通信原理教程多路复用和多址技术课件

1、通信原理教程多路复用和多址技术1 多路复用多路复用 n目的：在一条链路上传输多路独立信号目的：在一条链路上传输多路独立信号 n基本原理：正交划分方法基本原理：正交划分方法 n3 3种多路复用基本方法：种多路复用基本方法： 频分复用（频分复用（FDMFDM）、时分复用（）、时分复用（TDMTDM）、码分复用（）、码分复用（CDMCDM） 通信原理教程多路复用和多址技术2 n3 3种多路复用新方法：种多路复用新方法： 空分复用空分复用(SDW)(SDW)、极化复用、极化复用(PDW)(PDW)、波分复用、波分复用(WDM)(WDM) 复接复接 n目的：解决来自若干条链路的多路信号的合并和区分。目的

2、：解决来自若干条链路的多路信号的合并和区分。 n关键技术问题关键技术问题 多路多路TDMTDM信号时钟的统一和定时问题。信号时钟的统一和定时问题。 多址接入多址接入 n目的：多个用户共享信道、动态分配网络资源。目的：多个用户共享信道、动态分配网络资源。 n方法：频分多址、时分多址、码分多址、空分多址、极化方法：频分多址、时分多址、码分多址、空分多址、极化 多址以及其他利用信号统计特性复用的多址技术等。多址以及其他利用信号统计特性复用的多址技术等。 通信原理教程多路复用和多址技术3 方法：采用方法：采用SSBSSB调制搬移频谱，以节省频带。调制搬移频谱，以节省频带。 3 3路频分复用电话通信系统

3、原理路频分复用电话通信系统原理 通信原理教程多路复用和多址技术4 通信原理教程多路复用和多址技术5 国际电信联盟国际电信联盟(ITU)(ITU)建议：建议： n基群基群 1212路，占用路，占用48 kHz48 kHz带宽，位于带宽，位于12 12 60kHz60kHz之间；之间； n超群超群 6060路，由路，由5 5个基群组成，占用个基群组成，占用240 kHz240 kHz的带宽；的带宽； n主群主群 600600路，由路，由1010个超群组成。个超群组成。 频分复用的主要缺点：频分复用的主要缺点： n要求系统的非线性失真很小，否则将因非线性失真而产生要求系统的非线性失真很小，否则将因非

4、线性失真而产生 各路信号间的互相干扰；各路信号间的互相干扰； n用硬件实现时，设备的生产技术较为复杂，特别是滤波器用硬件实现时，设备的生产技术较为复杂，特别是滤波器 的制作和调试较繁难；的制作和调试较繁难； n成本较高。成本较高。 通信原理教程多路复用和多址技术6 基本原理：见右图基本原理：见右图 通信原理教程多路复用和多址技术7 基本条件：基本条件： n各路信号必须组成为帧。各路信号必须组成为帧。 n一帧应分为若干时隙。一帧应分为若干时隙。 n在帧结构中必须有帧同步码。在帧结构中必须有帧同步码。 n当各路信号不是用同一时钟抽样时，必须容许各路输入当各路信号不是用同一时钟抽样时，必须容许各路输

5、入 信号的抽样速率（时钟）有少许误差。信号的抽样速率（时钟）有少许误差。 主要优点：主要优点： n便于信号的数字化和实现数字通信。便于信号的数字化和实现数字通信。 n制造调试较易，更适合采用集成电路实现。制造调试较易，更适合采用集成电路实现。 n生产成本较低，具有价格优势。生产成本较低，具有价格优势。 国际电信联盟国际电信联盟(ITU)(ITU)建议：建议： n准同步数字体系准同步数字体系PDH PDH n 同步数字体系同步数字体系 SDHSDH 通信原理教程多路复用和多址技术8 层次层次比特率（比特率（Mb/s）路数（路路数（路 64kb/s） E 体 系 E - 12.04830 E -

