第八章多路复用技术

第八章多路复用技术 龚小红福建工程学院

多路复用的概念 • 多路复用技术是将多个信源的彼此无关的信号，组合在一条物理信道上进行传送的技术。 • 多路复用的目的是充分利用昂贵的通信线路，尽可能地容纳较多的用户传输较多的信息。 • 常用的多路复用技术有：频分多路复用( FDM，Frequency Division Multiplexing）、时分多路复用（TDM，Time Division Multiplexing）、波分多路复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）和码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）

第八章多路复用技术 • 频分多路复用 • 时分多路复用 • 数字复接技术 • 其它复用技术

频分多路复用技术 f 频带 5 频带4 频带 3 频带 2 频带 1 t • 所谓频分复用(Frequencydivision Multiplexing，FDM)是指按照频率的不同来区分多路信号的方法。 • 在频分复用中，传输信道的频带被分成若干个相互不重叠的频段，每个频段构成一个子信道，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以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信号。按频域分割信道

频分复用系统的工作原理 CH1 LPF1 调制器1 BPF1 BPF1 解调器1 LPF1 CH2 LPF2 调制器2 BPF1 相加器信道 BPF2 解调器2 LPF2 …… …… CHn LPFn 调制器n BPF1 BPFn 解调器n LPFn • 在发送端，各路基带信号首先通过低通滤波器(LPF)限制基带信号的带宽，避免它们的频谱出现相互混叠。 • 然后，各路信号分别对各自的载波进行调制、合成后送入信道传输。 • 在接收端，分别采用不同中心频率的带通滤波器(BPF)分离出各路已调信号，解调后恢复出基带信号。

注意频分复用器频分复用器 S1 f1 S2 f2 S3 f3 • 频分复用是利用各路信号在频率域不相互重叠来区分的。若相邻信号之间产生相互干扰，将会使输出信号产生失真。 • 为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应合理选择载波频率f1, f2, …, fn，并使各路已调信号频谱之间留有一定的保护带。保护带

频分多路复用技术示例 300 3400 三路音频模拟信号复用一个带宽为12KHz的物理信道：

频分多路复用技术的特点 • 频分多路复用使信道在同一时刻能同时独立传送多路信号，每路信号占用不同的频带； • 在线路上传输的是各路信号经过调制后的叠加在一起的复合信号。 • 频分多路复用技术适用于宽带网络。要求传输介质的可用带宽超过各路信源所需带宽的总和：B＞∑fi • 优点：原理简单、技术成熟、系统效率高、信道的频带利用率高。 • 缺点：要求信道的非线性失真小。

时分多路复用技术 时分复用器时分复用器 S1 S2 S1 S3 S2 S1 S3 S2 S1 S3 t1 t3 t2 t1 t3 t2 t1 • 时分复用(Timedivision Multiplexing-TDM)是利用各信号的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法。 • 时分复用把信道用于传输的时间划分为许多时间片(TS:Time Slot)，各路信号依次轮流占用一个时间片进行传输。按时域分割信道

时分多路复用技术的特点 • 当物理信道可支持的位传输速率足够快时，可以将信道的传输时间划分成若干时隙，并将各时隙轮流地分配给各路信号，使若干路信号合用单一的通信媒体，时间域上互不重叠。 • 时分多路复用技术要求传输介质支持的最大数据传输速率超过各路信源所要求的数据传输速率的总和。 • 任一瞬间只有一路信号占用线路，但每个信号都占用整个频带。多路信号分时地在信道内传送。 • 时分多路复用技术既可用于基带局域网，也可用于宽带网络。

TDM与FDM的比较 1. 关于复用原理 • 在FDM系统中，各信号在频域上是分开的，而在时域上是混叠在一起的； • 在TDM系统中，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠在一起的。

TDM与FDM的比较 2. 关于设备复杂性 • 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的滤波器比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。 • 总的比较，TDM的设备要简单些。

TDM与FDM的比较 3. 关于信号间干扰 • 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的一样，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。

