동기 시분할 다중화(Synchronous TDM(동기 TDM, STDM))는 전송 매체의 데이터 전송률이 전송할 디지털 신호의 데이터 전송률보다 높을 때 사용할 수 있는 방법이다. 동기 TDM에서 '동기'는 데이터 통신의 다른 분야에서 사용하는 의미와 다르다. 여기서 동기는 다중화기가 각 장치에 대해 그 장치가 전송할 데이터의 유무와 관계없이 항상 동일한 타임 슬롯(time slot)을 할당한다는 의미다. 다시 말해, 각 장치에 할당된 시간이 돌아오면 그 장치는 데이터 일부를 보내지만 만일 전송할 데이터가 없다면 해당 타임 슬롯은 빈 상태로 전송된다.

[ 그림 7- 14] 와 같이 타임 슬롯은 프레임(frame)으로 묶인다. 한 프레임은 각 장치에 할당된 타임 슬롯들과 프레임을 구분하는 비트로 이루어져 있다. 입력 회선이 n개인 시스템에서 각 프레임은 최소 n개의 타임 슬롯을 가지고 있다. 모든 입력 장치들이 동일한 속도로 데이터를 전송한다면 각 장치는 프레임마다 타임 슬롯을 1개씩 갖게 된다. 그러나 전송 속도를 서로 다르게 할 수도 있다. 프레임마다 타임 슬롯을 2개 사용하면 2배 빨리 전송할 수 있다. 한 장치에 주어진 타임 슬롯은 각 프레임에서 매번 같은 위치를 차지하게 되며 그 장치의 채널을 구성한다.

[ 그림 7-15 ]와 같이 동기 TDM은 매우 빨리 회전하는 스위치에 비유할 수 있다. 입력 장치가 4개이므로 각 프레임의 타임 슬롯 수는 4개다. 타임 슬롯이 할당될 때까지 각 장치들은 버퍼에 데이터를 저장한다. 스위치가 각 장치와 연결되면 그 장치는 해당 경로 위로 정해진 양의 데이터를 보낼 수 있는 기회를 얻는다. 스위치는 일정한 속도와 정해진 순서로 회전하는데, 이러한 과정을 인터리빙(interleaving)이라고 한다.

[ 그림 7- 15 ]는 한 문자씩 인터리빙하는 예이지만 임의 길이의 데이터 단위에 대해서도 그 개념은 동일하다. 다중화기는 문자들을 인터리빙한 다음, 프레임을 구성하여 링크로 보낸다. 수신 단에서는 다중 복구기가 각 프레임으로부터 차례대로 문자를 추출함으로써 프레임을 분해한다. 프레임에서 분리된 문자는 해당 수신 장치로 들어간다.

동기 TDM에서는 각 장치에서 발생한 데이터가 버퍼에 임시로 저장되는 단위에 따라 비트 삽입식(bit interleaving)과 문자 삽입식(character interleaving)으로 나뉜다. 비트 삽입식은 타임 슬롯의 크기가 비트 단위로 이루어지므로 버퍼의 크기가 작아도 된다는 장점이 있다. 반면, 문자 삽입식은 타임 슬롯의 크기가 문자 단위이므로 비트 삽입식에 비해 수신 측에서 문자를 재구성학디 위한 오버헤드가 필요 없다는 장점이 있다.

동기 TDM의 단점은 각 입력 회선에 고정적으로 타임 슬롯을 할당하기 때문에 송신 장치가 데이터를 보내지 않으면 해당 타임 슬롯은 낭비된다는 점이다. [ 그림 7-15 ] 에서 프레임 1과 프레임 2의 타임 슬롯은 전부 사용되었지만 프레임 3, 4, 5에는 빈 타임 슬롯이 존재한다. 20개 타임 슬롯 중에서 6개가 비어 낭비되고 있다.

동기 TDM에서는 송수신간의 동기화를 위해서 각 프레임 앞부분에 프레임 비트(framing bit)를 추가한다. 대부분의 경우 동기화 정보는 [ 그림 7-16 ] 과 같이 0과 1을 교대로 매 프레임에 하나씩 추가한다. 이 패턴을 보고 다중 복구기는 타임 슬롯을 정확하게 분리할 수 있으므로 동기화 문제를 해결한다.

프레임 비트는 전송 효율을 떨어뜨리는 오버헤드가 된다. 예를 들어, [ 그림 7-17 ] 과 같이 4개의 장치가 동기 시분할 다중화되는 경우를 고려해보자. 각 장치마다 초당 250개 문자(문자당 8비트)를 전송하고, 각 프레임은 1문자씩 인터리빙한다고 가정하면 링크는 초당 250개 프레임을 전송해야 한다. 따라서 한 프레임의 지속 시간은 4ms(=1/250)가 된다. 또한 각 장치도 초당 250개 문자를 전송하므로 문자의 지속 시간도 4ms가 된다는 점에 주목해야 한다.

각 문자가 8비트이므로 각 프레임의 길이는 문자 4개에 대해 32비트와 1비트의 프레임 비트를 포함하여 33(=4x8+1)비트가 된다. 따라서 각 장치에는 초당 2,000비트(=8비트x250문자)가 발생하지만 다중화 회선은 초당 8,250비트(33비트x250프레임)를 운반한느 것이다. 즉 8,000비트의 데이터를 전송하는 데 250비트의 오버헤드가 사용된다.

데이터 전송률이 다른 장치들을 하나의 동기 TDM에서 수용할 수 있다. 예를 들어, 장치 A가 타임 슬롯을 1개 사용하고 장치 B는 타임 슬롯을 2개 사용할 수도 있다. 이때 서로 다은 전송률은 서로 정수배가 되어야 한다는 점이 중요하다. 정수배가 되지 않는 경우는 비트 채우기(bit stuffing) 방법을 사용하여 정수배로 만든다. 비트 채우기란 다중화기가 여분의 비트를 추가해 넣는 것을 말한다. 예를 들어, 다른 장치에 비해 2.5배의 비트 전송률을 갖는 장치가 있다면 여분의 비트를 채워서 이 장치의 전송 속도가 다른 장치의 3배가 되도록 만드는 것이다. 추가된 여분의 비튼느 다중 복구기에 의해 분리된다.