通信原理：第九章 多路復(fù)用和多址技術(shù)

1、第9章 多路復(fù)用和多址技術(shù)1主要內(nèi)容 9.1 概述 9.2 頻分復(fù)用(FDM) 9.3 時(shí)分復(fù)用(TDM) 9.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.5 多址技術(shù)29.1 概述一、多路復(fù)用目的：在一條鏈路上傳輸多路獨(dú)立信號(hào)基本原理：正交劃分方法 3種多路復(fù)用基本方法： 頻分復(fù)用（FDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）、碼分復(fù)用（CDM）3種多路復(fù)用新方法： 空分復(fù)用(SDW)、極化復(fù)用(PDW)、波分復(fù)用(WDM)39.1 概述(a)頻分制(b)時(shí)分制(c) 碼分制fNf1f2t2tNt1tNt1t249.1 概述二、復(fù)接目的：解決來自若干條鏈路的多路信號(hào)的合并和區(qū)分。關(guān)鍵技術(shù)問題:多路TDM信號(hào)時(shí)鐘的統(tǒng)一和定時(shí)

2、問題。三、 多址接入目的：多個(gè)用戶共享信道、動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源。方法：頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、空分多址、極化多址以及其他利用信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性復(fù)用的多址技術(shù)等。59.2 頻分復(fù)用(FDM)方法：采用SSB調(diào)制搬移頻譜，以節(jié)省頻帶。3路頻分復(fù)用電話通信系統(tǒng)原理(a) 發(fā)送端原理方框圖4.3 7.4 kHz8.3 11.4 kHz4 kHz12 kHz8 kHz多路信 號(hào)輸出相乘帶通低通話音輸入1f1相乘帶通低通話音輸入2f2相乘帶通低通話音輸入3f3300 3400 Hz300 3,400 Hz300 3,400 Hz69.2 頻分復(fù)用(FDM)方法：采用SSB調(diào)制搬移頻譜，以節(jié)省頻帶。3路頻分復(fù)

3、用電話通信系統(tǒng)原理4 kHz8 kHz12 kHz基帶語音信號(hào)300 3,400 Hz4.3 7.4 kHz8.3 11.4 kHz12.3 15.4 kHzf079.2 頻分復(fù)用(FDM)方法：采用SSB調(diào)制搬移頻譜，以節(jié)省頻帶。3路頻分復(fù)用電話通信系統(tǒng)原理多路信號(hào)輸入(b)接收端原理方框圖話音輸出1話音輸出2話音輸出3相乘低通帶通f0相乘低通帶通f1相乘低通帶通f24.3 7.4 kHz8.3 11.4 kHz12.3 15.4 kHz3400 Hz3400 Hz3400 Hz8 kHz12 kHz4 kHz89.2 頻分復(fù)用(FDM)國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)建議：基群 12路,占用48kH

4、z帶寬,位于1260kHz 之間； 超群 60路，由5個(gè)基群組成，占用240 kHz的帶寬；主群 600路，由10個(gè)超群組成,占用2MHz的帶寬。 12路群的頻譜圖121234 kHzf (kHz) 12 kHz16kHz20 kHz56 kHz99.2 頻分復(fù)用(FDM)國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)建議：基群 12路,占用48kHz帶寬,位于1260kHz 之間； 頻分復(fù)用的主要缺點(diǎn)：要求系統(tǒng)的非線性失真很小，否則將因非線性失真而產(chǎn)生各路信號(hào)間的互相干擾；用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)較為復(fù)雜，特別是濾波器的制作和調(diào)試較繁難；成本較高。 109.3 時(shí)分復(fù)用(TDM)基本條件：各路信號(hào)必須組成為幀。

