計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用 課件 模塊三：主題4信道復(fù)用技術(shù)

構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)高速公路-數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用課前回顧課前評估信道是信號在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ溃赏ㄐ啪€路及通信設(shè)備組成。通信工程中用于架設(shè)通信線路的費(fèi)用相當(dāng)高，人們必須充分利用信道的容量；無論在廣域網(wǎng)還是局域網(wǎng)中，實(shí)際傳輸速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于信道容量。因此，需要提高信道的__________。如何做到這一點(diǎn)呢？我們將通信信道和高速公路類比，如圖所示，在一條物理信道上建立多條邏輯信道，而每一條邏輯信道上只允許一路信號通過。課前評估信道復(fù)用：把多個不同的信號同時在一條傳輸線路上進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用會增加通信成本，如復(fù)用器、分用器以及費(fèi)用較高的大容量信道，我們?yōu)槭裁催€要使用信道復(fù)用技術(shù)呢？課前評估信道復(fù)用帶來的好處。提高信道的數(shù)據(jù)傳輸率和頻帶利用率，提高系統(tǒng)的性價比；降低設(shè)備費(fèi)用，節(jié)省傳輸線路；提高信息傳輸?shù)男剩岣呦到y(tǒng)的工作效率。課前評估信道復(fù)用方法信道復(fù)用方法頻分多路復(fù)用FDM：按頻率劃分不同的信道時分多路復(fù)用TDM：按時間劃分不同的信道波分多路復(fù)用WDM：按波長劃分不同的信道碼分多路復(fù)用CDM：按地址碼劃分不同的信道主題4：信道復(fù)用技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)本節(jié)目標(biāo)1. 了解信道復(fù)用技術(shù)的作用。2. 理解頻分多路復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用場合。3. 掌握時分多路復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用場合。了解波分多路復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用場合。了解碼分多路復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用場合。通過光的波分復(fù)用技術(shù)的學(xué)習(xí)，結(jié)合現(xiàn)代社會分工越來越精細(xì)的現(xiàn)狀，讓學(xué)生明白很多事情都不可能一個人單獨(dú)完成的道理，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揚(yáng)“團(tuán)結(jié)就是力量”精神。素質(zhì)目標(biāo)技能目標(biāo)能夠安裝和使用網(wǎng)絡(luò)模擬器頻分多路復(fù)用9

FDM，類似于高速公路被劃分為多個車道一樣，所有用戶同時占用不同的頻帶資源并行通信。頻分多路復(fù)用10

在FDM中，各路信號以不同的載波頻率進(jìn)行調(diào)制，各路信號所占用的頻帶不相互重疊，相鄰信號之問有保護(hù)頻道，以防止多路信號之間的互相干擾。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5頻分多路復(fù)用11

請根據(jù)頻分復(fù)用的原則，將下列3路電話信號進(jìn)行復(fù)用，（）方法，實(shí)現(xiàn)在一條電話線路上同時進(jìn)行3路電話用戶。AB頻分多路復(fù)用12

請根據(jù)下圖，說一說頻分復(fù)多路用的特點(diǎn)。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4

B用戶

C用戶

D用戶

E用戶頻率5

A用戶所有用戶在相同（），占用（）頻帶資源。A.相同B.不同C.時間D.頻帶頻分多路復(fù)用13

頻分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用。（1）無線廣播（2）衛(wèi)星通信（3）無線局域網(wǎng)時分多路復(fù)用14

TDM，所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶BDDDAABCCCBDATDM幀TDM幀TDM幀

TDM幀CB周期性出現(xiàn)TDM

幀頻率時間A………時分多路復(fù)用15

根據(jù)下圖，關(guān)于時分多路復(fù)用的說法，你認(rèn)同的是（）。A.將信道用于傳輸?shù)臅r間劃分為若干個時間片。B.每個用戶可分得一個時間片，輪流占用每個時間片。C.每個用戶只在自己的時間片，占有信道的全部帶寬。D.將信道用于傳輸?shù)念l率為若干個頻段。頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分多路復(fù)用16

