第六章 多路復(fù)用技術(shù)

第六章多路復(fù)用技術(shù)

2/7/20231本章內(nèi)容簡(jiǎn)介多路復(fù)用技術(shù)可使多路信號(hào)在一個(gè)信道上進(jìn)行傳輸。頻分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用同步時(shí)分多路復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用碼分多路復(fù)用波分多路復(fù)用數(shù)字復(fù)接技術(shù)與PDHSDH2/7/20232多路復(fù)用概述多路復(fù)用是指在一條物理信道上，同時(shí)傳輸多路信號(hào)而不相互干擾，且這些信號(hào)符合信號(hào)分割的技術(shù)原理。信號(hào)分割是多路復(fù)用的基礎(chǔ)。信號(hào)分割依據(jù)信號(hào)之間的差別，如頻率、時(shí)間或者碼型結(jié)構(gòu)。信號(hào)分割原理表明：對(duì)在線性信道上傳輸?shù)亩嗦窂?fù)用信號(hào)實(shí)現(xiàn)有效分割的充分必要條件是相互線性無關(guān)。但是為了降低設(shè)備的復(fù)雜性，在實(shí)際應(yīng)用中要求各路信號(hào)相互正交。2/7/20233信號(hào)的正交性則稱f1(t)和f2(t)互為正交。假定有兩個(gè)信號(hào)若f1(t)和f2(t)，如果在區(qū)間(t1，t2)上滿足:2/7/202341、三角交函數(shù)集:常用正交函數(shù)集(t0，t0+T)

2、指數(shù)函數(shù)集:(t0，t0+T)

3、抽樣函數(shù)集:(-，)

2/7/20235信號(hào)的正交性信道輸出的多路復(fù)合信號(hào)是：所以，只要將各路信號(hào)與復(fù)合信號(hào)的乘積進(jìn)行積分運(yùn)算，即可實(shí)現(xiàn)正交信號(hào)的分割。復(fù)用技術(shù)包括復(fù)合、傳輸和分離三個(gè)過程。信號(hào)的正交化設(shè)計(jì)。2/7/202366.1頻分多路復(fù)用（FDM-------frequencydivisionmutiplexing）線路的通頻帶分成多個(gè)子頻帶，分別分配給用戶形成數(shù)據(jù)傳輸子通路，用戶數(shù)據(jù)通過分配的子通路傳輸，當(dāng)該用戶沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，別的用戶不能使用，此通路保持空閑狀態(tài)。FDM主要適用于傳輸模擬信號(hào)的頻分制信道，主要用于電話、電報(bào)和電纜電視（CATV）。在數(shù)據(jù)通信中，需和調(diào)制解調(diào)技術(shù)結(jié)合使用。

優(yōu)點(diǎn)：多個(gè)用戶共享一條傳輸線路資源。

缺點(diǎn)：給每個(gè)用戶預(yù)分配好子頻帶，各用戶獨(dú)占子頻帶，使得線路的傳輸能力不能充分利用。2/7/20237頻分復(fù)用頻率時(shí)間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率52/7/202386.1頻分多路復(fù)用（FDM）頻分多路復(fù)用示意圖2/7/202396.1頻分多路復(fù)用（FDM）考慮到大容量載波電話在傳輸中合群、分群的方便，現(xiàn)在對(duì)多路載波電路已經(jīng)形成一套標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)。有基群、超群和主群等。主要針對(duì)其頻帶劃分和信道容量。2/7/2023106.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM------timedivisionmutiplexing

）FDM：以頻率作為分割信號(hào)的參量；采用模擬技術(shù)，對(duì)計(jì)算機(jī)通信不太合適。TDM：以時(shí)間作為分割信號(hào)的參量；即信號(hào)在時(shí)間位置上分開但它們能占用的頻帶是重疊的。當(dāng)傳輸信道所能達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率超過了傳輸信號(hào)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)即可采用TDM.2/7/2023116.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM------timedivisionmutiplexing

）固定時(shí)隙分配方式，一條物理信道按時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間片，輪流地分配給多個(gè)信號(hào)，時(shí)間上不重疊。每一時(shí)間片由復(fù)用的一個(gè)信號(hào)占有，在一條物理信道上傳輸多個(gè)數(shù)字信號(hào)。通過時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，多路低速數(shù)字信號(hào)可復(fù)用到一條高數(shù)據(jù)速率的信道。

