3.3 數(shù)字傳輸系統(tǒng)

數(shù)字傳輸系統(tǒng)都采用PCM脈沖編碼調(diào)制。由于歷史原因，世界上有兩個互不兼容的國際標準，即北美的24路PCM標準（簡稱T1）和歐洲的30路PCM標準（簡稱E1）。我國采用的是E1標準。T1標準的最高信息傳輸速率為1.544Mbit/s，E1標準的信息最高傳輸速率為2.048Mbit/s。

標準電話信號的最高頻率為3.4kHz，因此取樣頻率定為8kHz（取樣脈沖的周期為125μs），8bit量化編碼。因此，一個模擬電話信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A-D）后生成的PCM數(shù)字信號的速率為8kHz×8bit=64kbit/s?，F(xiàn)今，采用數(shù)字音頻壓縮編碼技術(shù)后，可以把碼速率壓縮到32kbit/s、16kbit/s或8kbit/s后再進行數(shù)據(jù)傳送，聲音質(zhì)量良好，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)通道的空間。

3.3.1 時分復(fù)用技術(shù)

FDM頻分復(fù)用技術(shù)的最大優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它的最大缺點是隨著復(fù)用信道的增多，通道間的串音干擾也會增大，限制了復(fù)用通道的數(shù)量。時分復(fù)用技術(shù)的最大優(yōu)點之一是在一對傳輸線路上可同時傳送更多數(shù)量的數(shù)字基帶信號而不會產(chǎn)生通道間的串音干擾。

時分復(fù)用（Time Division Multiplex，TDM）的原理是把多路話音的PCM信號在規(guī)定的時間長度內(nèi)進行打包（Pack-age）成幀（即時分復(fù)用幀），然后再往線路上一幀接一幀地傳輸，如圖3-8所示。

不難看出，時分復(fù)用是所有的用戶通道CH只是在不同時間占有公共通道，即在分配給自己的專用時隙內(nèi)占用共享的公共通道，因而不會發(fā)生干擾。從頻域來看，大家所占用的頻率范圍（頻帶）是相同的。

圖3-8 TDME1的時分復(fù)用幀

例如，E1時分復(fù)用幀的長度為T=125μs（8kHz取樣頻率的周期長度），在這個125μs時間長度中再劃分為32個相等的時隙，各時隙的編號為CH0～CH31。時隙CH0中的數(shù)據(jù)信號用作收發(fā)之間的幀同步，時隙CH16用來傳送信令（如用戶的撥號命令）。供用戶傳送數(shù)據(jù)的話路時隙為CH1～CH15和CH17～CH31，共30個時隙。每個時隙傳送8bit數(shù)據(jù)，因此32個時隙共用了32×8bit=256bit數(shù)據(jù)。時分復(fù)用幀的周期T=125μs，因此每秒需傳送8000幀 每秒需傳送的bit數(shù)（即碼速率bit/s）為256bit×8000幀=2.048Mbit/s。

北美和日本使用的T1系統(tǒng)共設(shè)有24個話音通道。每個話音通道用7bit量化編碼，然后再加上1bit信令碼，因此一個話路也占用8bit。幀同步碼是在24路的編碼之后再加上1bit，這樣每幀共有24路×8bit+1bit=193bit，復(fù)用幀的周期T也為125μs（即取樣頻率8kHz的周期），因此T1每秒傳送的碼速率=193bit×8000Hz=1.544Mbit/s。這個碼率又稱為一次群的數(shù)據(jù)率。

當(dāng)需要更多的信道復(fù)用時，可采用復(fù)用方法獲得更高的數(shù)據(jù)率。例如，4個一次群可構(gòu)成一個二次群，這個二次群的數(shù)據(jù)率比4個一次群數(shù)據(jù)率的總和還要多一些。表3-1是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)高次群的話路數(shù)及數(shù)據(jù)率。

表3-1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)高次群的話路數(shù)及數(shù)據(jù)率

