时分复用多路通信

十、时分复用多路通信——各路信号按时间分道依次间断地交错传输

时分复用的全称是时间分割复用，其基本工作原理是：先对各路话音信号进行时间分割处理，即控制每路话音信号的传送时间，将它们依次排列、顺序传送，收信端就可以利用各路信号占用通信线路时间的不同将它们分割开来。然而，对于在时间上连续的话音信号来讲，最简单的时分就是传完一路电话后，才传送另一路电话。显然，这样做仍然是单路传输，因为各路信号之间虽然“时分”，但并未“复用”。实际上对于在时间上连续的各路话音信号来说，既要让它们在时间上顺序占用（复用）通信线路，又要让它们同时被传送到收信端，这似乎是不可能的。

为此，人们想出了一个解决对各路话音信号进行时分复用的办法，这就是把话音信号离散化，实施离散化传输。所谓离散化就是对在时间上连续变化的话音信号按一定的时间间隔取其若干个离散的样值，用这些离散的样值来代替原来的连续信号，如图3-14所示。

图3-14　连续信号的离散化

如图3-14（a）所示为在时间上连续的话音信号；如图3-14（b）所示为连续话音信号按一定的时间间隔取样后所得的脉冲样值序列，它在时间上是离散的，称为离散信号。在通信技术中，把连续信号按一定时间间隔取样后变成离散信号的过程，称为抽样。而样值序列中各个脉冲的幅度，分别对应于抽样期间连续信号的幅度值，故称为连续信号的抽样值。在通信传输中，发信端只需把这些离散的抽样值传送出去，接收端便可以根据这些样值，恢复出原来的连续信号。

在人类科学活动中，把连续信号用离散抽样值来代替，并从离散抽样值序列恢复原连续信号的事例屡见不鲜，其中最典型的例子就是画曲线。当我们要描绘一条曲线时，若曲线的变化较为缓慢，则只需选定几个点即可用笔平滑地描绘该曲线；若曲线的变化较为剧烈时，则必须选定足够密的很多点，才能平滑地描绘出满意的曲线，如图3-15所示。

如图3-15（a）所示为曲线变化缓慢的情形，只需选定5个点便可画出满意的曲线。而如图3-15（b）所示为曲线变化剧烈的情形，则必须选9个点才行。若只选5个点，则所描绘的曲线如图中虚线所示，与原曲线相差甚远。

图3-15　描绘曲线选点示意图

在时分复用电话通信中，我们就是根据由许多离散点平滑地描绘连续曲线的原理，在收信端用低通滤波器等“平滑”电路或“保持”电路对离散样值序列进行平滑描绘，来恢复原连续信号的。与画曲线相类似，如果抽样值数目太少，即抽样时间间隔太大，则恢复的信号与原连续信号就会相差甚远，产生不可接受的信号失真。理论证明，如果连续信号所包含的频率成分的最高频率为f_m，那么每秒钟抽样值的个数（称为抽样频率）f_s应至少等于f_m的两倍，即f_s≥2f_m，这样才能在收信端正确地恢复原来的连续信号。时分复用的这一理论基础被称为抽样定理，它规定了确保样值序列还原连续信号不失真的最低抽样频率。

对于一路电话信号来说，因为话音信号的基本频谱在0~4kHz范围内，其最高频率f_m=4kHz，所以抽样频率取为f_s=2×4=8kHz，抽样周期（即样值间隔）T_s=1/f_s=125μs（微秒）。这就是说，当人们通话时，只要在通信线路上至少每隔125微秒的时间间隔就传送话音信号的一个样值，那么在接收端收到这些样值序列后，一则是经过了低通滤波器的平滑；二则是人耳有听觉“停顿”，当上一个样值产生的听觉还未消失，下一个样值产生的听觉就接踵而至，于是收听方就听不出样值间的这种短暂间断，就像对方在连续说话一样。

既然在传送连续信号时，并不需要连续传送信号本身，而是只需传送信号的离散抽样值即可，而传送这些抽样值就不会占用通信线路的全部时间，在两个相邻抽样值之间仍有相当大的空闲时间间隔，可用这段时间来传送其他话路的抽样值。于是时分复用的基本原理就可以这样来解释：先对各路话音信号进行抽样（即时间分割处理），然后把各路话音信号的抽样值依次间断地交错排列合并，如图3-16所示，形成时分复用多路信号，就可以共用一条通信线路传送了。

如图3-16所示是对三路话音信号的抽样值进行时分复用的时序排列示意图。由图中可以看到，三路话音信号的样值序列，在一个抽样周期（125μs）内，每路只出现一个样值，并按时间顺序依次排列；而各路的样值序列之间又是交错排列的，即话路①是在标号为①的时间间隔内传送；话路②是在标号为②的时间间隔内传送；话路③是在标号为③的时间间隔内传送。然而，对于每一路来讲，虽然是间断传送的，但由于样值间隔满足抽样定理的要求，从而使收听者觉得信号像连续传送一样。

图3-16　三路信号时分复用波形图

如图3-17所示是三路话音信号时分复用的组成原理方框图。由图中可以看到，发信端电子开关的功用是承担对各路话音信号抽样和按时间顺序排列两项任务。电子开关是匀速转动的，其转速为每秒8千次，每转一周的时间（即抽样周期）等于125μs。随着电子开关的匀速转动，其转键依次接通各路话音信号的输入触片，就可实现对各路话音信号每隔125μs抽样一次，且对各路样值顺序排列的目的。发信端低通滤波器的功用是把各路话音信号的最高频率限制在4kHz以内，以满足抽样定理对话音信号最高频率应进行限制的要求。在收信端，电子开关的功用是从线路送来的时分复用多路信号中，把各路话音信号的样值序列按时间顺序依次分开，并送到各路的低通滤波器。收信端低通滤波器的功用是对话音信号的样值序列进行“平滑”，恢复原连续话音信号。

应当注意，为了使收信端能够从时分复用多路信号中，把各路样值序列正确地划分开，就要求收信端的电子开关必须与发信端的电子开关“同步”转动。

图3-17　三路时分复用的组成原理方框图

由时分复用多路通信的工作原理可知，若要使复用的话路数增多有两个途径（可参见图3-16）。一个途径就是增大单路抽样值之间的时间间隔（即降低抽样频率），力争在样值中间插入更多路数的抽样值。但抽样频率的降低要受到抽样定理的限制，若低于定理允许的下限频率2ƒ_m，就会产生不可接受的信号失真。提高时分复用路数的另一个途径是缩小抽样脉冲宽度，抽样脉冲宽度的变窄，也可以使插入样值间的路数增多。但脉冲宽度变窄后，会使脉冲的频谱加宽，从而要求更宽的传输信道频带。由于这些缘故，上述的时分复用方式只能适用于小容量（如24路、32路）的多路通信，而大容量的时分复用，则须采用数字通信方式。