優(yōu)點(diǎn)：多路低速數(shù)字信號(hào)可共享一條傳輸線路資源。

缺點(diǎn)：時(shí)隙是預(yù)先分配的，且是固定的，每個(gè)用戶獨(dú)占時(shí)隙，時(shí)隙的利用率較低，線路的傳輸能力不能充分利用。2/7/202312時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2/7/202313時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2/7/202314時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2/7/202315時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCBCBCAAAABCDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2/7/2023166.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM）時(shí)分多路復(fù)用示意圖2/7/2023176.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM）TDM基本原理：其理論基礎(chǔ)是基于抽樣定理（SamplingTheorem）。因?yàn)槌闃佣ɡ硎沟脮r(shí)間上離散的抽樣脈沖值代替基帶信號(hào)成為可能。抽樣定理：一個(gè)頻帶限制在（0,fmax）內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)m(t),如果以不低于2fmax的速率進(jìn)行抽樣，則m(t)可由抽樣值完全確定。即：若fs>=2fmax

（fs代表采樣頻率fmax為最高頻率）則理論上就有一種方法能用采樣后的離散信號(hào)完全無失真地恢復(fù)原來的信號(hào)2/7/2023186.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM）關(guān)鍵問題：收發(fā)雙方的同步復(fù)用器中的電子開關(guān)是關(guān)鍵部件TDM工作特點(diǎn)：通信雙方是按照預(yù)先指定的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩疫@種時(shí)間關(guān)系是固定不變的某一時(shí)刻而言，信道上僅傳送一對(duì)設(shè)備之間的信號(hào)而不是多路復(fù)用信號(hào)某一時(shí)間段而言，信道上傳送多路復(fù)用信號(hào)2/7/2023196.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM）幀：TDM傳送信號(hào)時(shí)，將通信時(shí)間分成一定長(zhǎng)度的幀。每一幀又被分成若干時(shí)間片。即一幀由若干個(gè)時(shí)間片組成。幀中的每個(gè)時(shí)間片是預(yù)先分配給某個(gè)數(shù)據(jù)源的，且這種關(guān)系固定不變。不論有無數(shù)據(jù)需要發(fā)送，所有數(shù)據(jù)源的時(shí)間片都會(huì)被占有；在具有N路輸入系統(tǒng)中，每個(gè)幀至少含有N個(gè)時(shí)間片。2/7/2023206.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM）時(shí)分多路復(fù)用器S4S3S2S11234123412344路輸入信號(hào)每幀含有4個(gè)時(shí)間片幀n幀2幀12/7/2023216.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM）交錯(cuò)：同步時(shí)分多路復(fù)用器關(guān)鍵部件是高速的電子開關(guān)；當(dāng)開關(guān)移動(dòng)到某個(gè)設(shè)備前，該設(shè)備就有機(jī)會(huì)向公共通路傳輸規(guī)定大小的數(shù)據(jù)。開關(guān)的這種以固定的速率和固定的順序在設(shè)備間的移動(dòng)過程就稱作交錯(cuò)；交錯(cuò)可以按bit/byte/Datablock數(shù)據(jù)復(fù)用按照交錯(cuò)的長(zhǎng)度可以分為：比特交錯(cuò)法，字符交錯(cuò)法和碼組交錯(cuò)法。最常用的是字符交錯(cuò)。2/7/2023226.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM）

低通濾波器1低通濾波器2低通濾波器n－1低通濾波器n基帶信號(hào)m1(t)m2(t)mn-1(t)mn(t)信道m(xù)1′m２′mn-1′mn′發(fā)送端接收端時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)示意圖(t)(t)(t)(t)同步2/7/2023236.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM）字符交錯(cuò)法幀結(jié)構(gòu)：

SF幀同步頭,控制信號(hào)序列CSS，Mi代表第M路信號(hào)中的第i個(gè)符號(hào)SFCSSAi…Mi2/7/2023246.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM）TDM最典型的例子就是廣泛應(yīng)用于脈沖編碼調(diào)制的技術(shù)PCM(PulseCodedModulation)PCM電話系統(tǒng)是時(shí)分多路PCM系統(tǒng)的一種最重要的應(yīng)用?，F(xiàn)在PCM沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)國(guó)家使用了各種互不兼容的方法。北美和日本的技術(shù)：T1線路（24）ITU-T推薦的TDM標(biāo)準(zhǔn)：E1線路（30）2/7/2023252/7/2023266.2時(shí)分多路復(fù)用（TDM）語(yǔ)音信號(hào)300HZ—3400HZ，一般取4000HZ根據(jù)抽樣定理，抽樣周期T=1/8000HZ=0.125us復(fù)用后形成的幀應(yīng)保證至少125us輪流傳送一次基群的傳碼率為:8000*32*8=2.048Mbps,稱為E1速率。還有T1速率,1.544Mbps2/7/2023276.3統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用（STDM—static）

據(jù)用戶實(shí)際需要?jiǎng)討B(tài)地分配線路資源，因此也叫動(dòng)態(tài)時(shí)分多路復(fù)用或異步時(shí)分多路復(fù)用。也就是當(dāng)某一路用戶有數(shù)據(jù)要傳輸時(shí)才給它分配資源，提高線路利用率。