頻分復(fù)用和時分復(fù)用各有自己的特點。頻分復(fù)用系統(tǒng)較簡單，用戶分配到規(guī)定的帶寬后，自始至終都占有這個頻帶寬度。當(dāng)復(fù)用的用戶數(shù)增加時，通信信道的總帶寬也應(yīng)相隨增寬。例如，每個標準話路的帶寬是4kHz（3.1kHz信號帶寬+兩邊的隔離防護帶寬），那么1000個用戶使用頻分復(fù)用時，需占用的總帶寬為1000×4kHz=4MHz（注意：這里的“帶寬”指的是頻帶寬度而不是指的數(shù)據(jù)發(fā)送速率）。

時分復(fù)用的原理是將時間劃分為一段段等長時間的復(fù)用幀（TDM幀）。每個用戶通道在每個TDM幀中占有固定序號的時隙，圖3-9是頻分復(fù)用與時分復(fù)用的區(qū)別。時分復(fù)用中的A、B、C、D每個用戶所占的時間間隙（用戶數(shù)據(jù)包）是不連續(xù)的周期性地出現(xiàn)。

因此TDM信號也稱為等時（Isochro-nous）信號。例如，每個時分復(fù)用幀的時間長度T都是125μs，如果有1000個用戶通道進行時分復(fù)用時，那么每個用戶通道分配到的時隙寬度為125/1000μs，即0.125μs。需要采用時隙寬度非常窄的脈沖信號，脈沖信號越窄所占的頻譜寬度也會越寬。因此，復(fù)用的用戶越多，每個用戶分配到的時隙寬度也越小，數(shù)據(jù)編碼脈沖的寬度也越窄，數(shù)據(jù)碼速率也越高，要求傳輸系統(tǒng)的帶寬也越大。與頻分復(fù)用相比，時分復(fù)用更有利于數(shù)字信號的傳輸。

圖3-9 頻分復(fù)用與時分復(fù)用的區(qū)別

a）頻分復(fù)用 b）時分復(fù)用

3.3.2 統(tǒng)計時分復(fù)用技術(shù)

時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)傳送是突發(fā)性的，每個計算機用戶對已經(jīng)分配到的信道的利用率一般是不高的。當(dāng)用戶在某一段時間暫時無數(shù)據(jù)傳輸時（如用戶正在鍵盤上輸入數(shù)據(jù)或正在瀏覽屏幕信息），那么只能讓已分配到的信道空閑著，而其他用戶又無法使用這個暫時空閑的線路資源。圖3-10說明了這個概念。這里假定有A、B、C、D四個用戶進行時分復(fù)用。復(fù)用器按①→②→③→④的時序依次掃描A、B、C、D各用戶的時隙，構(gòu)成時分復(fù)用幀，每個時分復(fù)用幀中包含有四個用戶時隙（用戶數(shù)據(jù)包）?？梢钥闯?，當(dāng)某個用戶暫時無數(shù)據(jù)發(fā)送時，時分復(fù)用幀分配給該用戶的時隙只能處于空閑狀態(tài)，其他用戶不能使用這些空閑時隙，導(dǎo)致復(fù)用后的信道利用率不高。

圖3-10 時分復(fù)用幀的空閑時隙

統(tǒng)計時分復(fù)用（Statistic TDM，STDM）就是為了充分利用時分復(fù)用的空閑時隙而設(shè)計的一種改進的時分復(fù)用，它可以明顯地提高信道的利用率。圖3-11是統(tǒng)計時分復(fù)用的原理圖。與TDM主要的區(qū)別是各用戶隨時發(fā)送的數(shù)據(jù)都先存入一個集中器的緩存中，然后復(fù)用器再按順序依次掃描集中器中的緩存，將緩存中的輸入數(shù)據(jù)送到STDM幀中。當(dāng)一個復(fù)用幀的數(shù)據(jù)放滿了，就發(fā)送出去。因此，STDM復(fù)用幀不是固定分配時隙，而是按需動態(tài)地分配時隙。讀者可能會發(fā)現(xiàn)，在STDM中，某個用戶所占的時隙并不能周期性地出現(xiàn)，因此統(tǒng)計復(fù)用又稱異步時分復(fù)用，而普通的TDM時分復(fù)用稱為同步時分復(fù)用。

