3.3 数字传输系统
数字传输系统都采用PCM脉冲编码调制。由于历史原因，世界上有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM标准（简称T1）和欧洲的30路PCM标准（简称E1）。我国采用的是E1标准。T1标准的最高信息传输速率为1.544Mbit/s，E1标准的信息最高传输速率为2.048Mbit/s。
标准电话信号的最高频率为3.4kHz，因此取样频率定为8kHz（取样脉冲的周期为125μs），8bit量化编码。因此，一个模拟电话信号，经模数转换（A-D）后生成的PCM数字信号的速率为8kHz×8bit=64kbit/s。现今，采用数字音频压缩编码技术后，可以把码速率压缩到32kbit/s、16kbit/s或8kbit/s后再进行数据传送，声音质量良好，大大节省了数据通道的空间。
3.3.1 时分复用技术
FDM频分复用技术的最大优点是系统结构简单，它的最大缺点是随着复用信道的增多，通道间的串音干扰也会增大，限制了复用通道的数量。时分复用技术的最大优点之一是在一对传输线路上可同时传送更多数量的数字基带信号而不会产生通道间的串音干扰。
时分复用（Time Division Multiplex，TDM）的原理是把多路话音的PCM信号在规定的时间长度内进行打包（Pack-age）成帧（即时分复用帧），然后再往线路上一帧接一帧地传输，如图3-8所示。
不难看出，时分复用是所有的用户通道CH只是在不同时间占有公共通道，即在分配给自己的专用时隙内占用共享的公共通道，因而不会发生干扰。从频域来看，大家所占用的频率范围（频带）是相同的。
图3-8 TDME1的时分复用帧
例如，E1时分复用帧的长度为T=125μs（8kHz取样频率的周期长度），在这个125μs时间长度中再划分为32个相等的时隙，各时隙的编号为CH0～CH31。时隙CH0中的数据信号用作收发之间的帧同步，时隙CH16用来传送信令（如用户的拨号命令）。供用户传送数据的话路时隙为CH1～CH15和CH17～CH31，共30个时隙。每个时隙传送8bit数据，因此32个时隙共用了32×8bit=256bit数据。时分复用帧的周期T=125μs，因此每秒需传送8000帧
每秒需传送的bit数（即码速率bit/s）为256bit×8000帧=2.048Mbit/s。
北美和日本使用的T1系统共设有24个话音通道。每个话音通道用7bit量化编码，然后再加上1bit信令码，因此一个话路也占用8bit。帧同步码是在24路的编码之后再加上1bit，这样每帧共有24路×8bit+1bit=193bit，复用帧的周期T也为125μs（即取样频率8kHz的周期），因此T1每秒传送的码速率=193bit×8000Hz=1.544Mbit/s。这个码率又称为一次群的数据率。
当需要更多的信道复用时，可采用复用方法获得更高的数据率。例如，4个一次群可构成一个二次群，这个二次群的数据率比4个一次群数据率的总和还要多一些。表3-1是数据传输系统高次群的话路数及数据率。
表3-1 数据传输系统高次群的话路数及数据率
频分复用和时分复用各有自己的特点。频分复用系统较简单，用户分配到规定的带宽后，自始至终都占有这个频带宽度。当复用的用户数增加时，通信信道的总带宽也应相随增宽。例如，每个标准话路的带宽是4kHz（3.1kHz信号带宽+两边的隔离防护带宽），那么1000个用户使用频分复用时，需占用的总带宽为1000×4kHz=4MHz（注意：这里的“带宽”指的是频带宽度而不是指的数据发送速率）。
时分复用的原理是将时间划分为一段段等长时间的复用帧（TDM帧）。每个用户通道在每个TDM帧中占有固定序号的时隙，图3-9是频分复用与时分复用的区别。时分复用中的A、B、C、D每个用户所占的时间间隙（用户数据包）是不连续的周期性地出现。
因此TDM信号也称为等时（Isochro-nous）信号。例如，每个时分复用帧的时间长度T都是125μs，如果有1000个用户通道进行时分复用时，那么每个用户通道分配到的时隙宽度为125/1000μs，即0.125μs。需要采用时隙宽度非常窄的脉冲信号，脉冲信号越窄所占的频谱宽度也会越宽。因此，复用的用户越多，每个用户分配到的时隙宽度也越小，数据编码脉冲的宽度也越窄，数据码速率也越高，要求传输系统的带宽也越大。与频分复用相比，时分复用更有利于数字信号的传输。
图3-9 频分复用与时分复用的区别
a）频分复用 b）时分复用
3.3.2 统计时分复用技术
