鐵道通信-多路復用與差錯控制課件

多路復用與差錯控制●6.1引

言

對于通信，有質(zhì)和量兩方面的要求，即通信系統(tǒng)的可靠性和傳輸效率。信道的利用情況是影響通信效率的一個重要方面。通常，傳輸設(shè)施是比較昂貴的，但是信道的容量往往遠遠沒有充分利用。例如，在一個具有10MHz帶寬的超短波信道中傳輸話音信號，如果話音信號采用窄帶調(diào)制方式來調(diào)制時，一路已調(diào)信號帶寬大約20kHz，不難看出，用10MHz帶寬的信道只傳輸一路20kHz帶寬的信號實在是太浪費了。為了提高頻譜利用率，充分利用信道資源，這需要采取適當措施，實現(xiàn)在同一信道中同時傳輸多路信號，這種共享技術(shù)稱為信道復用技術(shù)，或稱為多路復用技術(shù)。它可以充分利用高速線路的信道容量，從而可以大大降低系統(tǒng)的成本。

多路復用（Multiplexing）：將多條線路的信號集合在一起，并用一條線路來傳送，如下圖所示。從電信角度看，多路復用技術(shù)就是許多信號共同使用一個傳輸媒質(zhì)的技術(shù)。在多路復用系統(tǒng)中，能把兩個或多個信號組合起來，使它們通過同一個物理電纜或無線信道傳輸。這些信號可以是音頻、數(shù)據(jù)或其他形式的信號，它們在一個適當頻帶的信道上傳送。綜上所述，多路復用的作用是把單個傳輸信道劃分為多個子信道。從計算機的角度看，術(shù)語“多路復用”也可用于其他數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。例如，在我們計算機中的“多路通道”，就是能控制若干個外部設(shè)備同時進行操作。連接到多路通道的打印機、掃描儀等輸入輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)信息位，像沿著同一個信道那樣混合地發(fā)送或接收。所以，術(shù)語“多路復用”可以意味著使用一個裝置在同一時間里處理若干個單獨的又相類似的操作；也可以用于一臺計算機與多臺終端、多個操作員之間的實時通信處理。頻分多路復用（FDM）時分多路復用（TDM）波分多路復用（WDM）碼分多路復用（CDM）●

6.2頻分多路復用

6.2.1概念

當傳輸媒質(zhì)的可用帶寬超過要傳輸信號所要求的總帶寬時，按照頻率的不同來復用多路信號的方法就是頻分復用（Frequency-divisionMultiplexingFDM），如圖6.2，在頻分復用中，信道的傳輸帶寬要被分成8條相互不交迭的頻段，每路調(diào)制信號占用其中一個頻段，這樣才能使它們在傳輸時不會相互影響，從而在接收端可以采用適當?shù)霓k法將8路信號分開，恢復出所需要的信號。

圖6.2頻分多路復用

載波(Carrier)電話系統(tǒng)是頻分多路復用的典型例子，它通過電話信號的頻分多路復用來實現(xiàn)。通話用戶發(fā)出的聲音頻率結(jié)構(gòu)不完全相同，但頻譜能量集中在4kHz以下，主要在300～3400Hz之間。所以，把一路電話信號的頻譜限制在300～3400Hz，仍能得到比較滿意的話音質(zhì)量。而我們一般的傳輸媒質(zhì)(例如雙絞線、電纜、微波等)的頻帶要遠遠大于4kHz。由此得出，一條線路用來傳輸一路話音信號，顯然十分浪費。我們采用頻分復用技術(shù)來改進傳輸效率。長途載波電話立體聲調(diào)頻廣播電視廣播空間遙測（a）(b)

(c)(d)(e)6.4北美多路載波電話系統(tǒng)如果用低通濾波器加以限制，就可以限制在300～3400Hz內(nèi)首先，電話信號對載波進行單邊帶調(diào)制來實現(xiàn)變頻，如圖6.4（b），這里取調(diào)制后的下邊帶，如圖6.4（c）。變頻時，只要各路所調(diào)制的載波互相隔開4kHz就可實現(xiàn)各路頻譜互不重迭。圖6.4（a）是載波電話系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)由12路語音話路復用為一個基群（BasicGroup）5個基群復用為一個超群（SuperGroup），共60路電話由10個超群復用為一個主群（MasterGroup），共600路電話如果想要傳輸更多路電話，還可以將多個主群進行復用，組成超主群.雖然每路話音信號的頻帶限制在300-3400Hz內(nèi)，但為了保護各路已調(diào)信號，減少串擾，規(guī)定每路電話信號取4kHz為標準寬度。FDM應(yīng)用系統(tǒng)

