通信PPT課件第六章-信道復(fù)用和多址方式

1、第6章 信道復(fù)用和多址方式信道復(fù)用:允許多路信號同時傳輸。多址技術(shù):在多點(diǎn)通信系統(tǒng)內(nèi)信道復(fù)用。主要討論兩類多路復(fù)用技術(shù):頻分多路復(fù)用（FDM）(波分復(fù)用 WDM) 時分多路復(fù)用（TDM）。本章主要討論四類多址方式:頻分多址（FDMA） 時分多址（TDMA） 碼分多址（CDMA） ALOHA方式。復(fù)用技術(shù)和多址技術(shù)都是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的重要技術(shù)。6.1 頻分多路復(fù)用6.1.1頻分復(fù)用頻分復(fù)用:用不同頻率傳送不同的消息，實現(xiàn)多路通信。例子:無線電廣播和電視廣播。下圖為FDM系統(tǒng)框圖。設(shè)N路相似的消息,低通濾波器:消除信號中的高頻成分，使之變?yōu)閹扌盘?。輸出對副載波進(jìn)行調(diào)制。帶通濾波器將各個已調(diào)波的頻

2、帶限制到規(guī)定范圍。輸出總和信號。頻譜示于圖 (b)。為了防止鄰路信號之間相互干擾，副載波頻率之間的間隔應(yīng)滿足 :消息信號的頻譜； : 防護(hù)頻帶。 6.1.1頻分復(fù)用總和信號傳輸所需最小帶寬是6.1.1頻分復(fù)用多級調(diào)制6.1.2波分復(fù)用波分復(fù)用（WDM）:光纖通信中利用同一根光纖同時傳輸波長具有適當(dāng)間隔的多個不同光源的光信號。從本質(zhì)上說，波分復(fù)用與頻分復(fù)用是相同的。原理如圖。6.1.2波分復(fù)用WDM把多個離散波長的光耦合到光纖中傳輸。每個波長的光波能承載大量信號，通常這些信號已被復(fù)用。波分復(fù)用的兩波道間隔為10 100nm。當(dāng)間隔為1 10nm，甚至1nm以下時，稱為密集波分復(fù)用（DWDM）。工

3、作波長大約是1550nm (1.55m)，頻率間隔為100GHz的整數(shù)倍（例如100GHZ、200GHz、300GHz等）。在1550nm和100GHz的頻率間隔，波長間隔大約是0.8nm。頻譜及復(fù)用如圖。在1550nm附近，間隔小于200GHz的承載多路光信號的WDM系統(tǒng)被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)DWDM.。復(fù)用器混合不同波長的光信號,去復(fù)用器分離不同波長的光信號。波分復(fù)用耦合器允許不同波長的光組合和分離。6.1.2波分復(fù)用6.1.3正交頻分復(fù)用正交頻分復(fù)用（OFDM）傳輸技術(shù)提供了讓數(shù)據(jù)以較高的速率在較大延遲的信道上傳輸?shù)囊环N途徑。思想:把一個高速的數(shù)據(jù)流分解成許多低速的子數(shù)據(jù)流，以并行方式在多個子信道

4、上傳輸。在每個子信道上，碼元持續(xù)時間比信道的最大延遲小，從而可以消除碼元間干擾。在允許信道失真的情況下設(shè)計一種系統(tǒng)，把可用帶寬細(xì)分為帶寬相等的子信道。每個子信道的帶寬都非常窄，以至于子信道的頻率響應(yīng)特性是近乎理想的，如圖。6.1.3正交頻分復(fù)用總共可有KB/個子信道，-子信道頻率間隔。每個子信道都對應(yīng)一個載波:Ck(t)sin(kt)， k2k ，k0，1，2，K1k-第k個子信道的中心頻率。通過選擇每個子信道上的碼速率1/T，使其等于相鄰子信道的頻率間隔。這樣，在整個碼元間隔T內(nèi)子載波是正交的，即T0sin(kt+k) sin(jt+j)dt0其中k jn /T (n1，2，)，它與相位是無

5、關(guān)的。稱這種情況為正交頻分復(fù)用（OFDM）。6.1.3正交頻分復(fù)用OFDM與使用了全部帶寬單載波系統(tǒng)相比，每個子信道的碼元速率降到原來的1/K，但二者數(shù)據(jù)傳輸速率是一樣的。OFDM系統(tǒng)的碼元時間為T=KTs，Ts-單載波系統(tǒng)的碼元時間。選擇適當(dāng)?shù)腒，可使得碼間干擾足夠小。由于子信道達(dá)到了較高的信噪比，調(diào)制后可以傳輸更多的信息。6.2 時分多路復(fù)用將多路信號在時間上互不重疊地穿插排列就可以在同一條公共信道上進(jìn)行傳輸。時分多路通信:按照一定時間次序依次循環(huán)地傳輸各路消息以實現(xiàn)多路通信。也叫做時分多路復(fù)用（TDM）。時分復(fù)用分為:同步時分復(fù)用（STDM） 統(tǒng)計時分復(fù)用（ATDM）6.2.1同步時分復(fù)