时分多路复用技术的分类 • 同步时分多路复用：分配给每个数据源的时间片是固定的，各个数据源的时间片不可互相转让。 • 异步时分多路复用：允许动态地分配时间片，各个数据源的时间片空闲时可以转让。也称为统计时分多路复用。

同步TDM(Synchronous TDM)

TDM, 复用(Multiplexing)

TDM, 分用(Demultiplexing)

异步TDM(Asynchronous TDM)

时分复用的PCM系统

PCM基群帧结构 • 目前国际上推荐的PCM基群有两种标准：PCM30/32路(A律压扩特性)制式和PCM24路(μ律压扩特性)制式。 • 国际通信时，规定以A律压扩特性为标准。我国规定采用PCM30/32路制式。 • PCM30/32路制式基群帧结构共由32路组成，其中30路用来传输用户话语，2路用作勤务。 • 标准电话的最高频率是3.4kHz，每条话路占用4kHz。 • 根据奈奎斯定理，每路话音信号采样速率fs=8000Hz，故对应的每帧时间间隔为T=1/fs=125 μs。

PCM 30/32路制式基群帧结构

PCM 30/32路制式基群帧结构 • 在PCM30/32路的制式中，一帧有32个时隙，每个时隙为125/32=3.9 μs，各个时隙从0到31顺序编号，分别记作TS0，TSl，TS2， …，TS31。 • ① TS1~TS15、TS17~TS31为30个话路时隙。 • ② TS0为帧同步码，监视码时隙。  • ③ TS16为信令(振铃、占线、摘机……等各种标志信号)时隙。 • 每个话路时隙包含8位码，一帧共包含256个比特。信息传输速率为：fb=8000［(30+2)×8］=2.048Mb/s

帧与复帧结构 • 帧同步码组为X0011011，它插入在偶数帧的TS0时隙，其中第一位码“X”保留作国际电话间通信用。接收端识别出帧同步码组后，即可建立正确的路序。  • TS16为信令时隙，插入各话路的信令。在传送话路信令时，若将TS16所包含的总比特率集中起来使用，则称为共路信令传送；若将TS16按规定的时间顺序分配给各个话路，直接传送各话路所需的信令，则称为随路信令传送。  • 当采用共路信令传送方式时，必须将16个帧构成一个更大的帧，称为复帧。复帧的重复频率为500Hz，周期为 2 ms，复帧中各帧顺次编号为F0，F1， …， F15。

PCM24路制式基群帧结构 • PCM24路制式基群帧结构由24路组成。 • 每路话音信号抽样速率fs=8000Hz，每帧时间间隔为125μs。一帧共有24个时隙。 • 各个时隙从0到23顺序编号，分别记作TS0，TS1，TS2， …， TS23，这24个路时隙用来传送24路电话信号的8位编码码组。 • 为了提供帧同步，在TS23路时隙后插入1比特帧同步位(第193比特)。这样，每帧时间间隔125μs，共包含193个比特。信息传输速率为：fb=8000(24×8+1)=1.544Mb/s

PCM24路制式帧结构 • PCM24路制式与PCM30/32路制式的帧结构不同， 12帧构成一个复帧，复帧周期为1.5 ms。 • 12帧中奇数帧的第193比特构成101010帧同步码组。而偶数帧的第193比特构成复帧同步码000111。这种帧结构同步建立时间要比PCM30/32帧结构长。

数字复接技术 • 在数字通信系统中，为了扩大传输容量，通常将若干个低等级的支路比特流汇集成一个高等级的比特流在信道中传输。 • 这种将若干个低等级的支路比特流合成为高等级比特流的过程称为数字复接。完成复接功能的设备称为数字复接器。 • 在接收端，需要将复合数字信号分离成各支路信号，该过程称为数字分接，完成分接功能的设备称为数字分接器。 • 由于在时分多路数字电话系统中每帧长度为125μs，因此，传输的路数越多，每比特占用的时间就越少，实现的技术难度也就越高。