6、28.448120 E - 334.368480 E - 4139.2641920 E - 5565.1487680 T 体 系 T - 11.54424 T - 26.31296 T - 332.064（日本）480 44.736（北美）672 T 497.728（日本）1440 274.176（北美）4032 T5397.200（日本）5760 560.160（北美）8064 通信原理教程多路复用和多址技术9 E E体系结构图体系结构图 通信原理教程多路复用和多址技术10 PCM PCM 一次群的帧结构：一次群的帧结构： 通信原理教程多路复用和多址技术11 随路信令：随路信令： 帧比特 1

7、2345678 F00000 xyxX F1CH1CH16 F2CH2CH17 F3CH3CH18 F15CH15CH30 通信原理教程多路复用和多址技术12 9.3.2 9.3.2 复接与码速调整复接与码速调整 复接复接 n目的：解决来自若干条链路的多路信号的合并和区分。目的：解决来自若干条链路的多路信号的合并和区分。 n将低次群合并成高次群的过程称为复接；反之，将高次群将低次群合并成高次群的过程称为复接；反之，将高次群 分解为低次群的过程称为分接。分解为低次群的过程称为分接。 n关键技术问题关键技术问题 多路多路TDMTDM信号时钟的统一和定时问题。信号时钟的统一和定时问题。 码速调整码速

8、调整 n低次群合成高次群时，需要将低次群信号的时钟调整一致，低次群合成高次群时，需要将低次群信号的时钟调整一致， 再作合并。再作合并。 n为此，要增加一些开销。为此，要增加一些开销。 例如，一次群的速率是例如，一次群的速率是2.048Mb/s2.048Mb/s，4 4路一次群的路一次群的 总速率应该是总速率应该是8.192Mb/s8.192Mb/s，但是实际上二次群的速率是，但是实际上二次群的速率是 8.448 Mb/s8.448 Mb/s，这额外的，这额外的256kb/s256kb/s中就包括码速调整所需的开中就包括码速调整所需的开 销。销。 n码速调整的方案：有多种码速调整的方案：有多种

9、正码速调整、负码速调整、正正码速调整、负码速调整、正/ /负码速调整、负码速调整、 通信原理教程多路复用和多址技术13 正码速调整法：正码速调整法： n原理：复接设备对各路输入信号抽样时，抽样速率比各路原理：复接设备对各路输入信号抽样时，抽样速率比各路 码元速率略高。出现重复抽样的情况时，需减少一次抽样，码元速率略高。出现重复抽样的情况时，需减少一次抽样， 或将所抽样值舍去。或将所抽样值舍去。 通信原理教程多路复用和多址技术14 支路比特率(kb/s)2048 支路数4 帧结构比特数 帧同步码 (1111010000) 向远端数字复用设备送告警信号 为国内通信保留 自支路来的比特 码速调整控制

10、比特Cj1 (见注) 自支路来的比特 码速调整控制比特Cj2 (见注) 自支路来的比特 码速调整控制比Cj3 (见注) 用于码速调整的比特 自支路来的比特 第I组 第1至10 b 第11 b 第12 b 第13至212 b 第II组 第1至4 b 第5至212 b 第III组 第1至4 b 第5至212 b 第IV组 第1至4 b 第5至8 b 第9至212 b 帧长 每支路比特数 每支路最大码速调整速率 标称码速调整比 848 b 206 b 10 kb/s 0.424 nITUITU建议的建议的 8.448Mb/s8.448Mb/s二次群的复接帧结构二次群的复接帧结构 通信原理教程多路复用

11、和多址技术15 复接帧结构图复接帧结构图 通信原理教程多路复用和多址技术16 9.3.3 同步数字体系同步数字体系(SDH) SDH的体系结构的体系结构 n在在SDH中，信息是以中，信息是以 “同步传送模块同步传送模块STM” 传送的。传送的。 n同步传送模块同步传送模块(STM)由信息有效负荷和段开销由信息有效负荷和段开销SOH 组成块组成块 状帧结构，其重复周期为状帧结构，其重复周期为125s。 nSDH分为若干等级：分为若干等级： nSTM的基本模块是的基本模块是STM-1。STM-1包含一个管理单元群包含一个管理单元群 AUG和段开销和段开销SOH。 等级比特率(Mb/s) STM-1

