[科普中国]-时分多路复用

时分多路复用（Time-Division Multiplexing，TDM）是一种数字或者模拟（较罕见）的多路复用技术。使用这种技术，两个以上的信号或数据流可以同时在一条通信线路上传输，其表现为同一通信信道的子信道。但在物理上来看，信号还是轮流占用物理信道的。时间域被分成周期循环的一些小段，每段时间长度是固定的，每个时段用来传输一个子信道。例如子信道1的采样，可能是字节或者是数据块，使用时间段1，子信道2使用时间段2，等等。一个TDM的帧包含了一个子信道的一个时间段，当最后一个子信道传输完毕，这样的过程将会再重复来传输新的帧，也就是下个信号片段。

时分复用，(Time Division Multiplexer,TDM)，是把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息，把N个话路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执行操作。 与此同时，其它设备与通道的联系均被切断。 待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上去。 时分制通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法，因而PCM通信常称为时分多路通信。

技术背景为了提高通信系统信道的利用率，话音信号的传输往往采用多路复用通信的方式。这里所谓的多路复用通信方式通常是指：在一个信道上同时传输多个话音信号的技术，有时也将这种技术简称为复用技术。复用技术有多种工作方式，例如频分复用、时分复用以及码分复用等。

频分复用是将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区间，每个小区间能顺利通过一路信号，在一般情况下可以通过正弦波调制的方法实现频分复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠，但在时间上是重叠的。

时分复用是建立在抽样定理基础上的。抽样定理使连续(模拟)的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲值所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙，利用这种空隙便可以传输其他信号的抽样值。因此，这就有可能沿一条信道同时传送若干个基带信号。

码分复用是一种以扩频技术为基础的复用技术。

PAM时分复用原理为了便于分析时分复用(TDM)技术的基本原理，这里假设有3路PAM信号进行时分多路复用，其具体实现方法如下图一所示：

图一：

从上图可以看到，各路信号首先通过相应的低通滤波器，使输入信号变为带限信号。然后再送到抽样开关(或转换开关)，转换开关(电子开关)每秒将各路信号依次抽样一次，这样3个抽样值按先后顺序错开纳入抽样间隔之内。合成的复用信号是3个抽样消息之和，如下图二所示。由各个消息构成单一抽样的一组脉冲叫做一帧，一帧中相邻两个抽样脉冲之间的时间间隔叫做时隙，未能被抽样脉冲占用的时隙部分称为防护时间。

图二

多路复用信号可以直接送入信道传输，或者加到调制器上变换成适于信道传输的形式后再送入信道传输。

在接收端，合成的时分复用信号由分路开关依次送入各路相应的重建低通滤波器，恢复出原来的连续信号。在TDM中，发送端的转换开关和接收端的分路开关必须同步。所以在发端和收端都设有时钟脉冲序列来稳定开关时间，以保证两个时钟序列合拍。

根据抽样定理可知，一个频带限制在fH范围内的信号，最小抽样频率值为2fH，这时就可利用带宽为的理想低通滤波器恢复出原始信号来。对于频带都是fH的N路复用信号，它们的独立抽样频率为2N*fH，如果将信道表示为一个理想的低通形式，则为了防止组合波形丢失信息，传输带宽必须满足B>=N*fH。

时分复用的PCM系统（TDM—PCM）PCM和PAM的区别在于PCM要在PAM的基础上经过量化和编码，把PAM中的一个抽样值量化后编为k位二进制代码。下图三表示一个只有3路PCM复用的方框图。

图三

图(a)表示发端原理方框图。话音信号经过放大和低通滤波后，再经过抽样得到3路PAM信号，它们在时间上是分开的，由各路发送的定时取样脉冲进行控制，然后将3路PAM信号一起加到量化和编码器内进行量化和编码，每个PAM信号的抽样脉冲经量化后编为k位二进制代码。编码后的PCM代码经码型变换，变为适合于信道传输的码型（例如HDB3码），最后经过信道传到接收端。

