通訊系統/時分複用
想象一下，有多個訊號都想要使用同一條線（或介質）。例如，電話公司希望在同一時間將多個訊號放到同一條線上。這樣做無疑可以節省大量空間和資金，更不用說無需安裝新線而節省的時間。他們該怎麼做呢？一個簡單的答案就是時分複用。
時分複用 (TDM) 是一種便捷的方法，用於將各種數字訊號組合到單一傳輸介質上，例如電線、光纖，甚至無線電。這些訊號可以在位、位元組或其他級別交織。生成的模式可以直接傳輸，如數字載波系統，或者透過調變解調器傳遞，以允許資料透過模擬網路。數字資料通常在傳輸中被組織成幀，並將單個使用者分配給一個時隙，在此期間可以傳送幀。如果使用者需要比單通道提供的更高的資料速率，可以分配多個時隙。
北美和歐洲的數字傳輸方案沿著兩個略有不同的路徑發展，導致兩大洲發現的網路之間存在相當大的不相容性。
BRA（基本速率接入）是單一數字化語音通道，是數字複用的基本單元。
各種傳輸速率不是基本速率的整數倍。這是因為在每個複用級別都需要額外的幀和同步位。
在北美，基本數字通道格式稱為 DS-0。它們被分組到每個幀 24 個通道。24 個通道和一個起始位的串聯被稱為一個幀。12 個幀的組被稱為多幀或超幀。它們會改變起始位以幫助同步鏈路，並新增信令位以傳遞控制訊息。
S 位用於識別 DS-1 幀的開始。每秒有 8000 個 S 位。它們具有編碼模式，以幫助定位幀內的通道位置。
這形成了奇數幀的 1 0 1 0 1 0 和偶數幀的 0 0 1 1 1 0 的規則模式。當 DS-1 幀用於數字資料應用程式時，會在其中編碼額外的同步資訊，因此更容易獲得和保持鎖定。
對於資料客戶，通道 24 被保留為特殊的同步位元組，其他通道的第 8 位用於指示剩餘的 7 位是使用者資料還是系統控制資訊。在這種情況下，客戶擁有 56 Kbps 的有效通道容量。
為了滿足低速客戶的需求，會再搶佔一位以支援子速率複用器同步，留下 6 x 8 Kbps = 48 Kbps 可用。每個 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 個 DS-1 鏈路交織在一起，一次 12 位。為幀和控制功能添加了額外的 136 Kbps，導致總位元率為 6.312 Mbps。
信令提供控制和路由資訊。兩個位，稱為 A 位和 B 位，從多幀中的幀 6 和 12 的每個通道中獲取。A 位是幀 6 中每個通道的最低有效位，B 位是幀 12 中每個通道的最低有效位。這為每個通道提供 666 2/3 bps 的信令速率。
當 2% 的訊號被搶佔用於信令時，語音傳輸質量不會明顯受到影響。對於資料來說，情況可能不同。如果資料以模擬格式編碼，如 FSK 或 PSK，那麼搶佔位無關緊要，但如果資料已經是數字形式，那麼搶佔位會導致不可接受的錯誤率。正是由於這個原因，在北美，64 Kbps 明渠無法透過 PSTN 輕鬆切換。這意味著資料客戶只能使用 56 Kbps 明渠。這個簡單的條件對 ISDN 等新服務的開發產生了深遠的影響。在大多數設施中，A 位和 B 位代表電話掛鉤開關的狀態，對應於主叫方 E&M 介面上的 M 線。
CCITT 透過建議 G.704 修改了北美數字層次結構，以便部署 ISDN。ESF 由幀中的 24 個 DS-0 通道組成，但將它們分組到 24 幀多幀中，而不是通常的 12 幀多幀。
S 位被重新命名為 F 位，但只有 1/4 用於同步。這是由於幀搜尋技術的改進，允許定義更多的信令狀態。
在 ESF 鏈路上仍然使用位搶佔進行信令，但隨著 ISDN 的出現，將不再允許這樣做。相反，通道 24 用於支援 D 通道。
大型電信運營商並不是唯一部署高速 TDM 設施的人。在許多情況下，語音或資料服務的重度使用者可以透過將大量低速線路集中到高速設施上來降低傳輸成本。
如今，有許多種類的 T1 複用器可用。有些是相對簡單的裝置，而另一些則允許通道串聯，從而支援各種資料速率。能夠支援多個 DS-0 使得像影片電話會議標準 Px64 這樣的協議易於實現。
