计算机通信第4讲_多路复用技术2
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2013-7-29 6
同步时分多路复用（TDM）
同步多路电子开关
S4 S3 S2 S1
时 分 多 路 复 用 器
4
3
2
1
4
3
2
1
t2
t1
多 路 解 复 用 器
S4 S3 S2
S1
图4-15 同步时分多路复用
2013-7-29 7
TDM
• 关键问题：
– 收发双方的同步 – 复用器中的电子开关是关键部件
2013-7-29 15
2013-7-29
16
4.4.2 TDM数据复用方式
• 根据每个时间片中存放的内容不同，在时 分多路复用器中，数据复用方式分为三种， 即
–比特交错法 –字符交错法 –码组交错法
2013-7-29
17
1.比特交错法
• 比特交错法：比特交错技术主要用于同步的数据
• 传输特点：
4
2013-7-29
TDM原理
图4-11 抽样定理示意图
2013-7-29 5
基带信号 m1 (t)
低通滤波器 1 低通滤波器 2
m1 ′ (t) m２ ′ (t)
m2 (t) mn-1 (t)
低通滤波器 n －1
mn (t)
m ′ (t) n-1
发送端
低通滤波器 n
mn ′ (t)
接收端
时分复用系统示意图
An … Ai … A2 A1
S2
Bn … Bi … B2 B1
Sm
Mn … Mi … M2 M1
时 分 多 路 复 用 器
帧2
SF M2 … B2 A2 SF
帧1
M1 … B1 A1
帧i
SF Mi … Bi Ai
m路输入信号 每帧含有m个时间片
2013-7-29
码组交错法基本原理框图
24
• 帧结构：
时 分 多 路 复 用 器
帧2
b24 b23 b22 b21
帧1
b14 b13 b12 b11
4路输入信号 每帧含有4个时间片
2013-7-29
比特交错法基本原理框图
19
2.字符交错法
• 字符交错法：主要用于异步的数据源,字符 交错是以一个字符为单位进行复用。即它的 每个时间片包含某个数据源的一个字符数据 或同步信息。
• 交错过程：
2013-7-29 12
2.同步TDM中的基本概念
时 分 多 路 复 用 器
帧2 A D C A
DDD CC B AAA
帧3 D
帧1 D C B A
4路输入信号 每帧含有4个时间片
图4-18Βιβλιοθήκη Baidu步时分多路复用交错过程
2013-7-29 13
2.同步TDM中的基本概念
• （3）帧定位比特：在每帧的开始附加一个
帧2
M2 … B2 A2 SF M1
帧1
… B1 A1 SF
帧i
Mi … Bi Ai SF
m路输入信号 每帧含有m个时间片
字符交错法基本原理框图
2013-7-29 21
字符交错法
• 帧结构：
–SF帧同步头,Mi代表第M路信号中的第i个符 号
SF Mi … Bi Ai
• 优缺点： 适合于异步的数据源，但缓存容量
第4章 多路复用技术（2）
• 4.4 同步时分多路复用（TDM） • 4.4.1 TDM原理 • 4.4.2 TDM数据复用方式 • 4.5 统计时分多路复用（STDM） • 4.5.1 STDM原理 • 4.5.2 STDM帧结构 • 4.6 多路复用技术的比较 • 4.6.1 时分多路复用与频分多路复用的比较 • 4.6.2 比特交错和字符交错复用方式的比较 • 4.6.3 同步时分复用与统计（异步）时分复用的比较
–帧中的每个时间片是预先分配给某个数据源的， 且这种关系固定不变。不论有无数据需要发送， 所有数据源的时间片都会被占有；
• 在具有N路输入系统中，每个帧至少含有N 个时间片。 • Synchronous TDM：不是因为使用了同步传
输，而是因为时间片是预先分配给数据源且固定 不变的。 2013-7-29 9
（Sampling Theorem）。因为抽样定理使得时 间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能。
• 抽样定理：一个频带限制在（0,fH）内的时间连
续信号m(t),如果以不低于2fH的速率进行抽样，则 m(t)可由抽样值完全确定。即： – 若fs>=2fH （ fs代表采样频率 fH为最高频率） – 则理论上就有一种方法能用采样后的离散信号 完全无失真地恢复原来的信号
2013-7-29 32
• 接收端：解复用器根据STDM帧结构将时隙 数据分发给合适的输出缓冲区，直到输出 设备； • STDM帧的每个时隙存在额外的开销。
2013-7-29
33
实例:帧长度固定的STDM
S5
S4 S3 S2 S1 AAAAA 时 分 多 路 复 用 器
A A
C A C
A C A
与比特交错技术相比较大
2013-7-29 22
3.码组交错法