分類：同步時分多路復(fù)用STDM和異步時分多路復(fù)用ATDM

同步時分多路復(fù)用（SynchronousTDM，STDM）：將時間片預(yù)先分配給各個信道，并且時間片固定不變，因此各個信道的發(fā)送與接收必須是同步的。ABCDaabbcdbcattttt4個時分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時分復(fù)用#2#3#4用戶同步時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費(fèi)。時分多路復(fù)用17

分類：同步時分多路復(fù)用STDM和異步時分多路復(fù)用ATDM

異步時分多路復(fù)用（AsynchronousTDM，ATDM）：時間片是按需動態(tài)分配的，即在輸入端有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才分配時間片；并且傳輸介質(zhì)的傳輸帶寬只要不低于各個信道上信號的平均數(shù)據(jù)傳輸速率之和即可，這樣就提高了傳輸介質(zhì)的利用率。用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復(fù)用時分多路復(fù)用18

應(yīng)用（3）衛(wèi)星通信（1）數(shù)字電話通信（2）2G移動通信時分多路復(fù)用19

例題[3-1]：10個用戶使用TDM或FDM共享8Mbit/s的信道，使用TDM的每個用戶以一個固定的順序輪流使用整條信道的全部帶寬1ms，當(dāng)用戶要傳輸一個3000B大小的數(shù)據(jù)時，使用哪種復(fù)用技術(shù)具有更低的時延？該時延是多少？分析：解決本題的關(guān)鍵是理解FDM采用并行傳輸；TDM采用輪詢的方式傳輸。(1)采用TDM，信道帶寬平均分配給10個用戶，每個用戶使用的帶寬是0.8Mbit/s，傳輸完成3000B的數(shù)據(jù)需要的時延dTDM=3000B÷0.8Mbit/s=0.03s=30ms。(2)使用FDM，在1ms內(nèi)，以8Mbit/s的速度數(shù)據(jù)，可以發(fā)送的數(shù)據(jù)為1ms×8Mbit/s=1000B。所以，需要3ms才能發(fā)送完3000B數(shù)據(jù)。如果傳輸數(shù)據(jù)時，剛好輪到自己傳輸數(shù)據(jù)，需要等待9×1ms=9ms，才第2次輪到自己發(fā)送數(shù)據(jù)，再等待9ms后，第3次輪到自己自己發(fā)送數(shù)據(jù)，故用戶完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)目倳r延dFDM=3ms+2×9ms=21ms。由于dTDM=30ms>dFDM=21ms，所以FDM的時延更低。波分多路復(fù)用20

WDM是指在一根光纖上能同時傳送多個不同波長的光載波復(fù)用技術(shù)。相當(dāng)于光的FDM。光纖1中的光束波長λ1光纖2中的光束波長λ2光柵光柵合成光束共享光纖光纖1波譜波長λ1光纖2波譜波長λ2光纖1波譜波長λ1光纖2波譜波長λ2波分多路復(fù)用為什么光載波要使用C波段（波長范圍是1.530～1.565μm）。其衰減小，可進(jìn)行全光放大。物理帶寬大。B=fmax–fmin

=(C÷λmin)-=(C÷λmax)=(3×108m/s÷(1.530μm))-(3×108m/s÷(1.565μm))=4.38THz波分多路復(fù)用目前可以在一根光纖上復(fù)用80路或更多路的光載波信號。因此，這種復(fù)用技術(shù)也稱為密集波分復(fù)用DWDM。課堂小結(jié)23

帶寬受限時間受限是否存在同時共享帶寬和時間的動態(tài)復(fù)用技術(shù)？碼分多路復(fù)用24

碼分復(fù)用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）是將多個數(shù)據(jù)信號組合在一起在公共頻帶上傳輸，它既共享信道的頻率，也共享時間，是一種真正的動態(tài)復(fù)用技術(shù)。當(dāng)CDM技術(shù)被不同地址的多個主機(jī)所使用時，就被稱為碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾（抗干擾能力強(qiáng)）。CDMA讓接入共享傳輸媒體的所有主機(jī)在同一時間使用傳輸媒體相同的頻帶碼分多路復(fù)用25