複用單元通常由通用術語 Mab 指定，其中 a 是輸入 DS 級別，b 是輸出 DS 級別。因此，M13 複用器將 28 個 DS-1 組合成單個 DS-3，而 M23 複用器將 7 個 DS-2 組合成單個 DS-3。
ZBTSI（零位元組時隙交換）用於 DS-4 鏈路。將 4 個 DS-1 幀載入到暫存器中，並重新編號為 1-96。如果有空槽（全為零），則第一個幀位反轉，所有空白槽都被重新定位到幀的前面。然後，通道 1 載入一個 7 位數字，對應於第一個空槽的原始位置。位 8 用於指示後面的通道是否包含使用者資訊或另一個空槽地址。
如果有第二個空位，則設定先前通道中的位 8，並將空槽地址放置在通道 2 中。這個過程一直持續到所有空位置都被填充。
接收器端的解碼過程反向進行。為該系統借用 1/4 的幀位不足以導致同步丟失，併為終端使用者提供 64 Kbps 的清晰通道。
歐洲系統沿略微不同的原則發展。64 Kbps 通道仍然是基本單位，但訊號不包含在每個通道中。相反，使用公共通道信令。在一級載波中，通道 0 和 16 保留用於信令控制。這種細微的差異意味著歐洲系統沒有經歷北美系統常見的電話詐騙和 56k 瓶頸，並且 ISDN 服務的普及率要高得多。
為了防止傳輸系統在資料流上丟失鎖定，有必要避免長時間的零串。最有效的方法之一是用預定的程式碼替換零。這種替換必須以接收器能夠識別它並在將資料流傳遞給客戶端之前將其剝離的方式進行。
AMI 提供了一種檢測替換的簡單方法。在正常情況下，交替標記會被反轉。因此，在發射器上故意引入雙極性變化可以提醒接收器進行替換。但是，單個違規行為與傳輸錯誤無法區分。因此，還必須發生一些額外的條件。
有兩種常見的方法來建立第二個條件
- · 在指定時間內，在相反方向上建立第二個雙極性違規。這會使平均訊號電平保持為零。
- · 計算從上次替換開始的標記數以預測下一個違規型別
B6ZS（二進位制六零替換）用於 T2 AMI 傳輸鏈路。
透過用雙極性違規替換零串來保持同步。由於交替標記具有交替極性，因此兩個具有相同極性的連續脈衝構成了違規。因此，可以用違規替換零串，接收器可以確定替換的位置。
由於最後一個標記可能是正 (+) 或負 (-)，因此有兩種型別的替換
這些替換強制執行兩個連續的違規。單個位錯誤不會建立此條件。
該方案使用與 B6ZS 相同的替換。
B3ZS 比 B6ZS 更復雜，用於 DS–3 載波系統。替換不僅取決於最後一個標記的極性，還取決於自上次替換以來的標記數。
HDB3（高密度二進位制 3）在出現四個連續的零時引入雙極性違規。因此，它也可以稱為 B4ZS。第二個和第三個零保持不變，但第四個零被賦予與最後一個標記相同的極性。第一個零可以修改為一，以確保連續違規的極性交替。
HDB3 用於歐洲。違規或 V 脈衝在三個連續的零之後注入。第四個零被賦予與最後一個標記相同的極性。如果出現長時間的零串，就會出現一系列單極性脈衝，並且會產生直流偏移。
為了防止這種情況，四個零組中的第一個零可以修改為 1。此 B 或平衡脈衝確保連續違規的極性交替。
這些方案對位元組而不是一次一位進行操作。一些傳輸訊號作為二進位制電平，但大多數使用多級脈衝。一些作者將這些歸類為線路碼。
二進位制分組碼的指定為 nBmB，其中 n 個輸入位編碼為 m 個輸出位。其中最常見的是 3B4B 碼。
在歐洲，4B3T 將 4 個二進位制位編碼為 3 個三進位制電平，已被選為 ISDN 的 BRA。在北美，2B1Q 將 2 個二進位制位編碼為 1 個四進位制電平，已被選為 BRA。
一些分組碼不會生成多級脈衝。例如，24B1P 或 24B25B 只會向 24 位分組新增一個 P 或奇偶校驗位。
TDM 與成本有關：使用更少的電線和更簡單的接收器來從多個源傳輸資料到多個目的地。TDM 還比頻分複用 (FDM) 訊號使用更少的頻寬，除非位元率增加，這將隨後增加傳輸所需的頻寬。
同步 TDM 是一種系統，其中發射器和接收器都精確地知道正在傳送哪個訊號。考慮以下圖表
Signal A ---> |---| |A|B|C|A|B|C| |------| ---> Signal A Signal B ---> |TDM| --------------> |De-TDM| ---> Signal B Signal C ---> |---| |------| ---> Signal C
