通信系统/时分复用
想象一下，有多个信号都想要使用同一条线（或介质）。例如，电话公司希望在同一时间将多个信号放到同一条线上。这样做无疑可以节省大量空间和资金，更不用说无需安装新线而节省的时间。他们该怎么做呢？一个简单的答案就是时分复用。
时分复用 (TDM) 是一种便捷的方法，用于将各种数字信号组合到单一传输介质上，例如电线、光纤，甚至无线电。这些信号可以在位、字节或其他级别交织。生成的模式可以直接传输，如数字载波系统，或者通过调制解调器传递，以允许数据通过模拟网络。数字数据通常在传输中被组织成帧，并将单个用户分配给一个时隙，在此期间可以发送帧。如果用户需要比单通道提供的更高的数据速率，可以分配多个时隙。
北美和欧洲的数字传输方案沿着两个略有不同的路径发展，导致两大洲发现的网络之间存在相当大的不兼容性。
BRA（基本速率接入）是单一数字化语音通道，是数字复用的基本单元。
各种传输速率不是基本速率的整数倍。这是因为在每个复用级别都需要额外的帧和同步位。
在北美，基本数字通道格式称为 DS-0。它们被分组到每个帧 24 个通道。24 个通道和一个起始位的串联被称为一个帧。12 个帧的组被称为多帧或超帧。它们会改变起始位以帮助同步链路，并添加信令位以传递控制消息。
S 位用于识别 DS-1 帧的开始。每秒有 8000 个 S 位。它们具有编码模式，以帮助定位帧内的通道位置。
这形成了奇数帧的 1 0 1 0 1 0 和偶数帧的 0 0 1 1 1 0 的规则模式。当 DS-1 帧用于数字数据应用程序时，会在其中编码额外的同步信息，因此更容易获得和保持锁定。
对于数据客户，通道 24 被保留为特殊的同步字节，其他通道的第 8 位用于指示剩余的 7 位是用户数据还是系统控制信息。在这种情况下，客户拥有 56 Kbps 的有效通道容量。
为了满足低速客户的需求，会再抢占一位以支持子速率复用器同步，留下 6 x 8 Kbps = 48 Kbps 可用。每个 DS-0 可以用作
- • 5 x 9.6 Kbps 通道或
- • 10 x 4.8 Kbps 通道或
- • 20 x 2.48 Kbps 通道。
在 DS-2 格式中，4 个 DS-1 链路交织在一起，一次 12 位。为帧和控制功能添加了额外的 136 Kbps，导致总比特率为 6.312 Mbps。
信令提供控制和路由信息。两个位，称为 A 位和 B 位，从多帧中的帧 6 和 12 的每个通道中获取。A 位是帧 6 中每个通道的最低有效位，B 位是帧 12 中每个通道的最低有效位。这为每个通道提供 666 2/3 bps 的信令速率。
当 2% 的信号被抢占用于信令时，语音传输质量不会明显受到影响。对于数据来说，情况可能不同。如果数据以模拟格式编码，如 FSK 或 PSK，那么抢占位无关紧要，但如果数据已经是数字形式，那么抢占位会导致不可接受的错误率。正是由于这个原因，在北美，64 Kbps 明渠无法通过 PSTN 轻松切换。这意味着数据客户只能使用 56 Kbps 明渠。这个简单的条件对 ISDN 等新服务的开发产生了深远的影响。在大多数设施中，A 位和 B 位代表电话挂钩开关的状态，对应于主叫方 E&M 接口上的 M 线。
CCITT 通过建议 G.704 修改了北美数字层次结构，以便部署 ISDN。ESF 由帧中的 24 个 DS-0 通道组成，但将它们分组到 24 帧多帧中，而不是通常的 12 帧多帧。
S 位被重命名为 F 位，但只有 1/4 用于同步。这是由于帧搜索技术的改进，允许定义更多的信令状态。
在 ESF 链路上仍然使用位抢占进行信令，但随着 ISDN 的出现，将不再允许这样做。相反，通道 24 用于支持 D 通道。
大型电信运营商并不是唯一部署高速 TDM 设施的人。在许多情况下，语音或数据服务的重度用户可以通过将大量低速线路集中到高速设施上来降低传输成本。
如今，有许多种类的 T1 复用器可用。有些是相对简单的设备，而另一些则允许通道串联，从而支持各种数据速率。能够支持多个 DS-0 使得像视频电话会议标准 Px64 这样的协议易于实现。
复用单元通常由通用术语 Mab 指定，其中 a 是输入 DS 级别，b 是输出 DS 级别。因此，M13 复用器将 28 个 DS-1 组合成单个 DS-3，而 M23 复用器将 7 个 DS-2 组合成单个 DS-3。