• 码组交错法：码组交错技术按某一码字 长度（若干比特）为单位进行复用，即 每个时间片包含某个数据源的一个码字 （可能是一个比特，一个字符或更多比 特） • 基本原理框图：
2013-7-29
23
码组交错法
Fn … Fi … F2 F1
S1
31
4.5.1 STDM基本原理
• STDM系统复用器（解复用器）的一侧与几 条低速线路相连，另一侧是高速复用线路； 每条低速线路都有一个与之相联系的I/O缓 冲区。 • 发送端：复用器首先扫描各条低速线路（输 入缓冲区），将输入数据组织成STDM帧； STDM帧长度可以是固定的也可以是不固定 的；时间片位置也可以是不固定的；所以每 帧不仅包含数据，还有地址信息（每个时间 片所对应数据都带地址）。
– Asynchronous TDM – Intelligent TDM
2013-7-29 30
SA
SB SC SD
A4 B4 B3 C3 D3
A2 统计 时分 多路 C1 复用 器 D2 帧3 帧1 D3 C3 B3 C1 B4 A4 帧4 D2 A2 帧2
图4-16 帧长不固定的STDM
2013-7-29
图4-17 同步时分多路复用帧的传输
10
2.同步TDM中的基本概念
基带信号 m1 (t)
同步
低通滤波器 1 低通滤波器 2
m1 ′ (t)
m２ ′ (t)
m2 (t) mn-1 (t) 低通滤波器 n －1 mn (t) mn-1 ′ (t)
发送端 接收端
低通滤波器 n
mn ′ (t)
时分复用系统示意图
同步TDM标准
• 主要采用一种脉冲编码调制的技术 PCM(Pulse Coded Modulation) • PCM电话系统是时分多路PCM系统的一 种最重要的应用。 • 现在PCM没有统一的标准，各个国家使 用了各种互不兼容的方法。 • 北美和日本的技术：T1线路（24） • ITU-T推荐的TDM标准：E1线路（30）
C
A
同步TDM实例
2013-7-29 26
计算题
• 例4.1 五个信源通过同步TDM复用在一起。 每个信源每秒产生 100个字符。假设采用 字符交错技术而且每帧需要一个比特同步。 帧速率是多少？通路上的比特率是多少？ 并求出该系统的传输效率。
2013-7-29
27
• 解：（1）已知每个信源每秒产生 100个字符，而 每一帧容纳每个信源的一个字符，由此可知该系 统的帧速率是100帧/秒。 • （2）如果假设每个字符为8位，因此每帧有 8×5=40位，再加上每帧有一位帧定位比特，所 以每帧的长度为41位。由此可计算出通路上的比 特率是41位/帧×100帧/秒=4100bps。 • （3）要想计算传输效率，已知通路上的比特率为 =4100bps，而各通道上传输有用数据的总合为 8×100×5=4000bps。由此可计算出该系统的效 率为97.6%。
或多个同步比特，以便于解复用器根据输入信 息进行同步，从而精确地分离各时间片。控制 信息使用的是可以识别的比特模式： 101010…
• （4）比特填充：同步不同传输速率的数据
源，使得不同数据源间速率匹配（近似呈整数 倍关系），主要是通过复用器在设备的数据流 中插入附加的比特。
2013-7-29 14
37
4.5.2 STDM帧结构
• STDM所使用的帧结构对系统性能有一定的 影响，一般应尽量减少用于管理的附加信 息，将额外开销比特压缩到最小，以改善 吞吐能力。 • 通常STDM系统使用诸如HDLC规程（详见 第8章）的通信协议。如果使用HDLC帧， 那么数据帧中必须含有复用操作的控制位 。
2013-7-29 28
4.5 异步时分多路复用
• TDM缺点：资源浪费 • 原因：帧中时间片与用户一一对应，用户 没有数据发送时也占用这个时间片，因而 浪费资源。
2013-7-29
29
STDM
• 为了提高时隙的利用率，可以采用按需分配 时隙的技术，以避免每帧中出现空闲时隙的 现象，即每一个时间片都可被所连接的任何 一个有数据发送的输入线路所使用。以这种 动态分配时隙方式工作的技术称为统计时分 多路复用(STDM)或称异步TDM（ATDM） 或智能TDM （ITDM）
A E D
D C A
CCCC
DDD
E D C
C A E
EEE
情况3：四条输入线路发送数据
2013-7-29
36
S5
S4 S3 S2 S1
AAAAA BBB 时 分 多 路 复 用 器
E D C
D C B
C B A
CCCC
DDD
A C A
B A E
A E D
EEE
情况4：五条输入线路发送数据
2013-7-29
2.同步TDM中的基本概念
分配给某一设备的时间片在一帧中的位置是 固定的（意味着多路开关是单向扫描的）， 这些就构成了该设备的传输通道 S4 S3 S2 S1 时 分 多 路 复 用 器
帧n 4 3 2 1 帧2 4 3 2 1 帧1 4 3 2 1
Time
4路输入信号
每帧含有4个时间片
2013-7-29
2013-7-29 11