5、一幀應(yīng)分為若干時(shí)隙。在幀結(jié)構(gòu)中必須有幀同步碼。當(dāng)各路信號(hào)不是用同一時(shí)鐘抽樣時(shí)，必須容許各路輸入信號(hào)的抽樣速率（時(shí)鐘）有少許誤差。主要優(yōu)點(diǎn)：便于信號(hào)的數(shù)字化和實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信。制造調(diào)試較易，更適合采用集成電路實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)成本較低，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。11NNsi(t)低通1低通2低通N信道低通1低通2低通Ns1(t)s2(t)1幀T/NT+T/N2T+T/N3T+T/N同步旋轉(zhuǎn)開關(guān)s1(t)s2(t)s2(t)s1(t)sN(t)sN(t)時(shí)隙1旋轉(zhuǎn)開關(guān)采集到的信號(hào)信號(hào)s1(t)的采樣信號(hào)s2(t)的采樣時(shí)分多路復(fù)用原理129.3 時(shí)分復(fù)用(TDM)國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)建議：準(zhǔn)同步數(shù)字體系PDH(Ples

6、iochronous Digital Hierarchy) 同步數(shù)字體系SDH（Synchronous Digital Hierarchy）139.3 時(shí)分復(fù)用(TDM)9.3.1 準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)E體系：我國(guó)大陸、歐洲采用。T體系：美國(guó)、日本 等地采用。14層次比特率（Mb/s）路數(shù)（路 64kb/s）E體系E - 12.04830E - 28.448120E - 334.368480E - 4139.2641920E - 5565.1487680T體系T - 11.54424T - 26.31296T - 332.064（日本）48044.736（北美）672T 497.728（日

7、本）1440274.176（北美）4032T5397.200（日本）5760560.160（北美）8064159.3 時(shí)分復(fù)用(TDM)E體系結(jié)構(gòu)圖130(30路 64 kb/s)一次群2.048 Mb/sPCM復(fù)用設(shè)備14路 2.048 Mb/s二次群 8.448 Mb/s二次復(fù)用4復(fù)用設(shè)備三次群 34.368Mb/s三次復(fù)用復(fù)用設(shè)備144路 8.448 Mb/s五次復(fù)用復(fù)用設(shè)備五次群 565.148 Mb/s4路 139.264 Mb/s四次群139.264Mb/s復(fù)用設(shè)備144路 34.368 Mb/s四次復(fù)用圖9.3.2 E體系結(jié)構(gòu)圖16同步時(shí)分復(fù)用179.3 時(shí)分復(fù)用(TDM)9.3

8、.2 復(fù)接與碼速調(diào)整復(fù)接 目的：解決來自若干條鏈路的多路信號(hào)的合并和區(qū)分。將低次群合并成高次群的過程稱為復(fù)接；反之，將高次群分解為低次群的過程稱為分接。關(guān)鍵技術(shù)問題 多路TDM信號(hào)時(shí)鐘的統(tǒng)一和定時(shí)問題。189.3 時(shí)分復(fù)用(TDM)9.3.2 復(fù)接與碼速調(diào)整 碼速調(diào)整低次群合成高次群時(shí)，需要將低次群信號(hào)的時(shí)鐘調(diào)整一致，再作合并。為此，要增加一些開銷。例如，一次群的速率是2.048Mb/s，4路一次群的總速率應(yīng)該是8.192Mb/s，但是實(shí)際上二次群的速率是8.448 Mb/s，這額外的256kb/s中就包括碼速調(diào)整所需的開銷。199.3 時(shí)分復(fù)用(TDM)9.3.3 同步數(shù)字體系(SDH)SD

9、H的體系結(jié)構(gòu)在SDH中，信息是以 “同步傳送模塊STM” 傳送的。同步傳送模塊(STM)由信息有效負(fù)荷和段開銷SOH 組成塊狀幀結(jié)構(gòu)，其重復(fù)周期為125s。209.3 時(shí)分復(fù)用(TDM)9.3.3 同步數(shù)字體系(SDH)SDH分為若干等級(jí)：STM的基本模塊是STM-1。STM-1包含一個(gè)管理單元群AUG和段開銷SOH。等級(jí)比特率(Mb/s)STM-1 155.52STM-4 622.08STM-162,488.32STM-649,953.28219.3 時(shí)分復(fù)用(TDM)9.3.3 同步數(shù)字體系(SDH)SDH的幀結(jié)構(gòu)STM-N 有效負(fù)荷段開銷SOH段開銷SOH管理單元指針9行261N9N27