ZBTSI（零字节时隙交换）用于 DS-4 链路。将 4 个 DS-1 帧加载到寄存器中，并重新编号为 1-96。如果有空槽（全为零），则第一个帧位反转，所有空白槽都被重新定位到帧的前面。然后，通道 1 加载一个 7 位数字，对应于第一个空槽的原始位置。位 8 用于指示后面的通道是否包含用户信息或另一个空槽地址。
如果有第二个空位，则设置先前通道中的位 8，并将空槽地址放置在通道 2 中。这个过程一直持续到所有空位置都被填充。
接收器端的解码过程反向进行。为该系统借用 1/4 的帧位不足以导致同步丢失，并为最终用户提供 64 Kbps 的清晰信道。
欧洲系统沿略微不同的原则发展。64 Kbps 信道仍然是基本单位，但信号不包含在每个信道中。相反，使用公共信道信令。在一级载波中，信道 0 和 16 保留用于信令控制。这种细微的差异意味着欧洲系统没有经历北美系统常见的电话诈骗和 56k 瓶颈，并且 ISDN 服务的普及率要高得多。
为了防止传输系统在数据流上丢失锁定，有必要避免长时间的零串。最有效的方法之一是用预定的代码替换零。这种替换必须以接收器能够识别它并在将数据流传递给客户端之前将其剥离的方式进行。
AMI 提供了一种检测替换的简单方法。在正常情况下，交替标记会被反转。因此，在发射器上故意引入双极性变化可以提醒接收器进行替换。但是，单个违规行为与传输错误无法区分。因此，还必须发生一些额外的条件。
有两种常见的方法来创建第二个条件
- · 在指定时间内，在相反方向上创建第二个双极性违规。这会使平均信号电平保持为零。
- · 计算从上次替换开始的标记数以预测下一个违规类型
B6ZS（二进制六零替换）用于 T2 AMI 传输链路。
通过用双极性违规替换零串来保持同步。由于交替标记具有交替极性，因此两个具有相同极性的连续脉冲构成了违规。因此，可以用违规替换零串，接收器可以确定替换的位置。
由于最后一个标记可能是正 (+) 或负 (-)，因此有两种类型的替换
这些替换强制执行两个连续的违规。单个位错误不会创建此条件。
该方案使用与 B6ZS 相同的替换。
B3ZS 比 B6ZS 更复杂，用于 DS–3 载波系统。替换不仅取决于最后一个标记的极性，还取决于自上次替换以来的标记数。
HDB3（高密度二进制 3）在出现四个连续的零时引入双极性违规。因此，它也可以称为 B4ZS。第二个和第三个零保持不变，但第四个零被赋予与最后一个标记相同的极性。第一个零可以修改为一，以确保连续违规的极性交替。
HDB3 用于欧洲。违规或 V 脉冲在三个连续的零之后注入。第四个零被赋予与最后一个标记相同的极性。如果出现长时间的零串，就会出现一系列单极性脉冲，并且会产生直流偏移。
为了防止这种情况，四个零组中的第一个零可以修改为 1。此 B 或平衡脉冲确保连续违规的极性交替。
这些方案对字节而不是一次一位进行操作。一些传输信号作为二进制电平，但大多数使用多级脉冲。一些作者将这些归类为线路码。
二进制分组码的指定为 nBmB，其中 n 个输入位编码为 m 个输出位。其中最常见的是 3B4B 码。
在欧洲，4B3T 将 4 个二进制位编码为 3 个三进制电平，已被选为 ISDN 的 BRA。在北美，2B1Q 将 2 个二进制位编码为 1 个四进制电平，已被选为 BRA。
一些分组码不会生成多级脉冲。例如，24B1P 或 24B25B 只会向 24 位分组添加一个 P 或奇偶校验位。
TDM 与成本有关：使用更少的电线和更简单的接收器来从多个源传输数据到多个目的地。TDM 还比频分复用 (FDM) 信号使用更少的带宽，除非比特率增加，这将随后增加传输所需的带宽。
同步 TDM 是一种系统，其中发射器和接收器都精确地知道正在发送哪个信号。考虑以下图表
Signal A ---> |---| |A|B|C|A|B|C| |------| ---> Signal A Signal B ---> |TDM| --------------> |De-TDM| ---> Signal B Signal C ---> |---| |------| ---> Signal C
在这个系统中，从时间片 0 开始，每隔三个时间片就保留一个用于信号 A；从时间片 1 开始，每隔三个时间片就保留一个用于信号 B；从时间片 2 开始，每隔三个时间片就保留一个用于信号 C。在这种情况下，接收器（De-TDM）只需要在每个时间片上的信号接收后进行切换。
