第六章 多路復用技術

第六章多路復用技術

2/7/20231本章內容簡介多路復用技術可使多路信號在一個信道上進行傳輸。頻分多路復用時分多路復用同步時分多路復用統(tǒng)計時分多路復用碼分多路復用波分多路復用數(shù)字復接技術與PDHSDH2/7/20232多路復用概述多路復用是指在一條物理信道上，同時傳輸多路信號而不相互干擾，且這些信號符合信號分割的技術原理。信號分割是多路復用的基礎。信號分割依據(jù)信號之間的差別，如頻率、時間或者碼型結構。信號分割原理表明：對在線性信道上傳輸?shù)亩嗦窂陀眯盘枌崿F(xiàn)有效分割的充分必要條件是相互線性無關。但是為了降低設備的復雜性，在實際應用中要求各路信號相互正交。2/7/20233信號的正交性則稱f1(t)和f2(t)互為正交。假定有兩個信號若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信號的正交性信道輸出的多路復合信號是：所以，只要將各路信號與復合信號的乘積進行積分運算，即可實現(xiàn)正交信號的分割。復用技術包括復合、傳輸和分離三個過程。信號的正交化設計。2/7/202366.1頻分多路復用（FDM-------frequencydivisionmutiplexing）線路的通頻帶分成多個子頻帶，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，當該用戶沒有數(shù)據(jù)傳輸時，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的頻分制信道，主要用于電話、電報和電纜電視（CATV）。在數(shù)據(jù)通信中，需和調制解調技術結合使用。

優(yōu)點：多個用戶共享一條傳輸線路資源。

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

）FDM：以頻率作為分割信號的參量；采用模擬技術，對計算機通信不太合適。TDM：以時間作為分割信號的參量；即信號在時間位置上分開但它們能占用的頻帶是重疊的。當傳輸信道所能達到的數(shù)據(jù)傳輸速率超過了傳輸信號所需的數(shù)據(jù)傳輸速率時即可采用TDM.2/7/2023116.2時分多路復用（TDM------timedivisionmutiplexing

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

優(yōu)點：多路低速數(shù)字信號可共享一條傳輸線路資源。

缺點：時隙是預先分配的，且是固定的，每個用戶獨占時隙，時隙的利用率較低，線路的傳輸能力不能充分利用。2/7/202312時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2/7/202313時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2/7/202314時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2/7/202315時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2/7/2023166.2時分多路復用（TDM）時分多路復用示意圖2/7/2023176.2時分多路復用（TDM）TDM基本原理：其理論基礎是基于抽樣定理（SamplingTheorem）。因為抽樣定理使得時間上離散的抽樣脈沖值代替基帶信號成為可能。抽樣定理：一個頻帶限制在（0,fmax）內的時間連續(xù)信號m(t),如果以不低于2fmax的速率進行抽樣，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完全無失真地恢復原來的信號2/7/2023186.2時分多路復用（TDM）關鍵問題：收發(fā)雙方的同步復用器中的電子開關是關鍵部件TDM工作特點：通信雙方是按照預先指定的時間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩疫@種時間關系是固定不變的某一時刻而言，信道上僅傳送一對設備之間的信號而不是多路復用信號某一時間段而言，信道上傳送多路復用信號2/7/2023196.2時分多路復用（TDM）幀：TDM傳送信號時，將通信時間分成一定長度的幀。每一幀又被分成若干時間片。即一幀由若干個時間片組成。幀中的每個時間片是預先分配給某個數(shù)據(jù)源的，且這種關系固定不變。不論有無數(shù)據(jù)需要發(fā)送，所有數(shù)據(jù)源的時間片都會被占有；在具有N路輸入系統(tǒng)中，每個幀至少含有N個時間片。2/7/2023206.2時分多路復用（TDM）時分多路復用器S4S3S2S11234123412344路輸入信號每幀含有4個時間片幀n幀2幀12/7/2023216.2時分多路復用（TDM）交錯：同步時分多路復用器關鍵部件是高速的電子開關；當開關移動到某個設備前，該設備就有機會向公共通路傳輸規(guī)定大小的數(shù)據(jù)。開關的這種以固定的速率和固定的順序在設備間的移動過程就稱作交錯；交錯可以按bit/byte/Datablock數(shù)據(jù)復用按照交錯的長度可以分為：比特交錯法，字符交錯法和碼組交錯法。最常用的是字符交錯。2/7/2023226.2時分多路復用（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)送端接收端時分復用系統(tǒng)示意圖(t)(t)(t)(t)同步2/7/2023236.2時分多路復用（TDM）字符交錯法幀結構：

