基本介紹
- 中文名：時分多路復用
- 外文名：timedivision multiplexing，TDM
- 套用學科：通信
技術背景,PAM時分復用原理,時分復用的PCM系統（TDM—PCM）,32路PCM的幀結構,PCM的高次群,非同步時分復用,脈衝編碼調製（PCM）,脈衝幅度調製（PAM）,套用例子,
時分復用，(Time Division Multiplexer,TDM)，是把一個傳輸通道進行時間分割以傳送若干話路的信息，把N個話路設備接到一條公共的通道上，按一定的次序輪流的給各個設備分配一段使用通道的時間。當輪到某個設備時，這個設備與通道接通，執行操作。 與此同時，其它設備與通道的聯繫均被切斷。 待指定的使用時間間隔一到，則通過時分多路轉換開關把通道聯接到下一個要連線的設備上去。 時分制通信也稱時間分割通信，它是數字電話多路通信的主要方法，因而PCM通信常稱為時分多路通信。
技術背景
為了提高通信系統信道的利用率，話音信號的傳輸往往採用多路復用通信的方式。這裡所謂的多路復用通信方式通常是指：在一個信道上同時傳輸多個話音信號的技術，有時也將這種技術簡稱為復用技術。復用技術有多種工作方式，例如頻分復用、時分復用以及碼分復用等。
頻分復用是將所給的信道頻寬分割成互不重疊的許多小區間，每個小區間能順利通過一路信號，在一般情況下可以通過正弦波調製的方法實現頻分復用。頻分復用的多路信號在頻率上不會重疊，但在時間上是重疊的。
時分復用是建立在抽樣定理基礎上的。抽樣定理使連續(模擬)的基帶信號有可能被在時間上離散出現的抽樣脈衝值所代替。這樣，當抽樣脈衝占據較短時間時，在抽樣脈衝之間就留出了時間空隙，利用這種空隙便可以傳輸其他信號的抽樣值。因此，這就有可能沿一條信道同時傳送若干個基帶信號。
碼分復用是一種以擴頻技術為基礎的復用技術。
PAM時分復用原理
為了便於分析時分復用(TDM)技術的基本原理，這裡假設有3路PAM信號進行時分多路復用，其具體實現方法如下圖一所示：
圖一：
從上圖可以看到，各路信號首先通過相應的低通濾波器，使輸入信號變為帶限信號。然後再送到抽樣開關(或轉換開關)，轉換開關(電子開關)每秒將各路信號依次抽樣一次，這樣3個抽樣值按先後順序錯開納入抽樣間隔之內。合成的復用信號是3個抽樣訊息之和，如下圖二所示。由各個訊息構成單一抽樣的一組脈衝叫做一幀，一幀中相鄰兩個抽樣脈衝之間的時間間隔叫做時隙，未能被抽樣脈衝占用的時隙部分稱為防護時間。
圖二
多路復用信號可以直接送入信道傳輸，或者加到調製器上變換成適於信道傳輸的形式後再送入信道傳輸。
在接收端，合成的時分復用信號由分路開關依次送入各路相應的重建低通濾波器，恢復出原來的連續信號。在TDM中，傳送端的轉換開關和接收端的分路開關必須同步。所以在發端和收端都設有時鐘脈衝序列來穩定開關時間，以保證兩個時鐘序列合拍。
根據抽樣定理可知，一個頻帶限制在fH範圍內的信號，最小抽樣頻率值為2fH，這時就可利用頻寬為的理想低通濾波器恢復出原始信號來。對於頻帶都是fH的N路復用信號，它們的獨立抽樣頻率為2N*fH，如果將信道表示為一個理想的低通形式，則為了防止組合波形丟失信息，傳輸頻寬必須滿足B>=N*fH。
時分復用的PCM系統（TDM—PCM）
PCM和PAM的區別在於PCM要在PAM的基礎上經過量化和編碼，把PAM中的一個抽樣值量化後編為k位二進制代碼。下圖三表示一個只有3路PCM復用的方框圖。
圖三
圖(a)表示發端原理方框圖。話音信號經過放大和低通濾波後，再經過抽樣得到3路PAM信號，它們在時間上是分開的，由各路傳送的定時取樣脈衝進行控制，然後將3路PAM信號一起加到量化和編碼器內進行量化和編碼，每個PAM信號的抽樣脈衝經量化後編為k位二進制代碼。編碼後的PCM代碼經碼型變換，變為適合於信道傳輸的碼型（例如HDB3碼），最後經過信道傳到接收端。