CDM的工作原理碼片是將每一個比特時間劃分為m個更短的間隔。每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列供各用戶使用。例如，7bit碼片序列是1100100。按照慣例，將0記做-1，將1記做+1。

S站的碼片序列為(+1+1-1-1+1-1-1)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)送該碼片的二進(jìn)制反碼。發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列1100100，發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列0011011。110ttm

個碼片t碼分多路復(fù)用26

CDM的特性兩個不同站的碼片序列正交。任何一個碼片向量和碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積為1。任何一個碼片向量和該碼片的反碼向量的規(guī)格化內(nèi)積為-1。

碼分多路復(fù)用27

假設(shè)CDM系統(tǒng)中有3個工作站Sa、Sb、Sc，它們的碼片序列分別為：+1-1+1-1、+1+1-1-1和+1-1-1+1。某個時刻，Sa、Sb、Sc

分別發(fā)送1、不發(fā)送和發(fā)送0。（1）此時的碼分復(fù)用信號是什么？（2）接收端收到復(fù)用信號后，解復(fù)用驗(yàn)證3個工作站發(fā)送的原始比特是什么？

手機(jī)Sa手機(jī)Sb手機(jī)Sc基站知道各手機(jī)的碼片序列給手機(jī)Sa發(fā)送比特1給手機(jī)Sc發(fā)送比特0

各手機(jī)用自己的碼片向量與收到的疊加后的碼片向量，做規(guī)格化內(nèi)積運(yùn)算：

運(yùn)算結(jié)果為1，表明收到的是比特1運(yùn)算結(jié)果為0，表明沒有收到信息運(yùn)算結(jié)果為-1，表明收到的是比特0碼分多路復(fù)用28

假設(shè)CDM系統(tǒng)中有3個工作站Sa、Sb、Sc，它們的碼片序列分別為：+1-1+1-1、+1+1-1-1和+1-1-1+1。某個時刻，Sa、Sb、Sc

分別發(fā)送1、不發(fā)送和發(fā)送0。（3）如果在某3個連續(xù)的比特時間收到的復(fù)用信號是00+2-20-2+20-1+1-1+1，則Sa發(fā)送的比特是什么?

手機(jī)Sa手機(jī)Sb手機(jī)Sc基站知道各手機(jī)的碼片序列給手機(jī)Sa發(fā)送比特110（

00+2-20-2+20-1+1-1+1）+1-1+1-1+1+1-1-1+1-1-1+1手機(jī)Sa收到基站發(fā)來的疊加后的信號，就用自己的碼片向量與收到的疊加后的碼片向量，做規(guī)格化內(nèi)積運(yùn)算：

根據(jù)運(yùn)算結(jié)果可知：手機(jī)Sa收到基站發(fā)來的數(shù)據(jù)是比特串110。碼分多路復(fù)用29

碼分復(fù)用最初是用于軍事通信，因?yàn)檫@種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力曾經(jīng)熟悉的名詞CDMA，沒有繼續(xù)續(xù)寫輝煌

多路復(fù)用技術(shù)30

考研考點(diǎn)：全國統(tǒng)考涉及，院校自主命題未涉及1．將物理信道的總頻帶寬分割成若干子信道，每個子信道傳輸一路信號，這種信道復(fù)用技術(shù)是( )。A.空分復(fù)用 B.時分復(fù)用 C.碼分復(fù)用 D.頻分復(fù)用2．

TDM所用傳輸介質(zhì)的性質(zhì)是( )。A.介質(zhì)的帶寬大于結(jié)合信號的位速率

B.介質(zhì)的帶寬小于單個信號的帶寬C.介質(zhì)的位速率小于最小信號的帶寬 D.介質(zhì)的位速率大于單個信號的位速率3

．從表面上看，F(xiàn)DM比TDM能更好地利用信道的傳輸能力，但現(xiàn)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)更多地使用TDM而非FDM，其原因是（

）。A.FDM實(shí)際能力