優(yōu)點(diǎn)：線路傳輸?shù)睦寐矢哌m于計(jì)算機(jī)通信中突發(fā)性或斷續(xù)性的數(shù)據(jù)傳輸缺點(diǎn)：每個(gè)時(shí)隙都要添加地址段2/7/2023286.3統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用（STDM）

TDM與STDM復(fù)用原理的基本差別示意圖2/7/2023296.3統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用（STDM）衡量STDM復(fù)用器性能的參數(shù)N：輸入數(shù)據(jù)源的數(shù)目R：每個(gè)源的數(shù)據(jù)率（bps）M：復(fù)用鏈路的有效容量（bps）α：每個(gè)源傳輸數(shù)據(jù)所占的時(shí)間與通信總時(shí)間的比值，一般有0<α<1K=M/NR:復(fù)用鏈路容量對(duì)最大輸入總量之比。α<=K<=12/7/2023306.4波分多路復(fù)用（WDM）

光纖中使用的復(fù)用方式在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的信號(hào)組合起來（復(fù)用），送入到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開（解復(fù)用），恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端。構(gòu)成形式：WDM系統(tǒng)基本構(gòu)成主要有兩種形式：即雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。2/7/2023316.4波分多路復(fù)用（WDM）

雙纖單向傳輸示意圖2/7/202332單纖雙向傳輸示意圖2/7/2023331550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm6.4波分復(fù)用WDM波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用單模光纖2.5Gbit/s→WDM2×2.5Gbit/s→DWDM8×2.5Gbit/s

82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器2/7/2023346.4波分多路復(fù)用（WDM）

WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：（1）充分利用了光纖的巨大帶寬資源，傳輸容量增加幾十倍。（2）各波長(zhǎng)相互獨(dú)立，可傳輸特性不同的信號(hào)，完成各種業(yè)務(wù)信號(hào)的綜合和分離，實(shí)現(xiàn)多媒體信號(hào)的混合傳輸。（3）WDM技術(shù)使N個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來在單根光纖中傳輸，并且可以實(shí)現(xiàn)單根光纖的雙向傳輸，以節(jié)省大量的線路投資。（4）WDM技術(shù)可降低對(duì)一些器件在性能上的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。（5）充分利用成熟的TDM技術(shù)，且對(duì)光纖色散無過高要求。（6）WDM的信道對(duì)數(shù)據(jù)格式是透明的，是理想的擴(kuò)容手段。（7）可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，并可組成全光網(wǎng)。2/7/2023356.5碼分多址復(fù)用CDMA常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型——彼此不干擾頻帶和時(shí)間重疊共用優(yōu)點(diǎn)：抗干擾隱蔽（頻譜類于白噪聲）容量大——GSM的幾倍（GlobalSystemforMobilecommunications，全球數(shù)字移動(dòng)電話系統(tǒng)）發(fā)射功率低2/7/2023366.5碼分復(fù)用——碼片序列(chipsequence)

每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時(shí)，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時(shí)，就發(fā)送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。2/7/2023376.5碼分復(fù)用

——碼片序列的正交關(guān)系

令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個(gè)不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：(3-4)令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(3-4)式就可看出這兩個(gè)碼片序列是正交的。2/7/202338任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。6.5碼分復(fù)用

——碼片序列的正交關(guān)系特性

2/7/202339*實(shí)際上是用m比特來表示1比特，各站的比特由此可分辯。擴(kuò)頻通信：頻帶為原來m倍碼片向量的內(nèi)積：S·T=∑SiTi/m各站的碼片序列互相正交：S·T=0，S·T反=0且有：S·S=1，S·S反=-1多站通信同步：所有碼片序列同時(shí)起止。當(dāng)x站接收S信號(hào)時(shí)，便用S的碼片向量與接收的一比特混合信號(hào)求內(nèi)積，結(jié)果剩下的僅僅是S信號(hào)：發(fā)1時(shí)內(nèi)積結(jié)果是+1，發(fā)0時(shí)內(nèi)積結(jié)果是-1。6.5碼分復(fù)用