SF幀同步頭,控制信號序列CSS，Mi代表第M路信號中的第i個符號SFCSSAi…Mi2/7/2023246.2時分多路復用（TDM）TDM最典型的例子就是廣泛應用于脈沖編碼調制的技術PCM(PulseCodedModulation)PCM電話系統(tǒng)是時分多路PCM系統(tǒng)的一種最重要的應用?，F(xiàn)在PCM沒有統(tǒng)一的標準，各個國家使用了各種互不兼容的方法。北美和日本的技術：T1線路（24）ITU-T推薦的TDM標準：E1線路（30）2/7/2023252/7/2023266.2時分多路復用（TDM）語音信號300HZ—3400HZ，一般取4000HZ根據(jù)抽樣定理，抽樣周期T=1/8000HZ=0.125us復用后形成的幀應保證至少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)計時分多路復用（STDM—static）

據(jù)用戶實際需要動態(tài)地分配線路資源，因此也叫動態(tài)時分多路復用或異步時分多路復用。也就是當某一路用戶有數(shù)據(jù)要傳輸時才給它分配資源，提高線路利用率。

優(yōu)點：線路傳輸?shù)睦寐矢哌m于計算機通信中突發(fā)性或斷續(xù)性的數(shù)據(jù)傳輸缺點：每個時隙都要添加地址段2/7/2023286.3統(tǒng)計時分多路復用（STDM）

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

光纖中使用的復用方式在發(fā)送端將不同波長的信號組合起來（復用），送入到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開（解復用），恢復出原信號后送入不同的終端。構成形式：WDM系統(tǒng)基本構成主要有兩種形式：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波分復用WDM波分復用就是光的頻分復用單模光纖2.5Gbit/s→WDM2×2.5Gbit/s→DWDM8×2.5Gbit/s

82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km光調制器光解調器2/7/2023346.4波分多路復用（WDM）

WDM技術的主要特點如下：（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）各波長相互獨立，可傳輸特性不同的信號，完成各種業(yè)務信號的綜合和分離，實現(xiàn)多媒體信號的混合傳輸。（3）WDM技術使N個波長復用起來在單根光纖中傳輸，并且可以實現(xiàn)單根光纖的雙向傳輸，以節(jié)省大量的線路投資。（4）WDM技術可降低對一些器件在性能上的極高要求，同時又可實現(xiàn)大容量傳輸。（5）充分利用成熟的TDM技術，且對光纖色散無過高要求。（6）WDM的信道對數(shù)據(jù)格式是透明的，是理想的擴容手段。（7）可實現(xiàn)組網(wǎng)的靈活性、經(jīng)濟性和可靠性，并可組成全光網(wǎng)。2/7/2023356.5碼分多址復用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間重疊共用優(yōu)點：抗干擾隱蔽（頻譜類于白噪聲）容量大——GSM的幾倍（GlobalSystemforMobilecommunications，全球數(shù)字移動電話系統(tǒng)）發(fā)射功率低2/7/2023366.5碼分復用——碼片序列(chipsequence)

每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。每個站被指派一個唯一的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制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)每個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)。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。2/7/2023376.5碼分復用

——碼片序列的正交關系

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。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內積(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)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。2/7/202338任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內積值是–1。6.5碼分復用