10、0N列（bytes）91345 SDH的幀結(jié)構(gòu)229.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.4.1 基本原理碼組正交的概念：設(shè) x 和 y 表示兩個(gè)碼組：式中，i = 1, 2, , N互相關(guān)系數(shù)定義：239.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.4.1 基本原理兩碼組正交的必要和充分條件:例：240000-1+1+1+1+1-1-1-1s3s1s2s4正交碼組tttt259.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.4.1 基本原理用“1”和“0”表示二進(jìn)制碼元方法：“1” “-1”“0” “+1” 互相關(guān)系數(shù)定義式式中，A x 和 y 中對(duì)應(yīng)碼元相同的個(gè)數(shù)； D x 和 y 中對(duì)應(yīng)碼元不同的個(gè)數(shù)。 269.4 碼分復(fù)用(C

11、DM) 9.4.1 基本原理上例中，優(yōu)點(diǎn)：映射關(guān)系“” “”01001110+1-1+1+1-1-1-1+1279.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.4.1 基本原理碼組自相關(guān)系數(shù)定義：設(shè)xi取值+1或-1，式中，x的下標(biāo) i + j 應(yīng)按模N運(yùn)算，即xN+i xi 。289.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.4.1 基本原理例：設(shè) x =(x1, x2, x3, x4)=(+1, -1, -1, +1)則其自相關(guān)系數(shù)為299.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.4.1 基本原理若設(shè)xi取值“0”或“1”，則有自相關(guān)系數(shù)式中，A為xi和xi+j中對(duì)應(yīng)碼元相同的個(gè)數(shù)； D為xi和xi+j中對(duì)應(yīng)碼元不同的個(gè)數(shù)。309

12、.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.4.1 基本原理的取值范圍： 按照互相關(guān)系數(shù)值的不同，當(dāng) = 0時(shí)，稱碼組為正交編碼當(dāng) 0時(shí)，稱碼組為準(zhǔn)正交碼當(dāng) 0時(shí)，稱其為超正交碼，例：正交編碼和其反碼還可以構(gòu)成雙正交碼319.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.4.1 基本原理正交編碼和其反碼還可以構(gòu)成雙正交碼,例(0, 0, 0, 0)(1, 1, 1, 1)(0, 0, 1, 1)(1, 1, 0, 0)(0, 1, 1, 0)(1, 0, 0, 1)(0, 1, 0, 1)(1, 0, 1, 0)329.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.4.1 基本原理四路碼分復(fù)用原理方框圖misis1m1s2m2s3m3s4m4

13、積分m1m2m3m4s4s2s1s3積分積分積分339.4 碼分復(fù)用(CDM) 9.4.1 基本原理四路碼分復(fù)用原理方框圖四路碼分復(fù)用波形圖TTTTTTttt(c) mi(t)si(t)(b) si(t)(a) mi(t)t(d) misi(e) (misi)sit(f) (misi)sidttttttttttttttttt349.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.2 正交碼阿達(dá)瑪(Hadamard)矩陣：是一種方陣，僅由元素+1和-1構(gòu)成,每一行和每一列都是正交碼。簡(jiǎn)稱H矩陣。最低階的阿達(dá)瑪矩陣是2階的，如下式為簡(jiǎn)單起見，將上式寫為：359.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.2 正交碼矩陣階數(shù)為2的

14、冪的阿達(dá)瑪矩陣可以用下面的遞推公式求出：式中， 直積。369.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.2 正交碼直積的算法：將矩陣HN/2中的每個(gè)元素都用矩陣H2代替。37389.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.2 正交碼H矩陣的性質(zhì)：若交換正規(guī)H矩陣的任意兩行或兩列，或者改變?nèi)我恍校ɑ蛄校┲械娜吭氐姆?hào)，此矩陣仍為H矩陣。高于2階的H矩陣的階數(shù)一定是4的倍數(shù)。目前，除N = 447 = 188外，所有N200的H矩陣都已經(jīng)找到。 399.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.3 偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼 又稱偽隨機(jī)序列具有類似白噪聲的隨機(jī)特性但是又能重復(fù)產(chǎn)生。具有良好的相關(guān)特性，可以用于碼分復(fù)用、多址接入、測(cè)距、密

