第四章 信道复用与数字复接

1. 第四章 信道复用与数字复接 • 在实际通信中，信道上往往允许多路信号同时传输。解决多路信号同时传输问题就是信道复用问题。将多路信号在发送端合并后通过信道进行传输，然后在接收端分开并恢复为原始各路信号的过程称为复接和分接。

2. 从理论上讲，只要各路信号分量相互正交，就能实现信道的复用。常用的复用方式有频分复用、时分复用和码分复用等。数字复接技术就是在多路复用的基础上把若干个小容量低速数据流合并成一个大容量的高速数据流，再通过高速信道传输，传到接收端再分开，完成这个数字大容量传输的过程，就是数字复接。从理论上讲，只要各路信号分量相互正交，就能实现信道的复用。常用的复用方式有频分复用、时分复用和码分复用等。数字复接技术就是在多路复用的基础上把若干个小容量低速数据流合并成一个大容量的高速数据流，再通过高速信道传输，传到接收端再分开，完成这个数字大容量传输的过程，就是数字复接。

3. 4.1频分多路复用（FDM） 4.1.1基本频分复用 • 频分多路复用是指将多路信号按频率的不同进行复接并传输的方法。多用于模拟通信中。

4. 在频分多路复用中，信道的带宽被分成若干个互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的原始信号，这个过程就是多路信号复接和分接的过程。在频分多路复用中，信道的带宽被分成若干个互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的原始信号，这个过程就是多路信号复接和分接的过程。 • 频分复用实质就是每个信号在全部时间内占用部分频率谱。

5. 图4-1（a） FDM系统原理框图

6. 图4-1（b）以=3为例的频谱图

7. 图4-1（a）是频分多路复用的系统原理框图。假设有路相似的消息信号 ， ，…， ,各消息的频谱范围为 。由系统框图可见，在系统的输入端，首先要将各路信号复接，各路输入信号先通过低通滤波器，以消除信号中的高频成分，使之变为带限信号。

8. 然后将这一带限信号分别对不同频率的载波进行调制，路载波， ，…， 称为副载波。 • 调制后的带通滤波器将各个以调波频带限制在规定的范围内，系统通过复接把各个带通滤波器的输出合并而形成总信号 。

9. 图4-1（b）是N=3以为例，使用SSB调制方式，并且设其工作在上边带时的频谱图，图中，副载波频率之间的间 隔 ， 为消息信号的频谱范围， 为邻路间隔保护频带。例如，话音通信中语音信号最高频 率 为 ， 通常采用 ，这样就可以使邻路干扰电平低于 以下，最终副载波间隔 取值为 。

10. 在某些信道中，总信号可以直接在信道中传输，这时所需的最小带宽为在某些信道中，总信号可以直接在信道中传输，这时所需的最小带宽为 • 在无线信道中，如采用微波频分复用线路，总信号还必须经过二次调制，这是所用的主载波要比副载波高的多。最后，系统把载波为 的已调波信号送入信道发送出去。

11. 在接收端，基本处理过程恰好相反。如果总信号是通过特定信道无主载波调制的，则直接经各路带通滤波器滤出相应的支路信号，然后通过副载波解调，送低通滤波器得到各路原始消息信号；如果总信号是通过主载波调制而送到信道的，则先要用主解调器把包括各路信号在内的总信号从主载波上解调下来，然后就像上述无主载波调制信号一样将总信号送入各路带通滤波器，完成原始信号的恢复。在接收端，基本处理过程恰好相反。如果总信号是通过特定信道无主载波调制的，则直接经各路带通滤波器滤出相应的支路信号，然后通过副载波解调，送低通滤波器得到各路原始消息信号；如果总信号是通过主载波调制而送到信道的，则先要用主解调器把包括各路信号在内的总信号从主载波上解调下来，然后就像上述无主载波调制信号一样将总信号送入各路带通滤波器，完成原始信号的恢复。

12. 频分多路复用就是利用各路信号在频率域上互不重叠来区分的，复用路数的多少主要取决于允许的带宽和费用，传输的路数越多，则信号传输的有效性越高。频分多路复用就是利用各路信号在频率域上互不重叠来区分的，复用路数的多少主要取决于允许的带宽和费用，传输的路数越多，则信号传输的有效性越高。

13. 频分复用的优点是复用路数多，分路方便；多路信号可同时在信道中传输，节省功率。频分复用的优点是复用路数多，分路方便；多路信号可同时在信道中传输，节省功率。 • 频分多路复用的缺点是设备庞大、复杂，路间不可避免的会出现干扰，这是系统中非线性因素引起的。