6、用同步時分多路復(fù)用:各路消息在幀中所占時隙的位置是預(yù)先指定的，且固定不變。N路PAM信號進(jìn)行時分多路復(fù)用，如圖。各路信號通過LPF后變?yōu)閹扌盘?，采樣開關(guān)（或轉(zhuǎn)換開關(guān)）每秒將各路信號依次采樣一次，N個樣值按先后順序錯開納入采樣間隔之內(nèi)。合成的復(fù)用信號是N個采樣.幀:由各個消息單一抽樣構(gòu)成的一組脈沖。時隙:一幀中相鄰兩個脈沖之間的時間間隔.防護(hù)時間:未被抽樣脈沖占用的時隙部分。在接收端，由分路開關(guān)和重建LPF，可恢復(fù)原來的連續(xù)信號。6.2.1同步時分復(fù)用6.2.1同步時分復(fù)用兩端開關(guān)必須同步。PAM帶寬：理論上需要無限寬，由于PAM信號的信息在幅度上攜帶，因此只要幅度信息沒有損失，脈沖形狀的失真

7、無關(guān)緊要。根據(jù)采樣定理，傳輸帶寬必須滿足PCM帶寬：每個抽樣用n個脈沖組成的代碼表示，因此為6.2.2統(tǒng)計時分復(fù)用統(tǒng)計時分多路復(fù)用（ATDM）也叫異步時分多路復(fù)用通過動態(tài)地分配時隙來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?數(shù)據(jù)源通過地址碼識別。統(tǒng)計復(fù)用器具有低速數(shù)據(jù)輸入線和高速復(fù)用數(shù)據(jù)輸出線，每一輸入線都有緩存器。有n條輸入線的統(tǒng)計復(fù)用器，其幀中僅有k（k n）個可用時隙。復(fù)用器收集數(shù)據(jù)填滿一幀后再發(fā)送。收端與之相反。圖：4個數(shù)據(jù)源（A、B、C和D）和4個時隙（t0、t1、t2和t3）。同步復(fù)用器的輸出數(shù)據(jù)速率是每個輸入信道數(shù)據(jù)速率的4倍。在時隙t0，信源C和D沒有輸入數(shù)據(jù)，復(fù)用器照樣為它們分配時隙，導(dǎo)致C和D時隙空

8、閑。統(tǒng)計時分復(fù)用器中，空閑時隙不被傳輸。在t0時隙里只傳送來自A和B信源的數(shù)據(jù)。缺點(diǎn):傳送地址碼花費(fèi)了較多的開銷。6.2.2統(tǒng)計時分復(fù)用6.2.2統(tǒng)計時分復(fù)用采用HDLC協(xié)議：（a）幀格式。（b）一個數(shù)據(jù)源時的幀格式，數(shù)據(jù)長度可變。（c）多個數(shù)據(jù)源的幀格式。6.3 多址通信在衛(wèi)星天線波束覆蓋區(qū)內(nèi)的任意兩點(diǎn)都可以進(jìn)行雙邊或多邊通信,稱為多址聯(lián)接方式。6.3 多址通信多址方式:頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）以及它們的組合形式，還有正交極化分割多址, 隨機(jī)多址ALOHA方式及其改進(jìn)形式?！靶诺馈?：在FDMA中，是指各地球站占用轉(zhuǎn)發(fā)器的頻 段；

9、 在TDMA中，是指各站占用的時隙； 在CDMA中，是指各站使用的正交碼組。6.3.1 頻分多址FDMA按頻率劃分，把各站發(fā)射的信號配置在衛(wèi)星頻帶內(nèi)的指定位置上,各中心頻率留有保護(hù)頻帶。示意圖。6.3.2 時分多址方式TDMA方式中，分配給各地球站一個特定的時間間隔（簡稱時隙）。各地球站在同步系統(tǒng)的控制下，在指定的時隙內(nèi)向衛(wèi)星發(fā)射信號，時間上互不重疊。各站可以使用相同的載波，利用整個帶寬。 (a) 工作示意圖。4個地球站，其中一個為基準(zhǔn)站?；鶞?zhǔn)站任務(wù)：為其他各站發(fā)射定時信號。基準(zhǔn)站也可由某一地球站兼任。幀周期(幀)：所有地球站在衛(wèi)星內(nèi)占有的整個時間間隔。分幀（子幀）:每個地球站占有的時隙幀。