12、 155.52 STM-4 622.08 STM-162,488.32 STM-649,953.28 通信原理教程多路复用和多址技术17 SDHSDH和和PDHPDH的关系的关系 n通常都是将若干路通常都是将若干路PDHPDH接入接入STM-1STM-1内，即在内，即在155.52Mb/s155.52Mb/s处接处接 口。这时，口。这时，PDHPDH信号的速率都必须低于信号的速率都必须低于155.52Mb/s155.52Mb/s，并将速，并将速 率调整到率调整到155.52155.52上。上。 n例如，可以将例如，可以将6363路路E-1E-1，或，或3 3路路E-3E-3，或，或1 1路路E

13、-4E-4，接入，接入STM-1STM-1 中。中。 nSDHSDH的结构以及和的结构以及和PDHPDH连接关系图：连接关系图： 通信原理教程多路复用和多址技术18 SDHSDH的结构：的结构： n容器（容器（C-nC-n）：是一种信息结构，它为后接的虚容器）：是一种信息结构，它为后接的虚容器(VC-(VC-n n) ) 组成与网络同步的信息有效负荷。组成与网络同步的信息有效负荷。 n虚容器（虚容器（VC-nVC-n）：也是一种信息结构，它由信息有效负荷）：也是一种信息结构，它由信息有效负荷 和路径开销信息组成帧。每帧长和路径开销信息组成帧。每帧长125s125s或或500s500s。 n支路

14、单元（支路单元（TU-TU-n n）：）：也是一种信息结构，它为低阶路径层也是一种信息结构，它为低阶路径层 和高阶路径层之间进行适配。和高阶路径层之间进行适配。 通信原理教程多路复用和多址技术19 SDHSDH的帧结构的帧结构 通信原理教程多路复用和多址技术20 9.4.1 9.4.1 基本原理基本原理 码组正交的概念：设码组正交的概念：设 x x 和和 y y 表示两个码组：表示两个码组： 式中，式中， i i = 1, 2, , = 1, 2, , N N 互相关系数定义：互相关系数定义： 两码组正交的必要和充分条件两码组正交的必要和充分条件: : 例：例： ),( 21Ni xxxxx)

15、,( 21Ni yyyyy )1, 1(, ii yx N i ii yx N yx 1 1 ),( 0),(yx )1,1,1,1( )1,1,1,1( )1,1,1,1( )1,1,1,1( 4 3 2 1 s s s s 通信原理教程多路复用和多址技术21 n用用“1”1”和和“0”0”表示二进制码元方法：表示二进制码元方法： “1” 1” “-1” “-1” “0” “0” “+1” “+1” p互相关系数定义式互相关系数定义式 式中，式中，A A x x 和和 y y 中对应码元相同的个数；中对应码元相同的个数； D D x x 和和 y y 中对应码元不同的个中对应码元不同的个 数

16、。数。 上例中，上例中， p优点：优点： 映射关系映射关系 “ ” ” “ “ ” DA DA yx ),( )1 ,0, 1 ,0( )0, 1 , 1 ,0( )1 , 1 ,0,0( )0,0,0,0( 4 3 2 1 s s s s ) 1, 1, 1, 1( ) 1, 1, 1, 1( ) 1, 1, 1, 1( ) 1, 1, 1, 1( 4 3 2 1 s s s s 01 001 110 +1-1 +1+1-1 -1-1+1 通信原理教程多路复用和多址技术22 码组自相关系数定义：设码组自相关系数定义：设x xi i取值取值+1+1或或-1-1， 式中，式中，x x的下标的下标