每个输入连接的数据流被划分为单元，其中每个输入占用一个输入时隙。每个输入连接在输出中都分配了时隙，无论它是否正在发送数据。
A -----|A3|A2|A1|---> |---| .............|C3|B3|A3|C2|B2|A2|C1|B1|A1| |------| ---> A
| | | | | | |
B -----|B3|B2|B1|---> |MUX| -------------|--------|--------|----------> |De-MUX| ---> B
| | | | | | |
C -----|C3|C2|C1|---> |---| | | | |------| ---> C
<--> <-------->
Bit Interval Frame (x seconds)
当一个或多个输入线路没有数据要发送时，Sync TDM 效率低下。因此，它用于数据流量大的线路。
所有信号的采样率相同。最大采样率 = 所有信号最大频率的两倍。
同步 TDM 有益，因为接收器和发射器的成本都非常低。但是，考虑最著名的网络：互联网。在互联网上，给定计算机在几乎没有发生任何事情时可能具有 1kbps 的数据速率，但在从快速服务器下载大型文件时可能具有 100kbps 的数据速率。在这种情况下，时间片如何划分？如果每个时间片都足够大以容纳 100Kbps，那么当计算机没有下载任何数据时，所有这些时间和电力都会被浪费。如果每个时间片只够最小值，那么下载较大文件所需的时间会大大增加。
这个问题的解决方案称为统计 TDM，是互联网目前使用的解决方案。在统计 TDM 中，每个数据项，称为有效载荷（我们之前使用时间片来描述这些），都会附加一定的信息，说明谁发送了它以及谁应该接收它（报头）。有效载荷和报头的组合称为数据包。数据包就像传统“蜗牛邮件”系统中的信封：每个数据包都包含一个目的地地址和一个回复地址，以及一些附带的数据。因此，我们知道每个数据包是从哪里发送的以及它的目的地。
统计 TDM 的缺点是，发送方需要足够智能以编写报头，接收方需要足够智能以读取报头并（如果数据包要转发）将数据包发送到其目的地。
统计复用试图最大限度地利用通信路径。这方面的研究通常被称为排队论。队列只是等待服务的客户或数据包的队列。在大多数情况下，到达率是不可预测的，因此遵循随机或泊松分布模式，而服务时间是恒定的。
数据包复用系统实际用于处理数据包的利用率或时间分数由下式给出
队列长度或等待服务的平均项目数由下式给出
- 例子
- 一条 T1 链路被分成多个 9.6 Kbps 信道，总用户数据速率为 1.152 Mbps。100 个客户可以访问此信道，每个客户在 20% 的时间内需要 9.6 Kbps 数据。如果用户到达时间严格随机，求 T1 链路利用率。
- 解决方案
- 系统用于处理数据包的利用率或时间分数由下式给出
- 一个专门用于数据的 24 通道系统可以在 23 个通道的每个通道中放置五个 9.6 Kbps 客户，总共 115 个客户。在上面的统计链路中，100 个客户产生了平均 0.167 的利用率，并且很容易适应，如果他们在平均 20% 的时间内传输，还有剩余空间。但是，如果客户使用量不是随机分布的，则必须修改上述分析。
这个例子显示了统计复用的潜力。如果信道在需要时分配（只有在客户有东西要发送时），单个 T1 就可以支持数百个低流量用户。
在统计系统中，0.8 以上的利用率是不希望的，因为客户对服务请求的任何微小变化都会导致缓冲区溢出。服务提供商仔细监控延迟和利用率，并为客户分配资源，以最大限度地提高利用率并最小化成本。
一旦我们开始讨论数字网络（特别是互联网），我们将更详细地讨论数据包。数据包头不仅包含地址信息，还可能包含许多不同的字段，这些字段将显示有关数据包的信息。许多头包含错误检查信息（校验和、循环冗余校验），使接收方能够检查数据包是否由于干扰（如电噪声）而出现任何错误。
占空比定义为“有效用于发送或接收数据的時間，用總时间百分比表示”。占空比越高，传输或接收越有效。
我们可以将脉冲宽度 τ 定义为一个比特在其分配的总比特时间Tb内所占用的时间。如果我们的占空比为D，我们可以将脉冲宽度定义为
其中
如果我们使用 100% 占空比，则脉冲宽度等于比特时间。