2.同步TDM中的基本概念
• （2）交错：同步时分多路复用器关键部件
是高速的电子开关；当开关移动到某个设备前， 该设备就有机会向公共通路传输规定大小的数 据。开关的这种以固定的速率和固定的顺序在 设备间的移动过程就称作交错；
• 交错可以按 bit/byte/Data block
• TDM工作特点：
– ① 通信双方是按照预先指定的时间进行数 据传输的而且这种时间关系是固定不变的 – ②某一时刻而言，信道上仅传送一对设备之 间的信号而不是多路复用信号 – ③某一时间段而言，信道上传送多路复用信 2013-7-29 号
8
2.同步TDM中的基本概念
• （1）帧：TDM传送信号时，将通信时间分 成一定长度的帧。每一帧又被分成若干时 间片。即一帧由若干个时间片组成。
2013-7-29 1
4.4 时分多路复用（TDM）
• FDM：以频率作为分割信号的参量；采用 模拟技术，对计算机通信不太合适。 • TDM：以时间作为分割信号的参量；即信 号在时间位置上分开但它们能占用的频带 是重叠的。当传输信道所能达到的数据传 输速率超过了传输信号所需的数据传输速 率时即可采用TDM；
CCC
情况1：两条输入线路发送数据
2013-7-29
34
S5
S4 S3 S2 S1
AAAAA 时 分 多 路 复 用 器
A C A E C A E C A E C A
CCCC
EEE
情况2：三条输入线路发送数据
2013-7-29
35
S5
S4 S3 S2 S1
AAAAA 时 分 多 路 复 用 器
A C A
• 传输特点： 每个时间片传输1路信号中的1个字符（数据 /同步信息），典型状况下每个字符的起始 位和停止位在传输之前被清除
2013-7-29 20
字符交错法
Cn … Ci … c2 c1
S1
An … Ai … A2 A1
S2
Bn … Bi … B2 B1
Sm
Mn … Mi … M2 M1
时 分 多 路 复 用 器
SF Mi … Bi Ai
–SF代表帧同步标志 i个码字
Mi代表第M路输入的第
• 传输特点：
–每个时间片传输一个码字/子帧，与比特交 错技术相比误码率较低
2013-7-29
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实例:同步TDM
S4 S3 S2 AAAAA S1 CCC 时 分 多 路 复 用 器
帧5 帧3 帧1
A
帧4
C
A
帧2
C
A
A
2013-7-29 2
4.4 同步时分多路复用（TDM）
• TDM：完全由数字线路实现，近几年得 到广泛应用。 • 时分复用又分为同步时分复用和异步时 分复用。
•
•
2013-7-29
4.4.1 TDM原理 4.4.2 TDM数据复用方式
3
4.4.1 TDM原理
• 1.TDM基本原理：其理论基础是基于抽样定理
– 这种方式按照被复用的支路顺序和各支路中各自 的比特顺序每次仅复用一个比特的数据
– 比特交错时分复用器在高速传送的数据信号集合 帧里，每一个时隙仅传送一个低速信道的1比特 数据或传送1比特帧同步信息。
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源，它的每个时间片仅含有某个数据源的一个比特。
比特交错法
b2 b1
S1
S2 S3 S4
同步时分多路复用（TDM）
同步多路电子开关
S4 S3 S2 S1
时 分 多 路 复 用 器
4
3
2
1
4
3
2
1
t2
t1
多 路 解 复 用 器
S4 S3 S2
S1
图4-15 同步时分多路复用
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TDM
• 关键问题：
– 收发双方的同步 – 复用器中的电子开关是关键部件
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4.4.2 TDM数据复用方式
• 根据每个时间片中存放的内容不同，在时 分多路复用器中，数据复用方式分为三种， 即
–比特交错法 –字符交错法 –码组交错法
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1.比特交错法
• 比特交错法：比特交错技术主要用于同步的数据
• 传输特点：
4
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TDM原理
图4-11 抽样定理示意图
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基带信号 m1 (t)
低通滤波器 1 低通滤波器 2
m1 ′ (t) m２ ′ (t)
m2 (t) mn-1 (t)
低通滤波器 n －1
mn (t)
m ′ (t) n-1
发送端
低通滤波器 n