图(b)为接收端的原理方框图。当接收端收到信码后，首先经过码型变换，然后加到译码器进行译码。译码后得到的是3路合在一起的PAM信号，再经过分离电路把各路PAM信号区分开来，最后经过放大和低通滤波还原为话音信号。

32路PCM的帧结构对于多路数字电话系统，国际上已建议的有两种标准化制式，即PCM 30/32路(A律压扩特性)制式和PCM 24路(μ律压扩特性)制式，并规定国际通信时，以A律压扩特性为准(即以30/32路制式为准)，凡是两种制式的转换，其设备接口均由采用μ律特性的国家负责解决。因此，我国规定采用PCM 30/32路制式，其帧和复帧结构如下图四所示。

图四：

从上图中可以看到，在PCM 30/32路的制式中，一个复帧由16帧组成；一帧由32个时隙组成；一个时隙为8位码组。时隙l1～15，17～31共30个时隙用来作话路，传送话音信号，时隙0(TS0)是“帧定位码组”，时隙16(TS16) 用于传送各话路的标志信号码。

从时间上讲，由于抽样重复频率为8000Hz，因此，抽样周期为125 μs，这也就是PCM 30/32的帧周期；一复帧由16个帧组成，这样复帧周期为2ms；一帧内要时分复用32路，则每路占用的时隙为；每时隙包含8位码组，因此，每位码元占488ns。

从传码率上讲，也就是每秒钟能传送8000帧，而每帧包含32×8=256bit，因此，总码率为256比特/帧×8000帧/秒=2048kb/s。对于每个话路来说，每秒钟要传输8000个时隙，每个时隙为8bit，所以可得每个话路数字化后信息传输速率为8×8000=64kb/s。

从时隙比特分配上讲，在话路比特中，第l比特为极性码，第2～4比特为段落码，第5～8比特为段内码。对于TS0和TS16时隙比特分配将分别予以介绍。

TS0时隙比特分配。为了使收发两端严格同步，每帧都要传送一组特定标志的帧同步码组或监视码组。帧同步码组为“0011011”，占用偶帧TS0的第2～8码位。第1比特供国际通信用，不使用时发送“1”码。在奇帧中，第3位为帧失步告警用，同步时送“0”码，失步时送“1”码。为避免奇TS0的第2～8码位出现假同步码组，第2位码规定为监视码，固定为“1”，第4～8位码为国内通信用，目前暂定为“1”。

TS16时隙用于传送各话路的标志信号码，标志信号按复帧传输，即每隔2ms传输一次，一个复帧有16个帧，即有16个“TS16时隙”(8位码组)。除了F0之外，其余Fl～F15用来传送30个话路的标志信号。如图6-29所示，每帧8位码组可以传送2个话路的标志信号，每路标志信号占4个比特，以a、b、c、d表示。TS16时隙的F0为复帧定位码组，其中第一至第四位是复帧定位码组本身，编码为“0000”，第六位用于复帧失步告警指示，失步为“1”；同步为“0”，其余3比特为备用比特，如不用则为“1”。需要说明的是标志信号码a、b、c、d不能为全“0”，否则就会和复帧定位码组混淆了。

PCM的高次群目前我国和欧洲等国采用PCM系统，以2048kb/s传输30/32路话音、同步和状态信息作为一次群。为了能使如电视等宽带信号通过PCM系统传输，就要求有较高的码率。而上述的PCM基群(或称一次群)显然不能满足要求，因此，出现了PCM高次群系统。

在时分多路复用系统中，高次群是由若干个低次群通过数字复用设备汇总而成的。对于PCM 30/32路系统来说，其基群的速率为2048kb/s。其二次群则由4个基群汇总而成，速率为8448kb/s，话路数为4×30=120话路。对于速率更高、路数更多的三次群以上的系统，目前在国际上尚无统一的建议标准。

PCM系统所使用的传输介质和传输速率有关。基群PCM的传输介质一般采用市话对称电缆，也可以在市郊长途电缆上传输。基群PCM可以传输电话、数据或1MHz可视电话信号等。

