同步技術,複用技術與異步傳輸模式ATM——“同步”術語的辨析

在數據通信領域,【同步】這一術語分別出現在【同步技術】的不同層次裏,同時和時分複用有緊密的聯繫,還有ATM(異步傳輸模式)。前面所說的同步、異步的概念之間有一定聯繫,但並不完全等同。本文主要辨析以下幾個概念:

1)同步技術
2)異步傳輸與同步傳輸
3)同步時分複用,異步時分複用
4)ATM-異步傳輸模式


可以說,同步技術是大的概念,全部或部分包含另外幾個概念與術語,因此,首先對同步技術做一個簡單的介紹,其中大部分內容摘自網絡;然後簡要介紹複用技術,並重點闡明時分複用中的同步與同步技術的同步的關係。作者默認讀者已經瞭解了最基本的術語與概念,故不對其中的基本原理詳述,只着重於找出在較大範圍上的術語裏的內在聯繫與區別。


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所謂同步是指收發雙方在時間上步調一致,故也稱爲定時。在數字通信中,按照同步的功用可以將同步技術分爲:載波同步、位同步、幀同步和網同步。

<同步技術>
(1)載波同步:載波同步是指在相干解調時,接收端需要提供一個與接收信號中的調製載波同頻同相的相干載波。這個載波的獲取稱爲載波提取或載波同步。在模擬調製以及數字調製過程中,要想實現相干解調,必須有相干載波。因此,載波同步是實現相干解調的先決條件;
(2)位同步:位同步又稱爲碼元同步。在數字通信系統中,任何消息都是通過一連串碼元序列傳送的,所以接收時需要知道每個碼元的起止時刻,以便在恰當的時刻進行取樣判決。這就要求接收端必須提供一個位定時脈衝序列,該序列的重複頻率與碼元速率相同,相位與最佳取樣判決時刻一致。提取這種定時脈衝序列的過程即稱爲位同步;
(3)幀同步:在數字通信中,信息流是用若干碼元組成一個幀。在接收這些數字信息時,必須知道這些幀的起止時刻,否則接收端無法正確恢復信息。對於數字時分多路通信系統,如PCM30/32電話系統,各路碼元都安排在指定的時隙內傳送,形成一定的幀結構。爲了使接收端能正確分離各路信號,在發送端必須提供每幀的起止標記,在接收端檢測並獲取這一標誌的過程,稱爲幀同步;
(4)網同步:在獲得了以上討論的載波同步、位同步、幀同步之後,兩點間的數字通信就可以有序、準確、可靠地進行了。然而,隨着數字通信的發展,尤其是計算機通信的發展,多個用戶之間的通信和數據交換,構成了數字通信網。顯然,爲了保證通信網內各用戶之間可靠地通信和數據交換,全網必須有一個統一的時間標準時鍾,這就是網同步的問題。
以上摘自http://blog.sina.com.cn/s/blog_3f51fd6c010087fy.html
關於各種同步,其實前者依次是後者的基礎。載波同步->位同步->幀同步->網同步
載波同步和位同步是數據通信的底層基礎,保證可以從不規則的基帶信號中判決出每一個原始的碼元信號,形成最原始的基帶信號。
值得一說的是幀同步,實際上應該用【羣同步】更爲恰當,幀同步是羣同步最廣泛使用的實例,實際上屬於同步傳輸中的【面向比特的同步協議】,而同樣屬於羣同步層次卻不同於幀同步的技術,就是我們所說的【異步傳輸】了。也就是說,異步傳輸屬於羣同步,它也是同步技術!



【【異步傳輸】】特點是一個字符一個字符的傳輸,其實每一個字符內一樣是需要同步的,但是每傳送一個字符就重新同步一次,優點是可以允許收發雙方的始終頻率有輕微的偏差(但也不能偏差太多),缺點是傳輸效率低,速度慢,現在一般不使用。
【【同步傳輸】】同步傳輸是以同步的時鐘節拍來發送數據信號的,因此在一個串行的數據流中,各信號碼元之間的相對位置都是固定的(即同步的)。特點是一次傳送一個數據塊。要求收發設備有完全精確的同步,設備複雜,但傳輸效率高,速度高。其中包含面向字符的同步協議和麪向比特的同步協議,而實際使用的只有後者。
可以說,載波同步和位同步是物理層的基礎,幀同步是數據鏈路層的基礎,只要確保了幀同步,點到點之間通信就可以成功了,那麼【網同步】又是怎麼一回事呢?這時就要引入【【複用技術】】與【【數字復接】】的概念了。