mn ′ (t)
接收端
时分复用系统示意图
An … Ai … A2 A1
S2
Bn … Bi … B2 B1
Sm
Mn … Mi … M2 M1
时 分 多 路 复 用 器
帧2
SF M2 … B2 A2 SF
帧1
M1 … B1 A1
帧i
SF Mi … Bi Ai
m路输入信号 每帧含有m个时间片
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码组交错法基本原理框图
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• 帧结构：
时 分 多 路 复 用 器
帧2
b24 b23 b22 b21
帧1
b14 b13 b12 b11
4路输入信号 每帧含有4个时间片
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比特交错法基本原理框图
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2.字符交错法
• 字符交错法：主要用于异步的数据源,字符 交错是以一个字符为单位进行复用。即它的 每个时间片包含某个数据源的一个字符数据 或同步信息。
• 交错过程：
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2.同步TDM中的基本概念
时 分 多 路 复 用 器
帧2 A D C A
DDD CC B AAA
帧3 D
帧1 D C B A
4路输入信号 每帧含有4个时间片
图4-18Βιβλιοθήκη Baidu步时分多路复用交错过程
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2.同步TDM中的基本概念
• （3）帧定位比特：在每帧的开始附加一个
帧2
M2 … B2 A2 SF M1
帧1
… B1 A1 SF
帧i
Mi … Bi Ai SF
m路输入信号 每帧含有m个时间片
字符交错法基本原理框图
2013-7-29 21
字符交错法
• 帧结构：
–SF帧同步头,Mi代表第M路信号中的第i个符 号
SF Mi … Bi Ai
• 优缺点： 适合于异步的数据源，但缓存容量
第4章 多路复用技术（2）
• 4.4 同步时分多路复用（TDM） • 4.4.1 TDM原理 • 4.4.2 TDM数据复用方式 • 4.5 统计时分多路复用（STDM） • 4.5.1 STDM原理 • 4.5.2 STDM帧结构 • 4.6 多路复用技术的比较 • 4.6.1 时分多路复用与频分多路复用的比较 • 4.6.2 比特交错和字符交错复用方式的比较 • 4.6.3 同步时分复用与统计（异步）时分复用的比较
–帧中的每个时间片是预先分配给某个数据源的， 且这种关系固定不变。不论有无数据需要发送， 所有数据源的时间片都会被占有；
• 在具有N路输入系统中，每个帧至少含有N 个时间片。 • Synchronous TDM：不是因为使用了同步传
输，而是因为时间片是预先分配给数据源且固定 不变的。 2013-7-29 9
（Sampling Theorem）。因为抽样定理使得时 间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能。
• 抽样定理：一个频带限制在（0,fH）内的时间连
续信号m(t),如果以不低于2fH的速率进行抽样，则 m(t)可由抽样值完全确定。即： – 若fs>=2fH （ fs代表采样频率 fH为最高频率） – 则理论上就有一种方法能用采样后的离散信号 完全无失真地恢复原来的信号
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• 接收端：解复用器根据STDM帧结构将时隙 数据分发给合适的输出缓冲区，直到输出 设备； • STDM帧的每个时隙存在额外的开销。
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实例:帧长度固定的STDM
S5
S4 S3 S2 S1 AAAAA 时 分 多 路 复 用 器
A A
C A C
A C A
与比特交错技术相比较大
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3.码组交错法
• 码组交错法：码组交错技术按某一码字 长度（若干比特）为单位进行复用，即 每个时间片包含某个数据源的一个码字 （可能是一个比特，一个字符或更多比 特） • 基本原理框图：
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码组交错法
Fn … Fi … F2 F1
S1