2.有線電視

FDM的另一個常見的應(yīng)用是有線電視傳輸系統(tǒng)。目前，有線電視系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)使用寬帶同軸電纜，其特性阻抗75Ω，傳輸帶寬大約500MHz。一個電視頻道大約只需要6MHz的傳輸帶寬。因此理論上講，一條同軸電纜可以同時承載83個電視頻道。由于需要保護頻帶，實際應(yīng)用中要小于83這個理論值。●

6.3時分多路復用（TDM）時分復用是將信道占用時間分成若干個小的時間片，稱之為時隙，每個時隙就是一條時分復用信道，可以傳輸一個用戶的信號。也就是說各路信號可以同時在同一信道中傳輸時占有不同的時間間隔。這時就需要將時間分成均勻的時間間隔，將每路信號分配在不同的時間間隔內(nèi)傳輸，一邊達到互相分開的目的。時分多路復用可以分為同步時分復用和異步時分復用兩種

基本原理

由于單路抽樣信號在時間上離散的相鄰脈沖間有很大的空隙，在空隙中插入若干路其它抽樣信號，只要各路抽樣信號在時間上不重疊并能區(qū)分開，那么一個信道就有可能同時傳輸多路信號，達到多路復用的目的。原理如下圖所示。1、同步時分復用（STDM）STDM采用固定時間片分配方式，將傳輸信號的時間按特定長度連續(xù)地劃分成特定時間段（一個周期），再將每一時間段劃分成等長度的多個時隙，每個時隙以固定的方式分配給各路數(shù)字信號，各路數(shù)字信號在每一時間段都順序分配到一個時隙。由于在同步時分復用方式中，時隙預先分配且固定不變，無論時隙擁有者是否傳輸數(shù)據(jù)都占有一定時隙，形成了時隙浪費，其時隙的利用率很低。靜態(tài)信道分配方式與終端需求無關(guān)2、異步時分復用（ATDM）異步時分復用技術(shù)又被稱為統(tǒng)計時分復用，它能動態(tài)地按需分配時隙，避免每個時間段中出現(xiàn)空閑時隙。ATDM就是只有當某一路用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才把時隙分配給它。當用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時，則不給它分配時隙。電路的空閑時隙可用于其他用戶的數(shù)據(jù)傳輸。在所有的數(shù)據(jù)幀中，除最后一個幀外，其他所有幀均不會出現(xiàn)空閑的時隙，從而提高了資源的利用率，也提高了傳輸速率。

6.4波分多路復用（WDM

wavelength-divisionmultiplexing）

波分復用是指在一根光纖上，同時傳送多個波長不同的光載波，其基本原理與頻分復用相同，區(qū)別僅在于FDM使用的是電載波，而WDM使用的是光載波。WDM將1根光纖轉(zhuǎn)換為多條“虛擬”纖，每根虛擬光纖獨立工作在不同的波長上，大大提高了光纖傳輸?shù)娜萘俊?/p>

利用波分復用技術(shù)可以在不增建光纜線路或不改建原有光纜的基礎(chǔ)上，使光纜傳輸容量擴大幾倍甚至幾十倍、上百倍。WDM系統(tǒng)技術(shù)成為當前光纖通信網(wǎng)絡(luò)擴容的最主要手段之一。

密集波分復用（DWDM）將不同波長的激光用不同的數(shù)據(jù)流調(diào)制，再將調(diào)制后的光波疊加在一起，由一條光纖進行傳輸。在光纖的另一端，進行相反的過程以恢復所有的數(shù)據(jù)流。只能在一根光纖上復用兩路光載波信號，這種復用方式為波分復用?，F(xiàn)在已經(jīng)能做到在一根光纖上復用80路或更多路的光載波信號。于是便使用了密集波分復用這一名詞。這樣，波分復用器在同一個光纖內(nèi)部創(chuàng)建了不同的信道，每一個信道的速度可達2.5Gb/s（OC-48）。

碼分多路復用CDM又稱碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess,CDMA）,CDM與FDM（頻分多路復用）和TDM（時分多路復用）不同,它既共享信道的頻率,也共享時間,是一種真正的動態(tài)復用技術(shù).