15、碼、擴(kuò)展頻譜通信和分離多徑信號(hào)等許多用途。 偽隨機(jī)序列有多種，其中以m序列最為重要。m序列m序列 由線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的序列409.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.3 偽隨機(jī)碼m序列的性質(zhì)1. 均衡性：在m序列的一個(gè)周期中，“0”和“1”的個(gè)數(shù)基本相等。準(zhǔn)確地說，“1”的個(gè)數(shù)比“0”的個(gè)數(shù)多一個(gè)。 2. 游程分布：游程是指序列中取值相同的一段元素。并把這段元素的個(gè)數(shù)稱為游程長(zhǎng)度。例如，1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 m = 15游程游程419.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.3 偽隨機(jī)碼m序列的性質(zhì)在上面的一個(gè)周期中，共有8個(gè)游程，其中長(zhǎng)度為4的游

16、程有1個(gè)，即“1111”；長(zhǎng)度為3的游程有1個(gè)，即“000”；長(zhǎng)度為2的游程有兩個(gè)，即“11”和“00”；長(zhǎng)度為1的游程有4個(gè)，即兩個(gè)“1”和兩個(gè)“0”。429.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.3 偽隨機(jī)碼m序列的性質(zhì) 一般說來，在m序列中，長(zhǎng)度為1的游程數(shù)目占1/2；長(zhǎng)度為2的游程數(shù)目占1/4；長(zhǎng)度為3的游程占1/8；。 或者說，長(zhǎng)度為k的游程數(shù)目占游程總數(shù)的2-k，1 k (n - 1)，并且長(zhǎng)度為k (1 k (n - 2)的游程中，連“1”游程數(shù)目和連“0”游程數(shù)目相等。439.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.3 偽隨機(jī)碼m序列的性質(zhì)3. 移位相加特性設(shè)：Mp是一個(gè)m序列，它經(jīng)過任意次延遲

17、移位后成為Mr，則 式中，Ms是Mp的某次延遲移位序列。 例：1110010 0111001 = 1001011 上式右端是1110010向右移位5次的結(jié)果。449.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.3 偽隨機(jī)碼m序列的性質(zhì)4. 自相關(guān)特性 - 周期性459.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.3 偽隨機(jī)碼m序列的性質(zhì)4. 自相關(guān)特性 - 周期性10( j )mj12-1-m1/m469.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.3 偽隨機(jī)碼m序列的性質(zhì) 4. 功率譜密度 功率譜密度和自相關(guān)系數(shù)構(gòu)成一對(duì)傅里葉變換。求出如下： 47Pm()02/T2m/T489.4 碼分復(fù)用(CDM)9.4.3 偽隨機(jī)碼m序列的性質(zhì)

18、 由于當(dāng)m大時(shí)，m序列的均衡性、游程分布、自相關(guān)特性和功率譜密度等都近似白噪聲的特性，但是它又有規(guī)律，可以重復(fù)產(chǎn)生，所以m序列屬于一種偽噪聲序列。499.4 碼分復(fù)用(CDM) 偽隨機(jī)碼產(chǎn)生偽隨機(jī)碼產(chǎn)生舉例：a1a0+a2a3a3a2a1a0100011001110111101111011010110101101011000111001010000100001-1000初始狀態(tài) 周期24 1 = 15509.4 碼分復(fù)用(CDM) 偽隨機(jī)碼產(chǎn)生一般的線性反饋移存器方框圖圖中，ai (i = 0 n) 移存器狀態(tài)。ai = 0或1。 ci 反饋狀態(tài)。ci = 0表示反饋線斷開， ci = 1表示反饋線連通。c1c2cn-1+ak-1cn = 1ak-2輸出c0 = 1n 級(jí)線性反饋移存器ak-n+1ak-n519.4 碼分復(fù)用(CDM) 偽隨機(jī)碼產(chǎn)生遞推方程設(shè)：此移存器的初始狀態(tài)為a-1, a-2, , a-n+1, a-n則 經(jīng)1次移位后，狀態(tài)變?yōu)?a0, a-1, , a-n+2, a-n+1 經(jīng)k次移位后，狀態(tài)變?yōu)?ak-1, ak-2, , ak-n+1, ak-n (當(dāng)前狀態(tài)) 當(dāng)再次移位時(shí)，