步比特位位于偶数帧时隙第 0时隙 (TS0);
帧同步序列的图样为,01010101… ;
帧同步间隔时隙位 N＝ 64bit。
假定搜索时从任意的第 i个时隙开始记 该位与帧同步位不相同的概率为 1－ P,称为事件 X；
该位与帧同步位相同的概率为 P,称为事件 Y；
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8.5 同步系统分析
2。 TDM－?M32路系统帧同步时间的计算 （续前）
令 T＝ 1/fS,同步搜索过程中的可能事件：
事件 概率 移动 1位所需时间（从一帧的 i位移动到 i＋ 1位）
X 1－ P T
XY P(1-P) NT + T
YYX P2(1-P) 2NT + T
… … …
YY… YX PK(1-P) KNT + T
所以，移动 1位（ i -> i+1） 所需统计平均时间为：
)1()1()1(
...))(1(...))(1()1(
00
PN TPTKPNTPPTP
TKNTPPTNTPPTPT
K
K
K
K
K
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8.5 同步系统分析
2。 TDM－?M32路系统帧同步时间的计算 （续前）
最大同步捕获时间：最不利的情况发生在从同步后的第一位开始搜索起，从统计意义上统计所需最大同步捕获时间为：
统计平均的搜索时间为：
假定确定从,0” 开始搜索，考虑到帧同步位,0101…,,01交替出现捕捉的统计平均时间修改为
TPNPNTNT 111)1(m a x
m a x,2
1' TT
A v e?
m a xm a xm a x,2
3
2
1
2
1
2
1 TTTT
A v e
数字通信原理
（ 6）
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第八章 时分复用
2001 Copyright SCUT DT&P Labs 3
8.1 时分复用基本概念
1,时分复用 （ TDM,Time-Division Multiplexing）
a,为每一路信号（连接）分配一个周期性重复的时隙
( TS:Time Slot),不同的时隙传输不同连接的信号。
b,TDM是一种电路交换的传输方式。
2,TDM,FDM 与 CDMA
TDM,各路的信号在时域上分离，在频域上重叠；
FDM,各路的信号在频域上分离，在时域上重叠；
CDMA,各路的信号在频域上、时域上均重叠；
3,TDM 的特点：电路形式单一，易于集成。系统对信号同步的要求较高。
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8.1 时分复用基本概念
4,数字复接与分接数字复接：把若干个低速的数字流复合成高速的数字流；
数字分接：把高速的数字流分接成若干低速的数字流。
TDM速率等级：
标准数字话路,64Kb/s；
基群 (一次群 )信号,32× 64Kb/s =2.048Mb/s (E1 32/30);
二次群信号,8.448Mbps ( >4× 2.048Mb/s );
三次群信号,34.368Mbps; ( >4× 34.368Mb/s )
四次群信号,139.264Mbps;( >4× 139.264Mb/s )
STM-1 155.520M; STM-4 622.080M; STM-16 2,488M b/s
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8.2 PCM基群帧结构
1,A律 E1 32/30 PCM基群信号帧结构
F4 F5 F6 F7 F8 F9 F 1 0 F 1 1 F 1 2 F 1 3 F 1 4 F 1 5F0 F1 F2 F3
复帧结构
TS
0
TS
1
TS
2
TS
3
TS
4
TS
5
TS
6
TS
7
TS
8
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9
TS
10
TS
11
TS
12
TS
13
TS
14
TS
15
TS
16
TS
17
TS
18
TS
19
TS
20
TS
21
TS
22
TS
23
TS
24
TS
25
TS
26
TS
27
TS
28
TS
29
TS
30
TS
31
× 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 A2 1 1
× 1 A1 1 1 1 1 1
a b c d a b c d
a b c d a b c d
a b c d a b c d
帧结构偶帧
T S 0
话路时隙
C H 1 ～1 5
帧同步时隙帧同步信号话路时隙
C H 1 6 ～2 9
复帧同步信号备用比特保留给国内通信用
C H 1 信令 C H 1 6 信令
C H 2 信令 C H 1 7 信令
C H 1 5 信令 C H 3 0 信令奇帧
T S 0
C H 3 0
F1
T S 1 6
F2
T S 1 6
F 1 5
T S 1 6
1 6 帧，2,0 m s
3,9 微秒
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8.2 PCM基群帧结构
A律 E1 32/30 PCM基群信号帧结构（续前）
（ 1）时隙 TS,8bits,fS = 8KHz,TS = 125?s;
（ 2） 32个 TS构成一个帧 F（ Frame）
TS0用于帧同步（对偶数帧）或保留作特殊用途（对奇数帧）；
TS16用于复帧同步（对 F0）,或话路的线路信令（ F1～ F15）；
（ 3） 16帧信号 F0～ F15构成一复帧在一个复帧内，各话路的线路信令（ abcd） 出现一次；