6.5

碼分多路復用CDMCodeDivisionMultiple

碼分多址系統(tǒng)為每個用戶分配了各自特定的地址碼，利用公共信道來傳輸信息。CDMA系統(tǒng)的地址碼相互具有準正交性，以區(qū)別地址，而在頻率、時間和空間上都可能重疊。也就是說，每一個用戶有自己的地址碼，這個地址碼用于區(qū)別每一個用戶，地址碼彼此之間是互相獨立的，也就是互相不影響的碼分多路復用技術(shù)主要用于無線通信系統(tǒng),特別是移動通信系統(tǒng).它不僅可以提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皽p少干擾對通信的影響,而且增大了通信系統(tǒng)的容量。筆記本電腦或個人數(shù)字助理(PDA)以及掌上電腦(HPC)等移動性計算機的聯(lián)網(wǎng)通信就是使用了這種技術(shù)。碼分復用是一種碼分多址技術(shù)（CDMA），定義在由ITU制定的3G移動通信服務(wù)下的通用移動電信系統(tǒng)標準中。CDMA的另一個重要應(yīng)用是全球定位系統(tǒng)GPS：GlobalPositioningSystem6.6

多點線路多點線路連接是指各個站點通過一條公共通信線路連接。在多點線路連接方式中，一條線路被所有的站點共享，這也是一種多路復用。多點線路系統(tǒng)工作在“主-從”方式狀態(tài)下，系統(tǒng)只能有一個主站，多個從站共享一條線路與主站通信。主站控制線路的工作，從站的傳輸完全受主站控制。一、差錯控制

所謂差錯控制是通過某種方法，發(fā)現(xiàn)并糾正傳輸中出現(xiàn)的錯誤。它是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中提高傳輸可靠性，降低系統(tǒng)傳輸誤碼率的有效措施。6.7

差錯控制的基本概念及原理

差錯分析

危害數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑肼曈袃深悾阂活愂请S機噪聲：包括熱噪聲、散彈噪聲以及傳輸媒介引起的噪聲等，引起隨機差錯；另一類是脈沖噪聲：是指突然發(fā)生的噪聲，包括雷電、開關(guān)引起的瞬態(tài)變化以及機電交換機的撥號脈沖等，引起突發(fā)差錯。

隨機差錯，又稱獨立差錯，是指那些獨立地、稀疏地和互不相關(guān)地發(fā)生的差錯。（存在這種差錯的信道稱為隨機信道或無記憶信道）突發(fā)差錯是指一串串，甚至是成片出現(xiàn)的差錯，差錯之間有相關(guān)性，差錯出現(xiàn)是密集的。（存在這種突發(fā)錯誤的信道稱為突發(fā)信道或有記憶信道）產(chǎn)生的原因：隨機噪聲產(chǎn)生的原因：脈沖噪聲二、信道編碼的基本概念

1、基本思路

在發(fā)送端被傳送的信息碼序列的基礎(chǔ)上，按照一定的規(guī)則加入若干“監(jiān)督碼元”后進行傳輸，這些加入的碼元與原來的信息碼序列之間存在著某種確定的約束關(guān)系。在接收數(shù)據(jù)時，檢驗信息碼元與監(jiān)督碼元之間的既定的約束關(guān)系，如該關(guān)系遭到破壞，則在接收端可以發(fā)現(xiàn)傳輸中的錯誤，乃至糾正錯誤。

信息碼+監(jiān)督碼=碼組，稱差錯控制編碼或糾錯編碼或信道編碼（加的監(jiān)督碼越多，差錯控制能力越強）2、編碼效率 將信息序列按照k位碼元的長度分成若干個信息碼組M，再將信息碼組輸入到信道編碼器，信道編碼器按照一定的算法，產(chǎn)生一個新的n位碼字A輸出，n>k； 所謂編碼效率是指信道編碼后碼字中信息碼元的數(shù)目與碼字總碼元數(shù)目之比，記為k/n。3、碼長：碼字的碼元數(shù)目，例如(n，k)分組碼的碼長為n4、碼重：指碼字中“1”的數(shù)目，記作W(A)。 例如：W(110110)=4三、檢錯和糾錯的基本概念