二次群速率较高，需采用对称平衡电缆，低电容电缆或微型同轴电缆。二次群PCM可传送可视电话、会议电话或电视信号等。

三次群以上的传输需要采用同轴电缆或毫米波波导等，它可传送彩色电视信号。

图五

目前传输媒介向毫米波发展，其频率可高达30～300GHz。例如地下波导线路传输，速率可达几十吉比特/秒(Gb/s)，可开通30万路PCM话路。采用光缆、卫星通信则可以得到更大的话路数量。1

非同步时分复用非同步时分多路复用技术ATDM（Asynchronism Time-Division Multiplexing），对带宽的占用是动态的，这样就可以在某用户数据量少或无数据传输时，将带宽资源供其他用户使用，以充分发挥传输线路的利用率；另一方面，当某用户出现突发性数据时，又可为其分配相应数量的时隙，以减少时延和避免数据丢失。 所以适用于突发性业务，且线路利用率较高。

非同步时分多路复用技术，也叫做统计时分多路复用技术（STDM，Statistic Time-Division Multiplexing）。 指的是将用户的数据划分为一个个时隙，不同用户的数据单元仍按照时分的方式来共享通道；但是不再使用物理特性中帧的时隙位置来标识不同信息通路，而是使用时隙的标头信息，也就是从逻辑的方式来标识信息通路。

这种方法提高了设备带宽利用率，但是技术复杂性也比较高，所以这种方法主要应用于高速远程通信过程中，例如，非同步传输模式ATM。1

脉冲编码调制（PCM）脉冲编码调制（英文：Pulse-codemodulation，缩写：PCM）是一种模拟信号的数字化方法。PCM将信号的强度依照同样的间距分成数段，然后用独特的数字记号（通常是二进制）来量化。PCM常被用于数字电信系统上，也是计算机和红皮书中的标准形式。在数字视频中它也是标准，例如使用ITU-RBT.601。但是PCM并不流行于诸如DVD或DVR的消费性商品上，因为它需要相当大的位元率（DVD格式虽然支持PCM，不过很少使用）；与之相较，压缩过的音频较匹配效率。不过，许多蓝光光盘使用PCM作音频编码。非常频繁地，PCM编码以一种串行通信的形式，使数字传讯由一点至下一点变得更容易——不论在已给定的系统内，或物理位置。

脉冲幅度调制（PAM）脉冲幅度调制（英语：Pulse-amplitude modulation，简称PAM）是一种信号调制的方式，是将一连串的模拟信号用脉冲信号取样调制，借此将原始信号之幅度截取出来的调制方法。这是一种模拟脉冲调制的方法，其原始信号承载于一串行之脉冲载波，载波间的时间间隔是固定的，而脉冲载波上数值的大小则依据原始信号的幅度而定。解调的运行方式为侦测各脉冲载波上之幅度大小再加以还原。

脉冲幅度调制有两种主要的类型：

单极性PAM：将一个合适之DC偏压加到信号之中，以确保所有的脉冲数值皆为正的。

双极性PAM：在此信号串行中脉冲信号之数值皆有可能是正的或是负的。

脉冲幅度调制被广泛的应用于数字信号发送上之信号调制，但是非基本频率上的应用已经有相当大的比例被脉冲编码调制取代，并且最近也逐渐被脉冲位置调制取代。

理论上，在模拟脉冲幅度调制上可能之脉冲幅度档次数量为无上限的。而数字脉冲幅度调制上脉冲幅度档次数量则减少至2的次方个。例如，在4-level的PAM上有2的2次方个可能的离散脉冲幅度；在8-level的PAM上则有2的3次方个可能的离散脉冲幅度;并且在16-level的PAM上有2的4次方个可能的离散脉冲幅度。

应用例子电信网络的PDH系统采用PCM编码，使多路电话信号在一个数字信道上传输。

RIFF（WAV）音频文件格式，在存储立体声信号时，把左声道和右声道的信号采样交错的存储。

移动通信中的GSM电话系统。1

本词条内容贡献者为:

胡启洲 - 副教授 - 南京理工大学