10、(b) 幀結(jié)構(gòu)。幀周期為125s）或其整倍數(shù)。 幀:由所有分幀和一個基準(zhǔn)站分幀組成。分幀的長度可以一樣也可以不一樣。由前置碼和數(shù)據(jù)兩部分組成。6.3.2 時分多址方式6.3.2 時分多址方式前置碼:包括載波恢復(fù)和比特定時、獨(dú)特碼、監(jiān)控脈沖、勤務(wù)脈沖等。載波恢復(fù)和比特定時:在接收端提供QPSK信號相干解調(diào)載波和位同步信息。獨(dú)特碼:完成分幀同步, 提供本分幀的起始時間標(biāo)志和本站站名標(biāo)志。監(jiān)控脈沖:用于測量信道特性和標(biāo)明信道分配的規(guī)律和指令。勤務(wù)脈沖:用作各站之間的通信聯(lián)絡(luò)。只要接收站檢測到前置碼，就可以在其控制下正確地進(jìn)行解調(diào)，并選出與本站有關(guān)的信號。數(shù)據(jù):數(shù)字話音或其他數(shù)據(jù)信號?；鶞?zhǔn)站分幀只有一

11、個前置碼，沒有勤務(wù)聯(lián)絡(luò)信號，結(jié)構(gòu)與其他站前置碼一樣。它的獨(dú)特碼是一幀開始的時間基準(zhǔn)。TDMA系統(tǒng)具有大的信息傳輸能力，易于實現(xiàn)按需分配，對各種業(yè)務(wù)的適應(yīng)能力強(qiáng)，是大容量衛(wèi)星通信的發(fā)展方向。6.3.3ALOHA方式ALOHA是一種按需分配時分多址方式，廣泛用于各種無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。ALOHA是一種無規(guī)則的時分多址，或叫隨機(jī)多址方式。有三種基本方式： 純ALOHA , 時隙ALOHA, 預(yù)約ALOHA。1.純ALOHA純ALOHA（P-ALOHA）是一種完全隨機(jī)多址方式特點(diǎn)：全網(wǎng)不需要定時和同步。每個站將數(shù)據(jù)分成若干段，每段加上報頭和報尾構(gòu)成一個數(shù)據(jù)分組，以分組形式高速發(fā)送數(shù)據(jù)。初期，分組長度為70

12、4比特，報頭占32比特，其中包含收、發(fā)雙方的地址和其他控制比特；數(shù)據(jù)長度為640比特；其余32比特為校驗碼。6.3.3ALOHA方式純ALOHA系統(tǒng)中，任何站有數(shù)據(jù)要傳輸，隨時可以發(fā)送，然后等待一段時間（等于電波往返傳播時間）。在這段時間內(nèi)收到應(yīng)答信號，就認(rèn)為傳輸成功。收不到應(yīng)答信號，重發(fā)。為了避免連續(xù)碰撞，各站應(yīng)該隨機(jī)延遲一段時間后分散重發(fā)，圖 (a) 。幾次（如2 3次）重發(fā)均失敗，放棄重發(fā)。6.3.3ALOHA方式特點(diǎn)：簡單，信道利用率低,不穩(wěn)定。最大吞吐量僅為容量的18.4%。 各種ALOHA方案網(wǎng)絡(luò)吞吐量 S與提供負(fù)載 G的關(guān)系如圖。6.3.3ALOHA方式2.時隙ALOHA時隙AL

13、OHA（S-ALOHA）是一種時分隨機(jī)多址方式。將信道分成許多時隙，每個時隙正好傳送一個分組。時隙的定時由系統(tǒng)時鐘決定，各站必須與時鐘同步。各站只允許在時隙始端發(fā)送。一旦發(fā)生碰撞就是完全重疊。最大吞吐量為36.8%。信道利用率增加一倍。發(fā)生碰撞后，仍采用隨機(jī)時延后分散重發(fā)，也存在不穩(wěn)定性問題。各站根據(jù)發(fā)送信息的重要性，可設(shè)立優(yōu)先級。高優(yōu)先級的用戶在發(fā)射前270ms先發(fā)一“通知”信號，等級低的用戶收到“通知”不去爭用該時隙。捕獲效應(yīng)ALOHA（CALOHA）用戶以不同電平發(fā)射，較強(qiáng)信號在碰撞時也能正確接收，提高了信道利用率。6.3.3ALOHA方式3.預(yù)約ALOHA預(yù)約ALOHA（R-ALOHA