檢錯：驗證收到的碼字是否是需用碼字即可發(fā)現(xiàn)錯誤 糾錯：能判斷出錯誤發(fā)生的位置，將其糾正四、基于信道編碼的差錯控制方式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，差錯控制方式可以分為四種：反饋糾錯（ARQ）前向糾錯（FEC）混合糾錯（HEC）信息反饋（IRQ）（一）檢錯重發(fā)或反饋糾錯（ARQ）1、思路 這種差錯控制方式在發(fā)送端對數(shù)據(jù)序列進行分組編碼，加入一定多余碼元使之具有一定的檢錯能力，成為能夠發(fā)現(xiàn)錯誤的碼組。接收端收到碼組后，按一定規(guī)則對其進行有無錯誤的判別，并把判決結(jié)果（應(yīng)答信號）通過反向信道送回發(fā)送端。如有錯誤，發(fā)送端把前面發(fā)出的信息重新傳送一次，直到接收端認為已正確接收到信息為止。2、重發(fā)方式在具體實現(xiàn)檢錯重發(fā)系統(tǒng)時，通常有3種形式：停止等候重發(fā)返回重發(fā)選擇重發(fā)（1）停止等候重發(fā)

發(fā)送端每發(fā)送一個碼組，就停下來等候，發(fā)送端在Tw時間內(nèi)發(fā)送一個碼組，然后等候，等候時間為Td，再發(fā)送下一個碼組，Td>Tw+反饋時間；收端判斷下是否有錯，會發(fā)送一個應(yīng)答信號給發(fā)送端，發(fā)送端收到信號（可以是承認信號也可以是否認信號）后，讓發(fā)送端在下一個發(fā)送時間內(nèi)發(fā)送碼組，如果發(fā)送無錯，則發(fā)送應(yīng)答信號為ACK，讓發(fā)送端接著發(fā)送下一個碼組；如果發(fā)送出錯，則發(fā)送應(yīng)答信號為NAK，要求重發(fā)這個出錯的碼組。示例動畫演示（2）返回重發(fā)

發(fā)送端連續(xù)發(fā)送一個碼組，一邊發(fā)送，一邊等候接收端的應(yīng)答信號。接收端檢驗，如果發(fā)現(xiàn)無錯，則發(fā)送應(yīng)答信號ACK，則繼續(xù)發(fā)送碼組；如果發(fā)現(xiàn)有錯，則發(fā)送應(yīng)答信號NAK，如果這個碼組出錯，那么發(fā)送端要求這個錯誤碼組以后已經(jīng)發(fā)送的碼組都要重發(fā)。比如接收端第2個碼組出錯，那么接收端返回NAK應(yīng)答信號時，發(fā)送端正在發(fā)送第6個碼組，等第6個碼組發(fā)送完，發(fā)送端要從這個有錯的碼組，即第2個碼組開始，把已經(jīng)發(fā)送出去的第2、3、4、5、6個碼組都要重發(fā)。示例動畫演示（3）選擇重發(fā) 發(fā)送端連續(xù)發(fā)送一個碼組，一邊發(fā)送，一邊等候接收端的應(yīng)答信號。接收端檢驗，如果發(fā)現(xiàn)無錯，則發(fā)送應(yīng)答信號ACK，則繼續(xù)發(fā)送碼組；如果發(fā)現(xiàn)有錯，則發(fā)送應(yīng)答信號NAK，如果這個碼組出錯，發(fā)送端只需要重發(fā)這個出錯的碼組。

示例動畫演示3、特點編碼效率比較高，對信道的適應(yīng)能力強重發(fā)導致信道的有效利用率較低，通信的實時性較差譯碼設(shè)備較簡單4、應(yīng)用數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（二）前向糾錯（FEC）1、思路前向糾錯系統(tǒng)中，發(fā)送端的信道編碼器將輸入數(shù)據(jù)序列變換成能夠糾正錯誤的碼，接收端的譯碼器根據(jù)編碼規(guī)律檢驗出錯誤的位置并自動糾正。2、特點無需重發(fā)，實時性好編碼效率較低，譯碼設(shè)備比較復雜若錯誤超出糾錯碼糾錯能力,只好將其拋棄3、應(yīng)用移動通信系統(tǒng)

（三）混合糾錯檢錯（HEC）

1、思路混合糾錯檢錯方式是前向糾錯方式和檢錯重發(fā)方式的結(jié)合。在這種系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)出同時具有檢錯和糾錯能力的碼，接收端收到碼后，檢查錯誤情況，如果錯誤少于糾錯能力，則自行糾正；如果干擾嚴重，錯誤很多，超出糾正能力，但能檢測出來，則經(jīng)反向信道要求發(fā)端重發(fā)。2、特點集合了ARQ和FEC的優(yōu)點，在保證系統(tǒng)較高的有效性的同時,大幅度提高了整個系統(tǒng)的可靠性3、應(yīng)用移動通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（四）信息反饋（IRQ）1、思路接收端把收到的數(shù)據(jù)序列全部由反向信道送回發(fā)端，發(fā)端