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4.5.1 STDM基本原理
• STDM系统复用器（解复用器）的一侧与几 条低速线路相连，另一侧是高速复用线路； 每条低速线路都有一个与之相联系的I/O缓 冲区。 • 发送端：复用器首先扫描各条低速线路（输 入缓冲区），将输入数据组织成STDM帧； STDM帧长度可以是固定的也可以是不固定 的；时间片位置也可以是不固定的；所以每 帧不仅包含数据，还有地址信息（每个时间 片所对应数据都带地址）。
– Asynchronous TDM – Intelligent TDM
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SA
SB SC SD
A4 B4 B3 C3 D3
A2 统计 时分 多路 C1 复用 器 D2 帧3 帧1 D3 C3 B3 C1 B4 A4 帧4 D2 A2 帧2
图4-16 帧长不固定的STDM
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图4-17 同步时分多路复用帧的传输
10
2.同步TDM中的基本概念
基带信号 m1 (t)
同步
低通滤波器 1 低通滤波器 2
m1 ′ (t)
m２ ′ (t)
m2 (t) mn-1 (t) 低通滤波器 n －1 mn (t) mn-1 ′ (t)
发送端 接收端
低通滤波器 n
mn ′ (t)
时分复用系统示意图
同步TDM标准
• 主要采用一种脉冲编码调制的技术 PCM(Pulse Coded Modulation) • PCM电话系统是时分多路PCM系统的一 种最重要的应用。 • 现在PCM没有统一的标准，各个国家使 用了各种互不兼容的方法。 • 北美和日本的技术：T1线路（24） • ITU-T推荐的TDM标准：E1线路（30）
C
A
同步TDM实例
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计算题
• 例4.1 五个信源通过同步TDM复用在一起。 每个信源每秒产生 100个字符。假设采用 字符交错技术而且每帧需要一个比特同步。 帧速率是多少？通路上的比特率是多少？ 并求出该系统的传输效率。
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• 解：（1）已知每个信源每秒产生 100个字符，而 每一帧容纳每个信源的一个字符，由此可知该系 统的帧速率是100帧/秒。 • （2）如果假设每个字符为8位，因此每帧有 8×5=40位，再加上每帧有一位帧定位比特，所 以每帧的长度为41位。由此可计算出通路上的比 特率是41位/帧×100帧/秒=4100bps。 • （3）要想计算传输效率，已知通路上的比特率为 =4100bps，而各通道上传输有用数据的总合为 8×100×5=4000bps。由此可计算出该系统的效 率为97.6%。
或多个同步比特，以便于解复用器根据输入信 息进行同步，从而精确地分离各时间片。控制 信息使用的是可以识别的比特模式： 101010…
• （4）比特填充：同步不同传输速率的数据
源，使得不同数据源间速率匹配（近似呈整数 倍关系），主要是通过复用器在设备的数据流 中插入附加的比特。
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4.5.2 STDM帧结构
• STDM所使用的帧结构对系统性能有一定的 影响，一般应尽量减少用于管理的附加信 息，将额外开销比特压缩到最小，以改善 吞吐能力。 • 通常STDM系统使用诸如HDLC规程（详见 第8章）的通信协议。如果使用HDLC帧， 那么数据帧中必须含有复用操作的控制位 。
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4.5 异步时分多路复用
• TDM缺点：资源浪费 • 原因：帧中时间片与用户一一对应，用户 没有数据发送时也占用这个时间片，因而 浪费资源。
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STDM
• 为了提高时隙的利用率，可以采用按需分配 时隙的技术，以避免每帧中出现空闲时隙的 现象，即每一个时间片都可被所连接的任何 一个有数据发送的输入线路所使用。以这种 动态分配时隙方式工作的技术称为统计时分 多路复用(STDM)或称异步TDM（ATDM） 或智能TDM （ITDM）
A E D
D C A
CCCC
DDD
E D C
C A E
EEE
情况3：四条输入线路发送数据
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S5