——碼片序列的正交關(guān)系特性

2/7/2023406.5碼分復(fù)用——CDMA的工作原理

2/7/202341CDMA例2/7/2023422/7/2023432/7/2023446.6數(shù)字復(fù)接與準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接體系（PDH）數(shù)字復(fù)接的基本概念同步復(fù)接與異步復(fù)接PCM零次群和PCM高次群2/7/2023456.6.1數(shù)字復(fù)接的基本概念為了擴(kuò)大數(shù)字通信的容量，可以采用兩種辦法：第一種是數(shù)字復(fù)用，通常指時(shí)分多路復(fù)用第二種是數(shù)字復(fù)接技術(shù)2/7/2023466.6.1數(shù)字復(fù)接的基本概念采用時(shí)分復(fù)用的方式能擴(kuò)大的容量十分有限，傳送120路電話，就需要對(duì)120路信號(hào)分別進(jìn)行8kHZ抽樣，每個(gè)抽樣值8位編碼，傳碼率為8000*120*8=7680kb/s，每個(gè)抽樣值的編碼時(shí)間只有1us，這要求有非常高的編碼速率，對(duì)電路及元、器件的精度要求高，實(shí)現(xiàn)困難。將幾個(gè)PCM復(fù)用后的信號(hào)再進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，經(jīng)過數(shù)字復(fù)用后的數(shù)碼率提高了（不需要PCM），但是對(duì)于每一個(gè)基群的編碼速度沒有提高，實(shí)現(xiàn)容易，使用廣泛2/7/2023476.6.1數(shù)字復(fù)接的基本概念數(shù)字復(fù)接：若干路低速數(shù)字信號(hào)流（低次群）合并成高速數(shù)字信號(hào)流（高次群）技術(shù)難度集中到骨干網(wǎng)上2/7/2023486.6.2數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)構(gòu)成調(diào)整：復(fù)接前須使各低次群數(shù)碼速率互相同步，同時(shí)使其符合高次群幀結(jié)構(gòu)的要求。同步:分接器的定時(shí)單元須由接收到的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng),并與復(fù)接器的基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)保持同步(頻率、相位)。2/7/202349按位復(fù)接按位復(fù)接是每次復(fù)接各低次群（也稱為支路）的一位碼形成高次群。按字復(fù)接按字復(fù)接是每次復(fù)接各低次群（支路）的一個(gè)碼字形成高次群。PCM按幀復(fù)接6.6.3數(shù)字復(fù)接的分類2/7/2023506.6.3數(shù)字復(fù)接的分類a.同步復(fù)接用統(tǒng)一的主時(shí)鐘來控制被復(fù)接的幾個(gè)低次群，使這幾個(gè)低次群的數(shù)碼率（簡(jiǎn)稱碼速）統(tǒng)一在主時(shí)鐘的頻率上（這樣就使幾個(gè)低次群系統(tǒng)達(dá)到同步的目的），可直接復(fù)接（復(fù)接前不必進(jìn)行碼速調(diào)整）。需相位調(diào)整b.異步復(fù)接各自獨(dú)立時(shí)鐘；須頻率相位調(diào)整。c.準(zhǔn)同步復(fù)接各路信號(hào)由不同的時(shí)鐘控制，允許在一定的范圍內(nèi)有偏差。需要進(jìn)行碼速調(diào)整。2/7/2023516.6.4準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接系列PDHCCITT推薦的兩類準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接：PlesiochronousDigitalHierarchy兩種規(guī)格：PCM24路1.544Mbps、PCM30／32路2.048Mbps2/7/202352ITU-TG.742推薦的正碼速調(diào)整異步復(fù)接二次群幀結(jié)構(gòu)如圖所示。幀周期為100.38μs,幀長(zhǎng)為848bit。（最少）有4×205＝820bit為信息碼（四個(gè)一次群碼速變換之前的碼元，不包括插入的碼元），（最多）28bit的插入碼。復(fù)接二次群幀結(jié)構(gòu)——8.448Mbps2/7/202353PCM零次群和PCM高次群一、PCM零次群 PCM通信最基本的傳送單位是64kbit／s，即一路話音的編碼，因此它是零次的。二、PCM子群 速率介于64kbit／s和2048kbit／s之間的信號(hào)稱為子群。子群速率主要考慮到下列因素。 （1）與某些傳輸介質(zhì)相匹配。 （2）與某些業(yè)務(wù)種類相匹配。 （3）復(fù)接速率與其它等級(jí)相配合并有一定的規(guī)則性。 PCM子群還可用于用戶環(huán)路和小容量的特殊通信需要。三、PCM高次群n次群由若干路n-1次群合成。 比二次群更高的等級(jí)有PCM三次群、四次群、五次群等。2/7/202354PCM復(fù)接等級(jí)2/7/202355一、PDH的弱點(diǎn)(1)只有地區(qū)性數(shù)字信號(hào)速率和幀結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)而無世界性標(biāo)準(zhǔn)。(2)沒有世界性的標(biāo)準(zhǔn)光接口規(guī)范，各廠家專用光接口。(3)低等級(jí)信號(hào)（如2048kbit／s，1544kbit／s）采用同步復(fù)用，多數(shù)等級(jí)信號(hào)采用異步復(fù)用，靠塞入