14. 4.1.2 正交频分复用（OFDM） • OFDM是多载波数字调制技术，它将数据经编码后调制为射频信号。不像常规的单载波技术，如AM/FM（调幅/调频）在某一时刻只用单一频率发送单一信号，OFDM在经过特别计算的正交频率上同时发送多路高速信号。这一结果就如同在噪声和其它干扰中突发通信一样有效利用带宽。

15.    传统的FDM（频分复用）理论将带宽分成几个子信道，中间用保护频带来降低干扰，它们同时发送数据。例如：有线电视系统和模拟无线广播等，接收机必须调谐到相应的台站。

16. OFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少得多。由于使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，且频谱可相互重叠。这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道上的数据。为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。OFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少得多。由于使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，且频谱可相互重叠。这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道上的数据。为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。

17. 正交频分复用作为一种多载波传输技术，主要应用于数字视频广播系统、MMDS（multichannel multipoint distribution service）多信道多点分布服务和WLAN服务以及下一代陆地移动通信系统。 • 图4-2单载波调制、FDM及OFDM三种方式的频谱图。

18. 图4-2 单载波调制、FDM、OFDM三种调制方式频谱比较

19. 4.2 时分多路复用（TDM） • 在数字通信系统中，模拟信号的数字传输或数字信号的多路传输一般都采用时分多路复用方式来提高系统的传输效率。

20. 4.2.1 时分复用基本原理 • 在PCM脉冲编码调制中，抽样定理告诉我们，一个频带限制在0到 以内的低通模拟信号 ，可以用时间上离散的抽样值来传输，抽样值中包含 的全部信息，当抽样频率 时，可以从已抽样的输出信号中不失真地恢复出原始信号。

21. 由于单路抽样信号在时间上离散的相邻脉冲间有很大的空隙，在空隙中插入若干路其他抽样信号，只要各路信号在时间上不重叠并能区分开，那么一个信道就有可能同时传输多路信号，达到多路复用的目的。这种多路复用称为时分多路复用（TDM）。由于单路抽样信号在时间上离散的相邻脉冲间有很大的空隙，在空隙中插入若干路其他抽样信号，只要各路信号在时间上不重叠并能区分开，那么一个信道就有可能同时传输多路信号，达到多路复用的目的。这种多路复用称为时分多路复用（TDM）。 • 下面以PAM为例说明TDM原理。假设有路PAM信号进行时分多路复用，时分多路复用示意图如图4-3所示。

22. 图4-3 TDM时分多路复用示意图

23. 各路信号首先通过相应的低通滤波器（LPF）使之变成频带受限信号，然后送到电子开关，电子开关以每 秒将各路信号依次抽样一次，这样N个样值按先后顺序错开插入抽样间隔 之内，最后得到复用信号是N个抽样信号之和，如图4-4所示。各路信号脉冲间隔为 ，各路复用信号脉冲间隔为 。由N个信号抽样构成的一组脉冲叫做一帧，一帧中相邻两个脉冲之间的时间间隔叫做时隙，未被抽样脉冲占用的时隙叫做保护时间。

24. 图4-4 路PAM信号的TDM波形

25. 在接收端，合成的多路复用信号由与发送端同步的分路转换开关区分不同路的信号，把各路信号的抽样脉冲序列分离出来，再用低通滤波器恢复各路所需要的信号。在接收端，合成的多路复用信号由与发送端同步的分路转换开关区分不同路的信号，把各路信号的抽样脉冲序列分离出来，再用低通滤波器恢复各路所需要的信号。 • 多路复用信号可以直接送到某些信道传输，或者经过调制变换成适合于某些信道传输的形式再进行传输。传输接收端的任务是将接收到的信号经过解调或经过适当的反变换恢复出原始多路复用信号。

26. 4.2.2TDM信号的带宽及相关问题 1．抽样速率 、抽样脉冲宽度 和复用路数 的关系 按 照 抽 样 定 理，抽样速率 ，以话音信 号 为 例 ， 通 常取 为 ，即 抽 样 周 期 ，抽样脉冲的宽度 要比 还小。

27. 对于路时分复用信号，在抽样周期内要顺序地插入 路抽样脉冲，而且各个脉冲间要留出一些空隙作保护时间，若取保护时间和抽样脉冲宽度相等，这样抽样脉冲的宽 度 ， 越大， 就越小，但不能太小。因此，时分复用的路数也不能太大。