（ 4）随路信令与共路信令（＃ 7 Signaling） 的概念,
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8.2 PCM基群帧结构
2,? 律 PCM基群信号帧结构简介
F4 F5 F6 F7 F8 F9 F 1 0 F 1 1F0 F1 F2 F3复帧结构
0 0 0 1 1 1
1 1 10 0 0帧同步信号复帧同步信号
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8.3 增量调制复用终端的帧结构
1,增量调制帧结构：尚无国际标准，流行两种系列：
6,12,24 / 8,16,32,64
2,32路?M终端帧结构
(1) 时隙 (TSi)宽度,1bit,每路信号比特速率 32Kbps；
(2) 帧 (Frame)长,32× TS,
32路信号总的比特率,32× 32Kbps＝ 1024Kbps；
(3) 帧内 TS的分配
TS0,帧同步及告警时隙，共 32Kbps,其中
(a)16Kbps用于帧定位，每隔一帧发送 1bit特定状态信号，其组合为,… 1010…,或,… 1110…,或
…,0000,1110,0110,0101,…
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8.3 增量调制复用终端的帧结构
(b) 4Kbps 用作局间告警信号
0 －－ 正常； 1－－告警。
(b) 其余 12Kbps保留备用。
例：帧定位码组图样为,… 1110…,时的 TS0时隙分配
F序号,F’7 F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F’’0
TS0状态,备用 1 告警 1 备用 1 备用 0 备用 1
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8.3 增量调制复用终端的帧结构
TS1,线路信令时隙以连续出现的 4个 TS1为一组，组成一个话路的,abcd,线路信令；
构造 30组线路信令共需,30× 4＝ 120帧，由 128帧构成一复帧；
复帧帧结构（ TS1）
组 0 组 1 组 2 组 3 … 组 31
0000 1YZ1 abcd abcd … abcd
复帧定位 监控码组 线路信令 线路信令 … 线路信令
Y－ 对局告警
Z－ 传输线路告警
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8.3 增量调制复用终端的帧结构其它时隙（ Tsi,i＝ 2,3,…,31 ）功能
TS2,值机人员勤务电话话路；
TS3,TS4,TS5 数据通道时隙；
TS6 ～ TS31 用户话路时隙。
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8.5 数字复接终端
1,数字复接的基本原理复接（ Multiplexer）,将低速率的信号合路成高速率的信号；
分接（ Demultiplexer）,将高速率的信号分路成低速率的信号。
定时合路码速调整 分路 码速调整定时同步合路信号
1
2
3
4
1
2
3
4
fL f
M
复接器 分接器
fM fL
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8.5 数字复接终端
2,数字复接的类别
a,同步复接,各支路信号时钟与合路信号时钟是同步的；
b,异步复接,各支路时钟不同步，一般需要在复接器中加较大的缓冲器作码速调整，常用于信道统计复用的场合；
c,准同步复接,各支路时钟与复接器内部支路时钟标称值相同，允许有一定容差。
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8.5 数字复接终端
3,正码速调整复接器定义,fL,支路时钟； fL0,支路时钟标称值； fM,复接器支路时钟。
fh,合路信号时钟正码速调整复接器要求,fM > fL.
同步复接码速调整合路信号
1
2
3
4
1
2
3
4
fL f
M
复接器 分接器
fM fL
同步分接码速调整fh
控制信号 控制信号
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8.5 数字复接终端
3,正码速调整复接器（续前）
正码速调整（支路）帧结构
1 2 3 4,,,,,,53 54 55,,,,,,1 0 6 1 0 7 1 0 8,,,,,,1 5 9 1 6 0 1 6 1 1 6 2,,,,,,2 1 2
F 1 1 F 1 2 F 1 3 5 0 b i t 信息位 SZ SZ SZ SV5 2 b i t 信息位 5 2 b i t 信息位 5 3 b i t 信息位
I 组 5 3 b i t I I 组 5 3 b i t组 I I I 组 5 3 b i t I V 组 5 3 b i t
Q + K
图中,F11 F12 F13 － 帧定位标识；
SV－ 塞入位置；
SZ－ 塞入指示，有塞入调整时，三位塞入指示为,111”
无塞入调整时，三位塞入指示为,000”
在接收端恢复时采用择多逻辑判决方法。
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8.5 数字复接终端
3,正码速调整复接器（续前）
合路信号帧长：
其中,m－ 支路数； Q－ 帧内每个支路的信码数（随 SV是否包含息码而变化）； K－ 控制比特位数。记 fh0为合路信号速率的标称值，则帧频,
标称码调整速率
（对某一支路）：
最大码调整速率,
（每帧每个支路只能作 1bit的调整）
)(F KQmL
F
h
L
fF 0?