17、 i i + + j j 应按模应按模N N运算，即运算，即x xN N+ +i i x xi i 。 例：设例：设 x x = ( = (x x1 1, , x x2 2, , x x3 3, , x x4 4) = (+1, -1, -1, +1) = (+1, -1, -1, +1) 则其自相关系数为则其自相关系数为 N i jiix Njxx N j 1 ) 1(, 1, 0 1 )( 1 4 1 )0( 4 1 2 i ix x 0)1111( 4 1 )( 4 1 4 1 )1 ( 14433221 4 1 1 xxxxxxxxxx i iix 1)1111( 4 1 )( 4 1

18、 4 1 )2( 2434231 4 1 2 xxxxxxxxxx i iix 0) 1111( 4 1 )( 4 1 4 1 )3( 34231241 4 1 3 xxxxxxxxxx i iix 通信原理教程多路复用和多址技术23 n若设若设x xi i取值取值“0”0”或或“1”1”，则有自相关系数，则有自相关系数 式中，式中，A A为为x xi i和和x xi+j i+j中对应码元相同的个数； 中对应码元相同的个数； D D为为x xi i和和x xi+j i+j中对应码元不同的个数。 中对应码元不同的个数。 的取值范围：的取值范围： 按照互相关系数按照互相关系数 值的不同，值的不同，

19、 当当 = 0= 0时，称码组为正交编码时，称码组为正交编码 当当 0 0时，称码组为准正交码时，称码组为准正交码 当当 0 0时，称其为超正交码，例：时，称其为超正交码，例： 正交编码和其反码还可以构成双正交码，例正交编码和其反码还可以构成双正交码，例 (0, 0, 0, 0)(0, 0, 0, 0)(1, 1, 1, 1)(1, 1, 1, 1) (0, 0, 1, 1)(0, 0, 1, 1)(1, 1, 0, 0)(1, 1, 0, 0) (0, 1, 1, 0)(0, 1, 1, 0)(1, 0, 0, 1)(1, 0, 0, 1) (0, 1, 0, 1)(0, 1, 0, 1)(

20、1, 0, 1, 0)(1, 0, 1, 0) DA DA xx jii ),( 11 ) 1 , 0 , 1 (),0 , 1 , 1 (),1 , 1 , 0 ( 321 sss 通信原理教程多路复用和多址技术24 四路码分复用原理方框图四路码分复用原理方框图 通信原理教程多路复用和多址技术25 9.4.2 9.4.2 正交码正交码 阿达玛阿达玛(Hadamard)(Hadamard)矩阵：是一种方阵，仅由元素矩阵：是一种方阵，仅由元素+1+1和和-1-1构成。构成。 简称简称H H矩阵。矩阵。 n最低阶的阿达玛矩阵是最低阶的阿达玛矩阵是2 2阶的，如下式阶的，如下式 为简单起见，将上式写

21、为：为简单起见，将上式写为： n阶数为阶数为2 2的幂的阿达玛矩阵可以用下面的递推公式求出：的幂的阿达玛矩阵可以用下面的递推公式求出： 式中，式中， 直积。直积。 11 11 2 H 2 H 2 HHH 2 / NN 通信原理教程多路复用和多址技术26 n直积的算法：将矩阵直积的算法：将矩阵H HN/2 N/2中的每个元素都用矩阵 中的每个元素都用矩阵H H2 2代替。例：代替。例： n正规阿达玛矩阵：由上法构造出的正规阿达玛矩阵：由上法构造出的H H 矩阵是对称矩阵，而矩阵是对称矩阵，而 且其第一行和第一列中的元素全为且其第一行和第一列中的元素全为“+”+”，称为正规，称为正规H H矩阵。矩

22、阵。 22 22 224 HH HH HHH 44 44 248 HH HH HHH 通信原理教程多路复用和多址技术27 nH H矩阵的性质：矩阵的性质： p若交换正规若交换正规H H矩阵的任意两行或两列，或者改变任一行矩阵的任意两行或两列，或者改变任一行 （或列）中的全部元素的符号，此矩阵仍为（或列）中的全部元素的符号，此矩阵仍为H H矩阵。矩阵。 p高于高于2 2阶的阶的H H矩阵的阶数一定是矩阵的阶数一定是4 4的倍数。的倍数。 p目前，除目前，除N = 4N = 4 47 = 18847 = 188外，所有外，所有N N 200200的的H H矩阵都已矩阵都已 经找到。经找到。 沃尔什