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AAAAA BBB 时 分 多 路 复 用 器
E D C
D C B
C B A
CCCC
DDD
A C A
B A E
A E D
EEE
情况4：五条输入线路发送数据
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2.同步TDM中的基本概念
分配给某一设备的时间片在一帧中的位置是 固定的（意味着多路开关是单向扫描的）， 这些就构成了该设备的传输通道 S4 S3 S2 S1 时 分 多 路 复 用 器
帧n 4 3 2 1 帧2 4 3 2 1 帧1 4 3 2 1
Time
4路输入信号
每帧含有4个时间片
2013-7-29
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2.同步TDM中的基本概念
• （2）交错：同步时分多路复用器关键部件
是高速的电子开关；当开关移动到某个设备前， 该设备就有机会向公共通路传输规定大小的数 据。开关的这种以固定的速率和固定的顺序在 设备间的移动过程就称作交错；
• 交错可以按 bit/byte/Data block
• TDM工作特点：
– ① 通信双方是按照预先指定的时间进行数 据传输的而且这种时间关系是固定不变的 – ②某一时刻而言，信道上仅传送一对设备之 间的信号而不是多路复用信号 – ③某一时间段而言，信道上传送多路复用信 2013-7-29 号
8
2.同步TDM中的基本概念
• （1）帧：TDM传送信号时，将通信时间分 成一定长度的帧。每一帧又被分成若干时 间片。即一帧由若干个时间片组成。
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4.4 时分多路复用（TDM）
• FDM：以频率作为分割信号的参量；采用 模拟技术，对计算机通信不太合适。 • TDM：以时间作为分割信号的参量；即信 号在时间位置上分开但它们能占用的频带 是重叠的。当传输信道所能达到的数据传 输速率超过了传输信号所需的数据传输速 率时即可采用TDM；
CCC
情况1：两条输入线路发送数据
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S4 S3 S2 S1
AAAAA 时 分 多 路 复 用 器
A C A E C A E C A E C A
CCCC
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情况2：三条输入线路发送数据
2013-7-29
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S5
S4 S3 S2 S1
AAAAA 时 分 多 路 复 用 器
A C A
• 传输特点： 每个时间片传输1路信号中的1个字符（数据 /同步信息），典型状况下每个字符的起始 位和停止位在传输之前被清除
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字符交错法
Cn … Ci … c2 c1
S1
An … Ai … A2 A1
S2
Bn … Bi … B2 B1
Sm
Mn … Mi … M2 M1
时 分 多 路 复 用 器
SF Mi … Bi Ai
–SF代表帧同步标志 i个码字
Mi代表第M路输入的第
• 传输特点：
–每个时间片传输一个码字/子帧，与比特交 错技术相比误码率较低
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实例:同步TDM
S4 S3 S2 AAAAA S1 CCC 时 分 多 路 复 用 器
帧5 帧3 帧1
A
帧4
C
A
帧2
C
A
A
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4.4 同步时分多路复用（TDM）
• TDM：完全由数字线路实现，近几年得 到广泛应用。 • 时分复用又分为同步时分复用和异步时 分复用。
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4.4.1 TDM原理 4.4.2 TDM数据复用方式
3
4.4.1 TDM原理
• 1.TDM基本原理：其理论基础是基于抽样定理
– 这种方式按照被复用的支路顺序和各支路中各自 的比特顺序每次仅复用一个比特的数据
– 比特交错时分复用器在高速传送的数据信号集合 帧里，每一个时隙仅传送一个低速信道的1比特 数据或传送1比特帧同步信息。
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源，它的每个时间片仅含有某个数据源的一个比特。
比特交错法
b2 b1
S1
S2 S3 S4