0000 Lh
F
LS ffL
QfQFf
KQ
f
KQm
mf
L
fFf mm
F
h
S )(
0
m a x,
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8.5 数字复接终端
3,正码速调整复接器（续前）
标称码速调整比：
相应地，实际码速调整比：
F
h
L
FS
h
F
h
L
SLh
FS
S L
f
fQ
Lf
fL
f
fQfff
L
Q
f
fS
0
0
m a x,
0
0
0
m a x,00
m a x,
0
0
KLffmLffKmL F
h
L
F
h
LF
0
0
0
0 1
KLffmf fS F
h
L
S
S
1
m a x,
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8.5 数字复接终端
3,正码速调整复接器（续前）
例，按 CCITT有关正码率调整的建议（参见表 8－ 7）
4路 E1基群信号复接成一路二次群信号时
m＝ 4,fL0＝ 2.048Mbps,fh0＝ 8.448Mbps,LF＝ 4× 212＝ 848
K＝ 6 （ F11,F12,F13,3× SZ）
标称码速调整比：
4 2 4 2 4 2 4.068 4 84 4 8.8 0 4 8.2411
0
0
0
KL
f
f
mS Fh
L
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8.5 帧同步
1,帧同步的基本概念帧同步：正确识别每帧信号的起始位置，从而确定各路信号或信令的相对位置。
帧同步实现的前提是比特（位）同步。
帧同步是信道复用，实现多路信号复接与分接的基础。
2。 帧同步的实现
(1)在每帧信号的头部加入帧同步码组：
如 E132/30 基群信号系统：在每个偶数帧加入同步码组× 0011011
(2) 在每帧的头或尾加入按特定规律变化的比特序列如,T1 24路基群信号每帧的最后 1比特按规律,010101… 变化。
如,32路?M调制信号，在每帧 TS01比特时隙，按重复 1110变化。
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8.5 帧同步
3,E1 基群信号帧同步原理
(1) 逐比特移位寻找帧同步码组× 0011011，直至搜索到该码组；
(2) 获得第一个同步码字后，在随后的若干（规定的） 偶数帧 周期内检测帧同步字的真伪；
(3) 若在规定的连续若干个偶帧周期内同步字均无误，则进入同步状态，否则返回步骤 (1);
(4) 若遇干扰失步（在偶帧特定时隙内找不到同步字），继续观测随后（规定）的若干偶数帧周期，如继续失步则返回步骤 (1),否则同步状态不变。
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8.5 帧同步
4,E1 基群信号帧同步状态转换图图中,A－ 同步态； B,C－ 同步保护态； D－ 失步态；
E,F－ 搜索校核态。
规定：在失步状态下若连续找到 3个同步字，则进入同步态；
在同步状态下若连续 3次找不到同步字，则进入失步态。
A
B F
C E
D
无误无误无误无误无误无误误误误误误了解，状态转换的条件 。
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8.5 帧同步
5,E1 基群信号帧同步系统电路实现
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8.5 同步系统分析
1,帧同步系统的性能分析研究帧同步算法的性能－－实现帧同步所需的统计平均时间。
2。 TDM－?M32路系统帧同步时间的计算已知 TDM－?M32路系统帧同步比特位位于偶数帧时隙第 0时隙 (TS0);
帧同步序列的图样为,01010101… ;
帧同步间隔时隙位 N＝ 64bit。
假定搜索时从任意的第 i个时隙开始记 该位与帧同步位不相同的概率为 1－ P,称为事件 X；
该位与帧同步位相同的概率为 P,称为事件 Y；
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8.5 同步系统分析
2。 TDM－?M32路系统帧同步时间的计算 （续前）
令 T＝ 1/fS,同步搜索过程中的可能事件：
事件 概率 移动 1位所需时间（从一帧的 i位移动到 i＋ 1位）
X 1－ P T
XY P(1-P) NT + T
YYX P2(1-P) 2NT + T
… … …
YY… YX PK(1-P) KNT + T
所以，移动 1位（ i -> i+1） 所需统计平均时间为：
)1()1()1(
...))(1(...))(1()1(
00
PN TPTKPNTPPTP
TKNTPPTNTPPTPT
K
K
K
K
K
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8.5 同步系统分析
2。 TDM－?M32路系统帧同步时间的计算 （续前）
最大同步捕获时间：最不利的情况发生在从同步后的第一位开始搜索起，从统计意义上统计所需最大同步捕获时间为：
统计平均的搜索时间为：
假定确定从,0” 开始搜索，考虑到帧同步位,0101…,,01交替出现捕捉的统计平均时间修改为
TPNPNTNT 111)1(m a x
m a x,2
1' TT
A v e?
m a xm a xm a x,2
3
2
1
2
1
2
1 TTTT
A v e