数字复接原理 • 数字复接实质上是对数字信号的时分多路复用。 • 数字复接设备由数字复接器和数字分接器组成。数字复接器将若干个低等级的支路信号按时分复用的方式合并为一个高等级的合路信号。数字分接器将一个高等级的合路信号分解为原来的低等级支路信号。 • 在数字复接中，如果复接器输入端的各支路信号与本机定时信号是同步的，则称为同步复接器；如果不是同步的，则称为异步复接器。如果输入各支路数字信号与本机定时信号标称速率相同，但实际上有一个很小的容差，这种复接器称为准同步复接器。

数字复接系统原理图

数字复接原理 • 在数字复接器中，码速调整单元对输入各支路信号的速率和相位进行必要的调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号，使输入到复接单元的各支路信号同步。定时单元受内部时钟或外部时钟控制，产生复接需要的各种定时控制信号。调整单元及复接单元受定时单元控制。 • 在分接器中，合路数字信号和相应的时钟同时送给分接器。分接器的定时单元受合路时钟控制，因此它的工作节拍与复接器定时单元同步。同步单元从合路信号中提出帧同步信号，用它再去控制分接器定时单元。恢复单元把分解出的数字信号恢复出来。

PCM高次群 • PCM30/32路与PCM24路时分多路数字电话系统，称为数字基群或一次群。 • 如果要传输更多路的数字电话，则需要将若干个一次群数字信号通过数字复接设备复合成二次群，二次群复合成三次群等。 • 我国和欧洲各国采用以PCM30/32路制式为基础的高次群复合方式，北美和日本采用以PCM24路制式为基础的高次群复合方式。

数字复接产生高次群

波分多路复用技术 • 原理：利用波分复用设备（如衍射光栅）将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上。在接收方，采用相同设备分离不同波长的光。 • 波分多路复用（WDM-Wave Division Multiplexing ）实质上就是光的频分复用，它利用了光具有不同的波长的特征。

波分复用技术的应用 • 在光纤通信中，为了实现长距离范围的高速传输，通常采用波分复用技术和光纤放大器。 • 目前的掺铒光纤放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)不需要进行光电转换，可直接对光信号进行放大，并且在1550nm波长附近有35nm(即4.2THz)频带范围可提供均匀的、最高可达40～50dB的增益。 • 两个光纤放大器之间的线路长度可达120km，而光复用器和分用器之间的无光电转换的距离可达600km(只需放入4个光纤放大器)。

波分多路复用之例 设：一根单模光纤传输一路信号的数据传输速率为2.5Gb/s 。 8路传输速率为2.5Gb/s的光载波的总速率=8×2.5Gb/s=20Gb/s。掺铒光纤放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)

密集波分复用 • 在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用(DWDM-Dense Wavelength Division Multiplexing) ； • 对于具有100根速率为 2.5 Gb/s光纤的光缆，采用16倍的密集波分复用技术，可以实现的总数据传输速率达4Tb/s。（1T=1012）

码分多路复用技术 • 码分多路复用(CDMA，Code Division Multiplexing Access)是按照码型结构的不同来区分各路用户信号，也称为码分多址。 • 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。 • 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 • 可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量(是使用GSM的4～5倍)，降低手机的平均发射功率等等。

码片序列(chip sequence) • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 • 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。 • 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 • 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 • 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 • 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， • 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。

CDMA 的重要特点 • 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。 • 令向量 S 表示S站的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量，S’和T’分别表示各自码片序列的反码，则S 和T应满足下列关系： • S·T=0， S·T’=0， S· S’=-1 ，S· S=1 • 在实用的系统中是使用伪随机码序列，例如： • S 站的码片序列：(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) ， • T 站的码片序列：(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) 。

码片序列的正交关系 • 两个不同站的码片序列正交，则向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0： • 任何一个码片向量和它自己的规格化内积都是1 。 • 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

第八章 多路复用技术