时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据传送是突发性的，每个计算机用户对已经分配到的信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时（如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕信息），那么只能让已分配到的信道空闲着，而其他用户又无法使用这个暂时空闲的线路资源。图3-10说明了这个概念。这里假定有A、B、C、D四个用户进行时分复用。复用器按①→②→③→④的时序依次扫描A、B、C、D各用户的时隙，构成时分复用帧，每个时分复用帧中包含有四个用户时隙（用户数据包）。可以看出，当某个用户暂时无数据发送时，时分复用帧分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户不能使用这些空闲时隙，导致复用后的信道利用率不高。
图3-10 时分复用帧的空闲时隙
统计时分复用（Statistic TDM，STDM）就是为了充分利用时分复用的空闲时隙而设计的一种改进的时分复用，它可以明显地提高信道的利用率。图3-11是统计时分复用的原理图。与TDM主要的区别是各用户随时发送的数据都先存入一个集中器的缓存中，然后复用器再按顺序依次扫描集中器中的缓存，将缓存中的输入数据送到STDM帧中。当一个复用帧的数据放满了，就发送出去。因此，STDM复用帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。读者可能会发现，在STDM中，某个用户所占的时隙并不能周期性地出现，因此统计复用又称异步时分复用，而普通的TDM时分复用称为同步时分复用。
由于STDM复用帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，所以在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须要增加的开销。在图3-11的输出线路上每个时隙之前的白色小间隙就是放入这样的地址信息。图3-12说明在同步传输中，只需在复用帧的起始端和终止端加上同步字符或字节。而在异步传输中，还必须在数据位的前后两端增加起始位和终止位。
集中器（Concentrator）也称为智能复用器，它能通过排队方式使各用户合理地共享信道。许多集中器还具有路由选择、数据压缩和前向纠错等功能。
图3-11 STDM的工作原理
3.3.3 码分多址复用技术
CDMA码分多址复用（Code Division Multiple Access，CDMA）是共享信道的另一种方法，每个用户可同时使用同样宽的频带进行通信。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，不会造成相互干扰。这种通信系统具有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发觉，因此最初被用于军事通信。随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积已大幅下降，现已广泛用于民用移动通信。
采用CDMA可提高通信的质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信容量（是GSM系统的4～5倍），降低平均发射功率等。
在CDMA中，把数据编码信息中的每个比特（bit）时间再划分为m个短间隔，称为码片（Chip）。通常m值指定为64或128。每个CDMA通信站指定有一个唯一的mbit码片序列（Chip sequence）。一个通信站如果要发送比特1，那么应发送自己的mbit码片序列，如果要发送比特0，那么应发送该码片序列的二进制的补码。
如果某个通信站要发送的数据率为6bit/s，由于每一比特要转换成m个比特的码片，实际上要发送的数据率提高到m×6bit/s，当然，占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种通信方式是扩频（Spread spectrum）通信中的一种。通常扩频通信有两大类：一类是直接序列（Direct sequence），如上面使用的码片序列，记为DS-CDMA；另一类是一种跳频（Frequency hopping），记为FH-CDMA。
CDMA系统的一个重要特点是系统给每一个站分配的码片必须是互不相干的，而且还必须是相互正交的（Orthogonal）。在实际系统中使用的是伪随机码序列。
CDMA系统中很多站相互通信时，它们各自发送自己的码片序列（相当于发送比特1），或码片序列的二进制码（相当于发送比特0），或什么也不发送（相当于没有数据发送）。各站发送的码片序列应是同步的。接收站接收数据时，必须知道发送站所有的码片序列，用发送站的码片向量与接收到的未知信号进行求内积运算，发送站发送比特1时，接收站计算内积的结果为“+1”，当发送站发送比特0时，内积的计算结果为“-1”。