在這個系統中，從時間片 0 開始，每隔三個時間片就保留一個用於訊號 A；從時間片 1 開始，每隔三個時間片就保留一個用於訊號 B；從時間片 2 開始，每隔三個時間片就保留一個用於訊號 C。在這種情況下，接收器（De-TDM）只需要在每個時間片上的訊號接收後進行切換。
每個輸入連線的資料流被劃分為單元，其中每個輸入佔用一個輸入時隙。每個輸入連線在輸出中都分配了時隙，無論它是否正在傳送資料。
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)
當一個或多個輸入線路沒有資料要傳送時，Sync TDM 效率低下。因此，它用於資料流量大的線路。
所有訊號的取樣率相同。最大采樣率 = 所有訊號最大頻率的兩倍。
同步 TDM 有益，因為接收器和發射器的成本都非常低。但是，考慮最著名的網路：網際網路。在網際網路上，給定計算機在幾乎沒有發生任何事情時可能具有 1kbps 的資料速率，但在從快速伺服器下載大型檔案時可能具有 100kbps 的資料速率。在這種情況下，時間片如何劃分？如果每個時間片都足夠大以容納 100Kbps，那麼當計算機沒有下載任何資料時，所有這些時間和電力都會被浪費。如果每個時間片只夠最小值，那麼下載較大檔案所需的時間會大大增加。
這個問題的解決方案稱為統計 TDM，是網際網路目前使用的解決方案。在統計 TDM 中，每個資料項，稱為有效載荷（我們之前使用時間片來描述這些），都會附加一定的資訊，說明誰傳送了它以及誰應該接收它（報頭）。有效載荷和報頭的組合稱為資料包。資料包就像傳統“蝸牛郵件”系統中的信封：每個資料包都包含一個目的地地址和一個回覆地址，以及一些附帶的資料。因此，我們知道每個資料包是從哪裡傳送的以及它的目的地。
統計 TDM 的缺點是，傳送方需要足夠智慧以編寫報頭，接收方需要足夠智慧以讀取報頭並（如果資料包要轉發）將資料包傳送到其目的地。
統計複用試圖最大限度地利用通訊路徑。這方面的研究通常被稱為排隊論。佇列只是等待服務的客戶或資料包的佇列。在大多數情況下，到達率是不可預測的，因此遵循隨機或泊松分佈模式，而服務時間是恆定的。
資料包複用系統實際用於處理資料包的利用率或時間分數由下式給出
佇列長度或等待服務的平均專案數由下式給出
- 例子
- 一條 T1 鏈路被分成多個 9.6 Kbps 通道，總使用者資料速率為 1.152 Mbps。100 個客戶可以訪問此通道，每個客戶在 20% 的時間內需要 9.6 Kbps 資料。如果使用者到達時間嚴格隨機，求 T1 鏈路利用率。
- 解決方案
- 系統用於處理資料包的利用率或時間分數由下式給出
- 一個專門用於資料的 24 通道系統可以在 23 個通道的每個通道中放置五個 9.6 Kbps 客戶，總共 115 個客戶。在上面的統計鏈路中，100 個客戶產生了平均 0.167 的利用率，並且很容易適應，如果他們在平均 20% 的時間內傳輸，還有剩餘空間。但是，如果客戶使用量不是隨機分佈的，則必須修改上述分析。
這個例子顯示了統計複用的潛力。如果通道在需要時分配（只有在客戶有東西要傳送時），單個 T1 就可以支援數百個低流量使用者。
在統計系統中，0.8 以上的利用率是不希望的，因為客戶對服務請求的任何微小變化都會導致緩衝區溢位。服務提供商仔細監控延遲和利用率，併為客戶分配資源，以最大限度地提高利用率並最小化成本。
一旦我們開始討論數字網路（特別是網際網路），我們將更詳細地討論資料包。資料包頭不僅包含地址資訊，還可能包含許多不同的欄位，這些欄位將顯示有關資料包的資訊。許多頭包含錯誤檢查資訊（校驗和、迴圈冗餘校驗），使接收方能夠檢查資料包是否由於干擾（如電噪聲）而出現任何錯誤。
佔空比定義為“有效用於傳送或接收資料的時間，用總時間百分比表示”。佔空比越高，傳輸或接收越有效。
我們可以將脈衝寬度 τ 定義為一個位元在其分配的總位元時間Tb內所佔用的時間。如果我們的佔空比為D，我們可以將脈衝寬度定義為
其中
如果我們使用 100% 佔空比，則脈衝寬度等於位元時間。