<複用技術>
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複用技術是指一種在傳輸路徑上綜合多路信道,然後恢復原機制或解除終端各信道複用技術的過程。複用技術基本實現過程如下所示:
頻分複用(FDM) ― 載波帶寬被劃分爲多種不同頻帶的子信道,每個子信道可以並行傳送一路信號。FDM 用於模擬傳輸過程。 時分複用(TDM) ― 在交互時間間隔內在同一信道上傳送多路信號。TDM 廣泛用於數字傳輸過程。
碼分複用(CDM) ― 每個信道作爲編碼信道實現位傳輸(特定脈衝序列)。這種編碼傳輸方式通過傳輸唯一的時間系列短脈衝完成,但在較長的位時間中則採用時間片斷替代。每個信道,都有各自的代碼,並可以在同一光纖上進行傳輸以及異步解除複用。
波分複用(WDM) ― 在一根光纖上使用不同的波長同時傳送多路光波信號。WDM 用於光纖信道。WDM 與 FDM 基於相同原理但是它應用於光纖信道上的光波傳輸過程。
粗波分複用(CWDM) - WDM 的擴張。每根光纖傳送4到8種波長,甚至更多。應用於中型網絡系統(區域或城域網)
密集型波分複用(DWDM) - WDM 的擴展。典型的 DWDM 系統支持8種或以上波長。顯現系統支持上百種波長。

在這裏,僅對時分複用展開論述,因爲數字復接僅僅與時分複用這一種複用技術有關。

<數字復接系統>
在時分複用的PCM通信系統中,爲了擴大傳輸容量,提高傳輸效率,必須提高傳輸速率。也就是說想辦法把較低傳輸速率的數據碼流變換成高速碼流。數字復接終端就是這種把低速率碼流變換成高速率碼流的設備。數字復接系統由數字復接器和數字分接器兩部分構成。把兩個或兩個以上的支路數字信號按時分複用方式合併成單一的合路數字信號的過程稱爲數字復接,把完成數字復接功能的設備稱爲數字復接器。在接收端把一路複合數字信號分離成各支路信號的過程稱爲數字分接,把完成這種數字分接功能的設備稱爲數字分接器。數字復接器和數字分接器和傳輸信道共同構成了數字復接系統。

網同步的需求就出現在這裏了:採用了數字復接技術的系統,爲了進行分路和並路,必須調整各個方向送來的信碼的速率和相位。如果不進行網同步,那麼只能保證點到點的同步,在端到端傳輸(經過多個點)時無法同步,而如果端到端之間不進行同步那實際上根本無法通信。★如下圖的左(1)與右(1)之間通信。幀同步只能保證左(1)與左復接器的同步,而左(1)與右(1)之間的同步必須有網同步來保證。

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那麼我們現在清楚了,複用技術中的同步是與網同步有關的,也是網同步的需求。那麼,★網同步就是同步時分複用的基礎了,同樣,羣/幀同步是所有複用技術的基礎,也是所有組網技術的基礎。

前面提到了時分複用與數字復接,這裏的時分複用一般指的是【同步時分複用TDM】,而與此相對的概念是【異步/統計時分複用STDM】
【【同步時分複用】】(TDM):一個幀的若干時隙,按順序編號,標號相同的成爲一個子信道,傳遞同一路話路信息,速率恆定。固定分配帶寬,對傳遞的信號無差別控制,並且不做任何處理,其流量控制基於呼叫延時制。所謂同步的意思就是固定好每個人的發送時隙!!完全不變,此爲同步。

【【異步時分多路複用技術】】(ATDM):也叫做統計時分多路複用技術(STDM,Statistic Time-Division Multiplexing)。指的是將用戶的數據劃分爲一個個時隙,不同用戶的數據單元仍按照時分的方式來共享信道;但是不再使用物理特性中幀的時隙位置來標識不同信息通路,而是使用時隙的標頭信息,也就是從邏輯的方式來標識信息通路。所謂異步的意思就是每個人想發就發,並不固定時隙!

那麼剩下的【【異步傳輸模式ATM】】就很好解釋了。其實這裏的“異步”是相對於【TDM】中“同步”的概念,因爲ATM網絡屬於異步時分複用(STDM)。要明確一點的是,所有網絡,組網技術,必須保證的是羣同步,但網同步卻不一定要實現,如數據報網絡中的以太網,就不需要實現網同步。不過,現代的以太網爲了支持實時業務,實際上也嵌入了網同步的功能。一般來說,電路交換網絡是必須實現網同步的,虛電路建議實現,而數據報一般不需實現,因爲數據報初衷是盡力傳輸,考慮的是突發性的數據業務,而不是類似語音視頻的實時業務。


最後總結一下三種同步的意義:

★★【同步技術】要求通信雙發的時鐘頻率是相同或極爲接近。其中,時鐘略有偏差的雙發應採取【異步傳輸】的方式,也就是每傳輸一個字節就要同步一次已做調整,而【同步傳輸】則時鐘完全相同。【TDM同步時分複用】指的是每個人的發送時隙完全不變,而【ATM】的異步則採取STDM/ATDM的方式,與TDM相對。


關於分組交換,電路交換與複用技術之間的關係,以及交換技術的比較,以後講再專門寫一篇文章。

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