23、沃尔什(Walsh)(Walsh)矩阵：将矩阵：将H H矩阵中各行按符号改变次数由少到矩阵中各行按符号改变次数由少到 多排列，得出沃尔什矩阵（简称多排列，得出沃尔什矩阵（简称W W矩阵）。例：矩阵）。例： W W矩阵仍保有正交性。矩阵仍保有正交性。 8 W 通信原理教程多路复用和多址技术28 9.4.3 9.4.3 伪随机码伪随机码 伪随机码伪随机码 又称伪随机序列又称伪随机序列 n具有类似白噪声的随机特性但是又能重复产生。具有类似白噪声的随机特性但是又能重复产生。 n具有良好的相关特性，可以用于码分复用、多址接入、测具有良好的相关特性，可以用于码分复用、多址接入、测 距、密码、扩展频谱通信和

24、分离多径信号等许多用途。距、密码、扩展频谱通信和分离多径信号等许多用途。 n伪随机序列有多种，其中以伪随机序列有多种，其中以m m序列最为重要。序列最为重要。 m m序列序列 nm m序列序列 由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列。由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列。 通信原理教程多路复用和多址技术29 n m m序列的产生举例：序列的产生举例：4 4级级m m序列产生器及其状态序列产生器及其状态 4 4级移存器共有级移存器共有2 24 4 =16 =16种可能状态，其周期种可能状态，其周期 p p 最长等于最长等于1515。 通信原理教程多路复用和多址技术30 n一般的线性反馈移存

25、器方框图一般的线性反馈移存器方框图 图中，图中，a ai i ( (i i = 0 = 0 n n) ) 移存器状态。移存器状态。a ai i = 0= 0或或1 1。 c ci i 反馈状态。反馈状态。c ci i = 0 = 0表示反馈线断开，表示反馈线断开， c ci i = 1 = 1表示反馈线连通。表示反馈线连通。 通信原理教程多路复用和多址技术31 n递推方程递推方程 设：此移存器的初始状态为设：此移存器的初始状态为a a-1 -1, , a a-2 -2, , , , a a- -n n+1 +1, , a a- -n n 则则 经经1 1次移位后，状态变为次移位后，状态变为 a

26、 a0 0, , a a-1 -1, , , , a a- -n n+2 +2, , a a- -n n+1 +1 经 经k k次移位后，状态变为次移位后，状态变为 a ak k-1 -1, , a ak k-2 -2, , , , a ak-n k-n+1+1, , a ak-n k-n ( (当前状态当前状态) ) 当再次移位时，移存器左端的输入 当再次移位时，移存器左端的输入a ak k为为 称为递推方程，它给出移存器输入称为递推方程，它给出移存器输入a ak k与移与移 存器各级状态的关系。存器各级状态的关系。 n i ikinknnknkkk acacacacaca 1 112211

27、 )2(mod 通信原理教程多路复用和多址技术32 n特征方程特征方程 pc ci i的值决定了反馈线的连接状态的值决定了反馈线的连接状态 p在上式和后面的公式中都将在上式和后面的公式中都将“ ”简写为简写为“+”+” p式中式中x xi i本身并无实际意义，它仅指明其系数是本身并无实际意义，它仅指明其系数是c ci i的值的值 p例：例： 表示上式中仅表示上式中仅x x0 0, , x x1 1, ,和和x x4 4的系数的系数c c0 0 = = c c1 1 = = c c4 4 = 1 = 1，而，而 其余系数其余系数c c2 2 = = c c3 3 = 0 = 0。 构成的方框图如