圖(b)為接收端的原理方框圖。當接收端收到信碼後，首先經過碼型變換，然後加到解碼器進行解碼。解碼後得到的是3路合在一起的PAM信號，再經過分離電路把各路PAM信號區分開來，最後經過放大和低通濾波還原為話音信號。
32路PCM的幀結構
對於多路數字電話系統，國際上已建議的有兩種標準化制式，即PCM 30/32路(A律壓擴特性)制式和PCM 24路(μ律壓擴特性)制式，並規定國際通信時，以A律壓擴特性為準(即以30/32路制式為準)，凡是兩種制式的轉換，其設備接口均由採用μ律特性的國家負責解決。因此，我國規定採用PCM 30/32路制式，其幀和復幀結構如下圖四所示。
圖四：
從上圖中可以看到，在PCM 30/32路的制式中，一個復幀由16幀組成；一幀由32個時隙組成；一個時隙為8位碼組。時隙l1～15，17～31共30個時隙用來作話路，傳送話音信號，時隙0(TS0)是“幀定位碼組”，時隙16(TS16) 用於傳送各話路的標誌信號碼。
從時間上講，由於抽樣重複頻率為8000Hz，因此，抽樣周期為125 μs，這也就是PCM 30/32的幀周期；一復幀由16個幀組成，這樣復幀周期為2ms；一幀內要時分復用32路，則每路占用的時隙為；每時隙包含8位碼組，因此，每位碼元占488ns。
從傳碼率上講，也就是每秒鐘能傳送8000幀，而每幀包含32×8=256bit，因此，總碼率為256比特/幀×8000幀/秒=2048kb/s。對於每個話路來說，每秒鐘要傳輸8000個時隙，每個時隙為8bit，所以可得每個話路數位化後信息傳輸速率為8×8000=64kb/s。
從時隙比特分配上講，在話路比特中，第l比特為極性碼，第2～4比特為段落碼，第5～8比特為段內碼。對於TS0和TS16時隙比特分配將分別予以介紹。
TS0時隙比特分配。為了使收發兩端嚴格同步，每幀都要傳送一組特定標誌的幀同步碼組或監視碼組。幀同步碼組為“0011011”，占用偶幀TS0的第2～8碼位。第1比特供國際通信用，不使用時傳送“1”碼。在奇幀中，第3位為幀失步告警用，同步時送“0”碼，失步時送“1”碼。為避免奇TS0的第2～8碼位出現假同步碼組，第2位碼規定為監視碼，固定為“1”，第4～8位碼為國內通信用，目前暫定為“1”。
TS16時隙用於傳送各話路的標誌信號碼，標誌信號按復幀傳輸，即每隔2ms傳輸一次，一個復幀有16個幀，即有16個“TS16時隙”(8位碼組)。除了F0之外，其餘Fl～F15用來傳送30個話路的標誌信號。如圖6-29所示，每幀8位碼組可以傳送2個話路的標誌信號，每路標誌信號占4個比特，以a、b、c、d表示。TS16時隙的F0為復幀定位碼組，其中第一至第四位是復幀定位碼組本身，編碼為“0000”，第六位用於復幀失步告警指示，失步為“1”；同步為“0”，其餘3比特為備用比特，如不用則為“1”。需要說明的是標誌信號碼a、b、c、d不能為全“0”，否則就會和復幀定位碼組混淆了。
PCM的高次群
目前我國和歐洲等國採用PCM系統，以2048kb/s傳輸30/32路話音、同步和狀態信息作為一次群。為了能使如電視等寬頻信號通過PCM系統傳輸，就要求有較高的碼率。而上述的PCM基群(或稱一次群)顯然不能滿足要求，因此，出現了PCM高次群系統。
在時分多路復用系統中，高次群是由若干個低次群通過數字復用設備匯總而成的。對於PCM 30/32路系統來說，其基群的速率為2048kb/s。其二次群則由4個基群匯總而成，速率為8448kb/s，話路數為4×30=120話路。對於速率更高、路數更多的三次群以上的系統，目前在國際上尚無統一的建議標準。