14、）：解決長、短報文傳輸?shù)募嫒輪栴}。長報文：為了避免分成許多數(shù)據(jù)分組傳輸造成時延過長，可以申請預(yù)約，分配它一段連時隙，一次發(fā)射一批數(shù)據(jù)。短報文：利用非預(yù)約S-ALOHA方式傳輸。解決了長報文的傳輸時延問題，保留了S-ALOHA傳輸短報文信道利用率高的優(yōu)點(diǎn)。最大信道利用率可達(dá)83.3%。ALOHA除上述三種基本形式之外，還有許多改進(jìn)型。6.4碼分多址FDMA：各站受信道或系統(tǒng)內(nèi)指定帶寬的限制，信號發(fā)射的時間自由。TDMA：各站按規(guī)定的時間發(fā)送數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)或信道分配的頻率和帶寬沒有限制。碼分多址（CDMA）：也叫擴(kuò)展頻譜多址方式。對時間和帶寬都沒有限制，每個站可隨時使用分配給它們的信道或系統(tǒng)的帶寬發(fā)

15、送數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：可以在給定帶寬內(nèi)傳送數(shù)據(jù)，信號根據(jù)各站的碼型分離。每個站都有一個唯一的碼，接收某個站的數(shù)據(jù)，接收站必須掌握該站的碼。系統(tǒng)的所有站可以在同一時間使用相同的頻率發(fā)送信號。一個站的碼不能與其他站的碼相同。6.4碼分多址CDMA屬于隨機(jī)多址方式，即各站發(fā)射的頻率和時間可以互相重疊。站址根據(jù)各站的碼型劃分。一般選擇偽隨機(jī)（PN）碼作地址碼。CDMA目前發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。CDMA的基礎(chǔ)是擴(kuò)頻技術(shù)。窄帶CDMA能滿足話音和一般數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，寬帶CDMA可滿足多媒體通信的要求。它是未來全球個人通信的一種主要多址方式。擴(kuò)頻技術(shù)分為：直接序列（DS）擴(kuò)頻、跳頻（FH）擴(kuò)頻、線性調(diào)頻（chirp）

16、、跳時（TH）等。上述四種方法的某種組合也常被采用。主要介紹DS和FH的基本原理。6.4.1偽隨機(jī)碼1 概念具有類似白噪聲的特性，隨機(jī)變化，但又是周期的、有規(guī)律的，可以人為地產(chǎn)生和復(fù)制。稱為偽隨機(jī)特性.產(chǎn)生：可用二進(jìn)制移位寄存器產(chǎn)生。特點(diǎn)：具有類似白噪聲的性質(zhì)，功率譜占據(jù)很寬的頻帶，相關(guān)函數(shù)具有尖銳特性。易于從其他信號或干擾中分離出來，具有優(yōu)良的抗干擾特性。應(yīng)用：碼分多址通信中；保密通信；擴(kuò)頻通信等。幾種常用的偽隨機(jī)碼：m序列、組合碼、Gold碼等。m序列是研究和構(gòu)造其它碼序列的基礎(chǔ)。6.4.1偽隨機(jī)碼2.移位寄存器序列（1）移位寄存器由時鐘控制的r個串接的存儲器構(gòu)成。移位寄存器的級：組成移位

17、寄存器的存儲器，用an-i (i=1, 2, , r ) 表示第i級的狀態(tài)（存數(shù)），an-i =1或0。移位寄存器的狀態(tài)：某一時刻，各級的存數(shù)按順序排列所組成的序列。如果不給移位寄存器的第一級輸入新的數(shù)據(jù)，則不論移位寄存器的初始狀態(tài)如何，至多經(jīng)過r次移位后，所有級最終將處于全0或全1狀態(tài)。這由第1級是0或1決定。6.4.1偽隨機(jī)碼在上圖中增加一個由模2加法器組成的反饋邏輯線路，如圖。模2加法器將有關(guān)級的輸出模2加后輸入第1級，成為第1級的新存數(shù)。以4級（r=4）為例說明工作過程。假定初始狀態(tài)為（a0，a1，a2，a3），當(dāng)一個時鐘來到時，每級的存數(shù)向右移至下一級。末級作為輸出，這時輸出a0，模