由于STDM復(fù)用幀中的時隙并不是固定地分配給某個用戶，所以在每個時隙中還必須有用戶的地址信息，這是統(tǒng)計時分復(fù)用必須要增加的開銷。在圖3-11的輸出線路上每個時隙之前的白色小間隙就是放入這樣的地址信息。圖3-12說明在同步傳輸中，只需在復(fù)用幀的起始端和終止端加上同步字符或字節(jié)。而在異步傳輸中，還必須在數(shù)據(jù)位的前后兩端增加起始位和終止位。

集中器（Concentrator）也稱為智能復(fù)用器，它能通過排隊方式使各用戶合理地共享信道。許多集中器還具有路由選擇、數(shù)據(jù)壓縮和前向糾錯等功能。

圖3-11 STDM的工作原理

3.3.3 碼分多址復(fù)用技術(shù)

CDMA碼分多址復(fù)用（Code Division Multiple Access，CDMA）是共享信道的另一種方法，每個用戶可同時使用同樣寬的頻帶進行通信。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，不會造成相互干擾。這種通信系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)覺，因此最初被用于軍事通信。隨著技術(shù)的進步，CDMA設(shè)備的價格和體積已大幅下降，現(xiàn)已廣泛用于民用移動通信。

采用CDMA可提高通信的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少干擾對通信的影響，增大通信容量（是GSM系統(tǒng)的4～5倍），降低平均發(fā)射功率等。

在CDMA中，把數(shù)據(jù)編碼信息中的每個比特（bit）時間再劃分為m個短間隔，稱為碼片（Chip）。通常m值指定為64或128。每個CDMA通信站指定有一個唯一的mbit碼片序列（Chip sequence）。一個通信站如果要發(fā)送比特1，那么應(yīng)發(fā)送自己的mbit碼片序列，如果要發(fā)送比特0，那么應(yīng)發(fā)送該碼片序列的二進制的補碼。

如果某個通信站要發(fā)送的數(shù)據(jù)率為6bit/s，由于每一比特要轉(zhuǎn)換成m個比特的碼片，實際上要發(fā)送的數(shù)據(jù)率提高到m×6bit/s，當(dāng)然，占用的頻帶寬度也提高到原來數(shù)值的m倍。這種通信方式是擴頻（Spread spectrum）通信中的一種。通常擴頻通信有兩大類：一類是直接序列（Direct sequence），如上面使用的碼片序列，記為DS-CDMA；另一類是一種跳頻（Frequency hopping），記為FH-CDMA。

CDMA系統(tǒng)的一個重要特點是系統(tǒng)給每一個站分配的碼片必須是互不相干的，而且還必須是相互正交的（Orthogonal）。在實際系統(tǒng)中使用的是偽隨機碼序列。

CDMA系統(tǒng)中很多站相互通信時，它們各自發(fā)送自己的碼片序列（相當(dāng)于發(fā)送比特1），或碼片序列的二進制碼（相當(dāng)于發(fā)送比特0），或什么也不發(fā)送（相當(dāng)于沒有數(shù)據(jù)發(fā)送）。各站發(fā)送的碼片序列應(yīng)是同步的。接收站接收數(shù)據(jù)時，必須知道發(fā)送站所有的碼片序列，用發(fā)送站的碼片向量與接收到的未知信號進行求內(nèi)積運算，發(fā)送站發(fā)送比特1時，接收站計算內(nèi)積的結(jié)果為“+1”，當(dāng)發(fā)送站發(fā)送比特0時，內(nèi)積的計算結(jié)果為“-1”。