28. 2．信号带宽B与路数的关系 • 时分复用信号的带宽有不同的含义。一种是信号本身具有的带宽，从理论上讲，TDM信号是一窄脉冲序列，它应具有无穷大的带宽，但其频谱的主要能量集中在 以内。因此，从传输主要能量的观点考虑

29. 从另一方面考虑，如果我们不是传输复用信号的主要能量，也不要求脉冲序列的波形不失真，只要求传输抽样脉冲序列的包络，因为抽样脉冲的信息携带在幅度上，所以，只要幅度信息没有损失，那么脉冲形状的失真就无关紧要。从另一方面考虑，如果我们不是传输复用信号的主要能量，也不要求脉冲序列的波形不失真，只要求传输抽样脉冲序列的包络，因为抽样脉冲的信息携带在幅度上，所以，只要幅度信息没有损失，那么脉冲形状的失真就无关紧要。

30. 根据抽样定律，一个频带限制在 的信号，只要有 个独立的信息抽样值，就可用带宽 的低通滤波器恢复原始信号。 个频带都是 的复用信号，它们的独立对应值为 。如果将信道表示为一个理想的低通滤波器，为了防止组合波形丢失信息，传 输带宽必须满足

31. 上式表明， 路信号时分复用时每秒 中的信息可以在 的带宽内传输。总之，带宽B与 成正比。对于话音信号，抽样速率 一般取 ，因此，路数 越大，带宽B就越大。

32. 3．时分复用信号仍是基带信号 • 时分复用后得到的总和仍然是基带信号，只不过这个总合信号的脉冲速率是单路抽样信号的 倍，即 • 这个信号可以通过基带传输系统直接传输，也可以经过频带调制后在频带传输信道中进行传输。

33. 4．时分复用系统必须严格同步 • 在TDM系统中，发送端的转换开关与接收端的分路开关要严格同步，否则系统就会出现紊乱。具体同步方法有位同步、帧同步及网同步等。

34. 4.2.3 TDM与FDM 的比较 1．复用原理 • FDM是用频率来区分同一信道上同时传输的信号，各信号在频域上是分开的，而在时域上是混叠在一起的。

35. TDM是在时间上区分同一信道上传输的信号，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠在一起的。TDM是在时间上区分同一信道上传输的信号，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠在一起的。 • FDM与TDM各路信号在频谱和时间上的特性比较如图4-5所示。

36. （a）FDM (b) TDM 图4-5 FDM与TDM特性比较

37. 2．设备复杂性 • 就复用部分而言，FDM设备相对简单，TDM设备较为复杂；就分路部分而言，TDM信号的复用和分路都是采用数字电路来实现的，通用性和一致性较好，比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠，而且TDM中的所有滤波器都是相同的滤波器。FDM中要用到不同的载波和不同的带通滤波器，因而滤波设备相对复杂。

38. 3.信号间干扰 • 在FDM系统中，信道的非线性会在系统中产生交调失真和高次谐波，引起话间串扰，因此，FDM对线性的要求比单路通信时要严格得多；在TDM系统中，多路信号在时间上是分开的，因此，对线性的要求与单路通信时一样，对信道的非线性失真要求可降低，系统中各路间串话比FDM的要小。

39. 4．传输带宽 • 从前面关于FDM及TDM对信道传输带宽的分析可知，两种系统的带宽是一样的，N路复用时对信道带宽的要求都是单路的N倍。

40. 4．3 时分复用的PCM系统 4.3.1 PCM时分多路通信系统的构成 • 由对信号的抽样过程可知，抽样的一个重要特点是信号占用时间的有限性，这就可以使得多路信号的抽样值在时间上互不重叠。

41. 当多路信号在信道上传输时，各路信号的抽样只是周期地占用抽样间隔的一部分，因此在分时使用信道的基础上，可以用一个信源信息的相邻样值之间的空闲时间区段来传输其他多个彼此无关的信源信息，这样便构成了时分多路复用通信。当多路信号在信道上传输时，各路信号的抽样只是周期地占用抽样间隔的一部分，因此在分时使用信道的基础上，可以用一个信源信息的相邻样值之间的空闲时间区段来传输其他多个彼此无关的信源信息，这样便构成了时分多路复用通信。 • PCM时分多路复用通信系统的构成如图4-6所示，图中只画出3路信号复用情况。下面来分析时分复用系统的工作原理。