18、2加法器的輸出a4= a0a1，這時新狀態(tài)為（a1，a2，a3，a4）。 6.4.1偽隨機(jī)碼第2個時鐘來到，新狀態(tài)為（a2，a3，a4，a5），a5= a1a2，輸出為a1。隨著時鐘脈沖的不斷來到，輸出將是a0，a1，a2，稱其為一個移位寄存器序列，它滿足遞歸關(guān)系式 an= an-3an-4 這個遞歸關(guān)系式叫做移位寄存器的反饋邏輯函數(shù)。反饋邏輯是線性的，稱其為4級線性移位寄存器，輸出叫做一個4級線性移位寄存器序列。如果初始狀態(tài)為（1000），在時鐘的作用下，相繼狀態(tài)如下：6.4.1偽隨機(jī)碼an-4an-3an-2An-1a n輸出11000112000100300100040100105100

19、111600110070110108110101910101110010110111011111201111013111101141110011511000116100011170001006.4.1偽隨機(jī)碼第16個狀態(tài)與第1個狀態(tài)相同，第17個狀態(tài)與第2個狀態(tài)相同，依此類推。表明：移位寄存器的狀態(tài)序列具有周期性，周期為15。移位寄存器可有不同的初始狀態(tài)和不同的反饋邏輯，能產(chǎn)生不同的序列。移位寄存器的序列是由它的初始狀態(tài)和反饋邏輯確定的。由r個存儲器和1個（或多個）模2加法器形成反饋邏輯的移位寄存器稱為r級移位寄存器，輸出序列滿足線性遞歸關(guān)系式 an= c1an-1c2an-2 cian-i

20、cran-r nrci=1或0 (i=1，2，r)。若第i級參加運(yùn)算，則ci=1，否則ci=0。如果一個r級移位寄存器的反饋邏輯是線性的，就稱該移位寄存器為r級線性移位寄存器，它的輸出序列就是一個r級線性移位寄存器序列。6.4.1偽隨機(jī)碼（2）最大長度線性移位寄存器序列一個r級移位寄存器序列共有個 不同的狀態(tài)，最多經(jīng)過 次移位后，前 個狀態(tài)中必定有兩個狀態(tài)是相同的。在這 個狀態(tài)中，有一個全0狀態(tài)。 0序列不考慮。移位寄存器的狀態(tài)序列與移位寄存器的輸出序列周期是一致的。4級線性 移位寄存器輸出序列的周期是2-1=15，這是4級線性移位寄存器最大可能的周期。r級線性移位寄存器，輸出的序列的最大可能

21、周期p= 。把具有這種最大長度周期的線性移位寄存器序列稱為最大長度線性移位寄存器序列，也稱為m序列。m序列具有某種隨機(jī)性，自相關(guān)函數(shù)具有優(yōu)良的性質(zhì)，應(yīng)用廣泛。6.4.1偽隨機(jī)碼3. m序列的相關(guān)函數(shù)周期性二進(jìn)制序列，例如兩個周期均為p的周期序列an和bn，它們的互相關(guān)函數(shù)定義為 an，bn：an,bn的元素，其值為1或1。二者周期不同，例如an的周期為p1，bn的周期為p2，它們的互相關(guān)函數(shù)p1，p2表示p1，p2的最小公倍數(shù)。6.4.1偽隨機(jī)碼由1和0構(gòu)成的兩個二進(jìn)制序列，其相關(guān)函數(shù)A兩序列對應(yīng)元素相同的個數(shù)，即兩序列模2加后0的個數(shù)；D兩序列對應(yīng)元素不同的個數(shù)，即兩序列模2加后1的個數(shù)；P

22、相關(guān)元素總數(shù)，即p1，p2計算時可先求兩序列的模2和序列，然后將和序列中的0的個數(shù)減去1的個數(shù)，所得差值再除以相關(guān)元素總數(shù)P就可得到相關(guān)函數(shù)。若an=bn，其自相關(guān)函數(shù)6.4.1偽隨機(jī)碼m序列與其移位序列的模2和序列仍是一個m序列，而r級移位寄存器總共有 個可能的不同狀態(tài)，這 個不同的狀態(tài)中包括了所有由r個元素構(gòu)成的不同組合，其中1和0各占一半，等于 -1。全0狀態(tài)不允許出現(xiàn)，所以在一個周期中0比1少出現(xiàn)一次，1的個數(shù)0的個數(shù)周期6.4.1偽隨機(jī)碼當(dāng) = 0 ， ，二者模2加，和序列為0，D=0，A=p。此時m序列的自相關(guān)函數(shù) 上結(jié)果表明：m序列的自相關(guān)函數(shù)具雙值特性。當(dāng) =0時， 出現(xiàn)尖峰；當(dāng)離開 =0時，相關(guān)函數(shù)曲線峰值很快下降，當(dāng) =p時，又出現(xiàn)尖峰。如此周而復(fù)始。6.4.1偽隨機(jī)碼4 組合碼組合碼：由