PCM系統所使用的傳輸介質和傳輸速率有關。基群PCM的傳輸介質一般採用市話對稱電纜，也可以在市郊長途電纜上傳輸。基群PCM可以傳輸電話、數據或1MHz可視電話信號等。
二次群速率較高，需採用對稱平衡電纜，低電容電纜或微型同軸電纜。二次群PCM可傳送可視電話、會議電話或電視信號等。
三次群以上的傳輸需要採用同軸電纜或毫米波波導等，它可傳送彩色電視信號。
圖五
目前傳輸媒介向毫米波發展，其頻率可高達30～300GHz。例如地下波導線路傳輸，速率可達幾十吉比特/秒(Gb/s)，可開通30萬路PCM話路。採用光纜、衛星通信則可以得到更大的話路數量。
非同步時分復用
非同步時分多路復用技術ATDM（Asynchronism Time-Division Multiplexing），對頻寬的占用是動態的，這樣就可以在某用戶數據量少或無數據傳輸時，將頻寬資源供其他用戶使用，以充分發揮傳輸線路的利用率；另一方面，當某用戶出現突發性數據時，又可為其分配相應數量的時隙，以減少時延和避免數據丟失。 所以適用於突發性業務，且線路利用率較高。
非同步時分多路復用技術，也叫做統計時分多路復用技術（STDM，Statistic Time-Division Multiplexing）。 指的是將用戶的數據劃分為一個個時隙，不同用戶的數據單元仍按照時分的方式來共享通道；但是不再使用物理特性中幀的時隙位置來標識不同信息通路，而是使用時隙的標頭信息，也就是從邏輯的方式來標識信息通路。
這種方法提高了設備頻寬利用率，但是技術複雜性也比較高，所以這種方法主要套用於高速遠程通信過程中，例如，非同步傳輸模式ATM。
脈衝編碼調製（PCM）
脈衝編碼調製（英文：Pulse-codemodulation，縮寫：PCM）是一種模擬信號的數字化方法。PCM將信號的強度依照同樣的間距分成數段，然後用獨特的數字記號（通常是二進制）來量化。PCM常被用於數字電信系統上，也是計算機和紅皮書中的標準形式。在數字視頻中它也是標準，例如使用ITU-RBT.601。但是PCM並不流行於諸如DVD或DVR的消費性商品上，因為它需要相當大的位元率（DVD格式雖然支持PCM，不過很少使用）；與之相較，壓縮過的音頻較匹配效率。不過，許多藍光光碟使用PCM作音頻編碼。非常頻繁地，PCM編碼以一種串列通信的形式，使數字傳訊由一點至下一點變得更容易——不論在已給定的系統內，或物理位置。
脈衝幅度調製（PAM）
脈衝幅度調製（英語：Pulse-amplitude modulation，簡稱PAM）是一種信號調製的方式，是將一連串的模擬信號用脈衝信號取樣調製，藉此將原始信號之幅度截取出來的調製方法。這是一種模擬脈衝調製的方法，其原始信號承載於一串列之脈衝載波，載波間的時間間隔是固定的，而脈衝載波上數值的大小則依據原始信號的幅度而定。解調的運行方式為偵測各脈衝載波上之幅度大小再加以還原。
脈衝幅度調製有兩種主要的類型：
- 單極性PAM：將一個合適之DC偏壓加到信號之中，以確保所有的脈衝數值皆為正的。
- 雙極性PAM：在此信號串列中脈衝信號之數值皆有可能是正的或是負的。
理論上，在模擬脈衝幅度調製上可能之脈衝幅度檔次數量為無上限的。而數字脈衝幅度調製上脈衝幅度檔次數量則減少至2的次方個。例如，在4-level的PAM上有2的2次方個可能的離散脈衝幅度；在8-level的PAM上則有2的3次方個可能的離散脈衝幅度;並且在16-level的PAM上有2的4次方個可能的離散脈衝幅度。
套用例子
- 移動通信中的GSM電話系統。