42. 图4-6 PCM时分多路复用通信系统框图

43. 为了避免抽样后的PAM信号产生折叠噪声，各路话音信号需首先经过一个低通滤波器。低通滤波器的截止频率为 ，这样各路话音信号的频率就被限制在 之内，高于 的信号频率不会通过。3个话路信号分别用 、 和 来表示， 经各抽样门进行抽样。

44. 在实际应用中，抽样周期间隔取为 ，抽样频率 ，对应各路话音信号的抽样脉冲用 、 和 来表示。抽样时，各路抽样脉冲出现的时刻依次错后，抽样后各路话音信号的抽样值在时间上是分开的，从而达到了多个话路复用的目的。

45. 抽样之后要进行编码。由于编码需要一定时间，为了保证编码的精度，要求将各路抽样值进行展宽并占满整个时隙。为此要将合路后的PAM信号送到保持电路，保持电路将每一个样值记忆一个路时隙的时间进行展宽，然后经过量化编码变成PCM信码，每一路的码字依次占用一个路时隙。抽样之后要进行编码。由于编码需要一定时间，为了保证编码的精度，要求将各路抽样值进行展宽并占满整个时隙。为此要将合路后的PAM信号送到保持电路，保持电路将每一个样值记忆一个路时隙的时间进行展宽，然后经过量化编码变成PCM信码，每一路的码字依次占用一个路时隙。

46. 在接收端，经过解码将多路信号还原成合路的PAM信号。这时会有一些量化误差。由于解码是在一路码字都到齐后才解码成原抽样值，所以信号恢复后在时间上会推迟一些。最后通过分路门电路将合路的PAM信号分开，并分配至相应的各路中去。各路信号再经过低通滤波器重建，最终近似的恢复为原始的话音信号。在接收端，经过解码将多路信号还原成合路的PAM信号。这时会有一些量化误差。由于解码是在一路码字都到齐后才解码成原抽样值，所以信号恢复后在时间上会推迟一些。最后通过分路门电路将合路的PAM信号分开，并分配至相应的各路中去。各路信号再经过低通滤波器重建，最终近似的恢复为原始的话音信号。

47. 下面介绍几个基本概念： • 帧：抽样时各路信号每轮一次抽样的总时间（即开关旋转一周的时间），也就是一个抽样周期，这一时间内的全部信号构成的“图案”称为一帧。 • 路时隙：合路的PAM信号每个样值编码所允许占用的时间间隔。 • 位时隙：1位码占用的时间。

48. 4.3.2 时分多路复用系统中的位同步 • 数字传输的同步是指接收端设备数字速率跟踪发送端设备数字速率协调地工作，称为接收同步。为了保证在接收端能正确的接收每1比特，并能正确地区分每一路话音信号，时分多路复用系统中的收端和发端的同步应包括位同步（即比特同步）和帧同步。

49. 位同步就是码元同步。在PCM多路复用系统中，各类信号的传输与处理都是在规定的时间内进行的。例如，发送端各话路的模拟信号要按照固定顺序在指定的信道时隙内轮流进行抽样、逐位进行编码，然后再按照严格的时序规定，在帧同步时隙位置插入帧同步信号，在信令时隙位置插入信令信号进行传输；在接收端也必须按严格的时序规定进行反变换，才能恢复出与发送端一致的模拟信号。位同步就是码元同步。在PCM多路复用系统中，各类信号的传输与处理都是在规定的时间内进行的。例如，发送端各话路的模拟信号要按照固定顺序在指定的信道时隙内轮流进行抽样、逐位进行编码，然后再按照严格的时序规定，在帧同步时隙位置插入帧同步信号，在信令时隙位置插入信令信号进行传输；在接收端也必须按严格的时序规定进行反变换，才能恢复出与发送端一致的模拟信号。

50. 否则会产生滑动，并导致误码，使通信无法进行。所以收端和发端都要有时钟信号进行统一的控制，这项任务由定时系统来完成。由定时系统产生各种定时脉冲，对上述过程进行统一指挥和统一控制，以保证收端和发端按照相同的时间规律正常地工作。否则会产生滑动，并导致误码，使通信无法进行。所以收端和发端都要有时钟信号进行统一的控制，这项任务由定时系统来完成。由定时系统产生各种定时脉冲，对上述过程进行统一指挥和统一控制，以保证收端和发端按照相同的时间规律正常地工作。