Мультиплексирование с разделением времени (TDM): принципы синхронных и асинхронных систем

Ключевые слова: мультиплексирование с разделением времени, TDM, временной слот, синхронные системы, асинхронные системы, цифровой поток, тактовая синхронизация.

Экономическая необходимость мультиплексирования. После того как входной речевой сигнал проходит этапы дискретизации, квантования и кодирования в формате ИКМ, возникает задача его передачи по каналу связи. Экономические аспекты построения телефонных сетей общего пользования диктуют жесткое требование: необходимость одновременной передачи тысяч индивидуальных разговоров. Экономически нецелесообразно использовать отдельную линию для одного голосового канала со скоростью 64 кбит/с, несмотря на то, что такая схема применяется внутри офисных АТС. Решением этой задачи становится мультиплексирование, объединяющее множество каналов в один высокоскоростной цифровой поток.

Принцип мультиплексирования с разделением времени. В цифровой передаче доминирующим методом является мультиплексирование с разделением времени (TDM - Time-Division Multiplexing). Его основная идея заключается в том, что отдельные биты или байты множества каналов передаются не на разных частотах, а в строго отведенные для них промежутки времени. Многочисленные цифровые речевые сигналы опрашиваются по круговой последовательности и поочередно отправляются в линию связи. Таким образом, каждый канал физически отделен от остальных во временной области, а не в частотной, что является ключевым отличием TDM от аналогового уплотнения.

Схема формирования группового сигнала TDM. Основные принципы, используемые в методе мультиплексирования с разделением времени, детально представлены на рисунке 6.25. На рисунке 6.25а показана схема объединения каналов. Синхронизирующие (тактовые импульсы) от главного генератора с кварцевой стабилизацией частоты поступают на вход логических элементов И. На второй вход каждого вентиля подается кодированный сигнал от своего речевого канала. Выходы всех элементов И соединяются с входом логического вентиля ИЛИ, который и формирует результирующий групповой сигнал.

Рис. 6.25. Принцип работы логической схемы TDM

Логическая схема мультиплексирования работает по строгому алгоритму. Когда на оба входа конкретного логического вентиля И одновременно поступают тактовый импульс и информационный импульс из речевого канала, на его выходе формируется сигнал. Этот сигнал передается на вентиль ИЛИ, который воспроизводит на своем выходе данные от любого активного в данный момент вентиля И. Ключевая роль тактовых импульсов заключается в строгом разграничении моментов времени, когда каждый канал имеет право передать свою порцию информации в общую линию связи.

Структура цикла и временные слоты. Синхронизирующие импульсы для каждого из каналов подаются в строгой последовательности, образуя повторяющуюся структуру цикла, как изображено на рисунке 6.25б. Эта последовательность формирует повторяющиеся временные слоты (тайм-слоты). При поступлении синхроимпульса номер 1 образуется слот, в который помещается цифровой код канала номер 1. Далее, под воздействием импульса номер 2, формируется слот для канала 2, и так далее, вплоть до последнего канала в группе. После этого весь цикл TDM повторяется с начала.

Назначение и содержание временного слота. Каждый временной слот представляет собой фундаментальную единицу мультиплексированного потока. Внутри этого слота передается закодированный символ (как правило, один 8-битный отсчет при ИКМ), который идентифицирует часть передаваемой информации. Эта информация является цифровым эквивалентом исходного аналогового сигнала в конкретный момент времени. Стабильность и точность следования тактовых импульсов гарантирует, что приемное устройство сможет корректно демультиплексировать общий поток и извлечь данные, предназначенные для каждого абонента.

Классификация систем: синхронный и асинхронный методы. Распределение временных слотов в общем битовом потоке для индивидуальных каналов может быть организовано двумя принципиально разными способами. Первый способ предполагает выделение слота на постоянной, жестко закрепленной основе. Второй способ предусматривает динамическое распределение ресурсов по требованию. Эта фундаментальная разница лежит в основе классификации систем на синхронные и асинхронные.

Характеристики синхронных систем. Системы, выполняющие распределение каналов на выделенной, фиксированной основе, получили название синхронных систем. В таких системах формируется стационарный, непрерывный поток битов, где каждый канал всегда получает свой заранее определенный временной слот, независимо от того, передается ли в данный момент полезная информация или молчание. Эта простота и предсказуемость делает синхронные системы идеальными для передачи постоянных потоков данных, таких как оцифрованная телефонная речь в магистральных сетях связи.

Характеристики асинхронных систем. В асинхронных системах используется принципиально иной подход. Между полезными данными могут вставляться служебные биты, такие как стартовый бит и стоповый бит, а длительность интервалов между передачей символов может быть переменной. В зависимости от конкретной реализации, такие системы могут называться асинхронными системами с TDM, статистическими мультиплексорами или узлами коммутации пакетов. Их ключевое преимущество — более эффективное использование полосы пропускания за счет динамического распределения ресурсов.

Области применения синхронных и асинхронных систем. Сложилась четкая историческая диспропорция в применении этих технологий. Системы передачи в классических телефонных сетях являются преимущественно синхронными, что обусловлено необходимостью гарантированной и постоянной полосы для каждого голосового канала. В то же время сети, изначально разработанные для передачи цифровых данных (например, компьютерные сети), являются почти исключительно асинхронными. Это разделение постепенно стирается с переходом на технологии IP-телефонии (VoIP), которые используют асинхронный, пакетный принцип передачи даже для голоса.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.