——碼片序列的正交關系特性

2/7/202339*實際上是用m比特來表示1比特，各站的比特由此可分辯。擴頻通信：頻帶為原來m倍碼片向量的內積：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：所有碼片序列同時起止。當x站接收S信號時，便用S的碼片向量與接收的一比特混合信號求內積，結果剩下的僅僅是S信號：發(fā)1時內積結果是+1，發(fā)0時內積結果是-1。6.5碼分復用

——碼片序列的正交關系特性

2/7/2023406.5碼分復用——CDMA的工作原理

2/7/202341CDMA例2/7/2023422/7/2023432/7/2023446.6數(shù)字復接與準同步數(shù)字復接體系（PDH）數(shù)字復接的基本概念同步復接與異步復接PCM零次群和PCM高次群2/7/2023456.6.1數(shù)字復接的基本概念為了擴大數(shù)字通信的容量，可以采用兩種辦法：第一種是數(shù)字復用，通常指時分多路復用第二種是數(shù)字復接技術2/7/2023466.6.1數(shù)字復接的基本概念采用時分復用的方式能擴大的容量十分有限，傳送120路電話，就需要對120路信號分別進行8kHZ抽樣，每個抽樣值8位編碼，傳碼率為8000*120*8=7680kb/s，每個抽樣值的編碼時間只有1us，這要求有非常高的編碼速率，對電路及元、器件的精度要求高，實現(xiàn)困難。將幾個PCM復用后的信號再進行時分復用，經(jīng)過數(shù)字復用后的數(shù)碼率提高了（不需要PCM），但是對于每一個基群的編碼速度沒有提高，實現(xiàn)容易，使用廣泛2/7/2023476.6.1數(shù)字復接的基本概念數(shù)字復接：若干路低速數(shù)字信號流（低次群）合并成高速數(shù)字信號流（高次群）技術難度集中到骨干網(wǎng)上2/7/2023486.6.2數(shù)字復接系統(tǒng)構成調整：復接前須使各低次群數(shù)碼速率互相同步，同時使其符合高次群幀結構的要求。同步:分接器的定時單元須由接收到的時鐘信號驅動,并與復接器的基準時間信號保持同步(頻率、相位)。2/7/202349按位復接按位復接是每次復接各低次群（也稱為支路）的一位碼形成高次群。按字復接按字復接是每次復接各低次群（支路）的一個碼字形成高次群。PCM按幀復接6.6.3數(shù)字復接的分類2/7/2023506.6.3數(shù)字復接的分類a.同步復接用統(tǒng)一的主時鐘來控制被復接的幾個低次群，使這幾個低次群的數(shù)碼率（簡稱碼速）統(tǒng)一在主時鐘的頻率上（這樣就使幾個低次群系統(tǒng)達到同步的目的），可直接復接（復接前不必進行碼速調整）。需相位調整b.異步復接各自獨立時鐘；須頻率相位調整。c.準同步復接各路信號由不同的時鐘控制，允許在一定的范圍內有偏差。需要進行碼速調整。2/7/2023516.6.4準同步數(shù)字復接系列PDHCCITT推薦的兩類準同步數(shù)字復接：PlesiochronousDigitalHierarchy兩種規(guī)格：PCM24路1.544Mbps、PCM30／32路2.048Mbps2/7/202352ITU-TG.742推薦的正碼速調整異步復接二次群幀結構如圖所示。幀周期為100.38μs,幀長為848bit。（最少）有4×205＝820bit為信息碼（四個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。復接二次群幀結構——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）與某些傳輸介質相匹配。 （2）與某些業(yè)務種類相匹配。 （3）復接速率與其它等級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有PCM三次群、四次群、五次群等。2/7/202354PCM復接等級2/7/202355一、PDH的弱點(1)只有地區(qū)性數(shù)字信號速率和幀結構標準而無世界性標準。(2)沒有世界性的標準光接口規(guī)范，各廠家專用光接口。(3)低等級信號（如2048kbit／s，1544kbit／s）采用同步復用，多數(shù)等級信號采用異步復用，靠塞入