28、右：构成的方框图如右： p特征方程特征方程f f( (x x) )决定了一个线性反馈移存器的结构，从而决定了一个线性反馈移存器的结构，从而 决定了它产生的序列的构造和周期。决定了它产生的序列的构造和周期。 n i i i n n xcxcxcxccxf 0 2 210 )( 4 1)(xxxf 通信原理教程多路复用和多址技术33 n本原多项式本原多项式 p使一个线性反馈移存器产生最长周期序列的充分必要条使一个线性反馈移存器产生最长周期序列的充分必要条 件是其特征方程件是其特征方程f f( (x x) )为本原多项式。为本原多项式。 p本原多项式是指满足下列条件的多项式：本原多项式是指满足下列条

29、件的多项式： 是既约的，即不能分解因子的；是既约的，即不能分解因子的； 可以整除可以整除( (x xm m + 1) + 1)，m m = 2 = 2n n 1 1；即是；即是( (x xm m + 1) + 1) 的一个的一个 因子；因子； 除不尽除不尽( (x xq q + 1) + 1)，q q m m。 p例：设计一个例：设计一个4 4级级m m序列产生器的特征方程序列产生器的特征方程 f f ( (x x) )。 现在，级数现在，级数n n = 4 = 4，故，故m m = 2 = 2n n 1 = 15 1 = 15。所。所 以，按照上述第项要求，其特征方程以，按照上述第项要求，其

30、特征方程 f f ( (x x) )应该是应该是 ( (x x15 15 + 1) + 1)的一个因子。现将的一个因子。现将( (x x15 15 + 1) + 1)分解因子如下：分解因子如下： ) 1)(1)(1)(1)(1() 1( 223434415 xxxxxxxxxxxx 通信原理教程多路复用和多址技术34 因要求设计的移存器有因要求设计的移存器有4 4级，故其特征方程式的最高级，故其特征方程式的最高 次项应为次项应为x x4 4项。上式右端前项。上式右端前3 3个因子都符合这一要求。但是，个因子都符合这一要求。但是， 可以验证前两个因子是本原多项式，而第可以验证前两个因子是本原多项

31、式，而第3 3个因子不是本原个因子不是本原 多项式，因为多项式，因为 因此，前两个因子和都可以作为特征多项式，用以产因此，前两个因子和都可以作为特征多项式，用以产 生生m m序列。序列。 p寻找本原多项式不易。将常用本原多项式列表供查用；寻找本原多项式不易。将常用本原多项式列表供查用； ) 1)(1)(1)(1)(1() 1( 223434415 xxxxxxxxxxxx ) 1() 1)(1( 5234 xxxxxx 通信原理教程多路复用和多址技术35 由于反馈线和模由于反馈线和模2 2加法电路的数加法电路的数 量决定于本原多项式的项数，为了使电量决定于本原多项式的项数，为了使电 路简单，所

32、以应当选用项数最少的那些路简单，所以应当选用项数最少的那些 因子。由表可见，许多本原多项式的项因子。由表可见，许多本原多项式的项 数最少为数最少为3 3项。这时仅需用一个模项。这时仅需用一个模2 2加法加法 电路。电路。 本原多项式的逆多项式也是本原本原多项式的逆多项式也是本原 多项式。例如，多项式。例如， 和和 所以表中每个本原多项式可以构成两种所以表中每个本原多项式可以构成两种m m 序列产生器。序列产生器。 n本原多项式 代数式8进制表示 2x2 + x + 17 3x3 + x + 113 4x4 + x + 123 5x5 + x2 + 145 6x6 + x + 1103 7x7

33、+ x3 + 1211 8x8 + x4 + x3 + x2 + 1435 9x9 + x4 + 11021 10X10 + x3 + 12011 11X11 + x2 + 14005 12x12 + x6 + x4 + x + 110123 13x13 + x4 + x3 + x + 120033 8进制数字23 2进制数字0 1 00 1 1 抽头系数 c5 c4 c3c2 c1 c0 ) 1( 4 xx) 1( 34 xx 通信原理教程多路复用和多址技术36 nm m序列的性质序列的性质 p均衡性：在均衡性：在m m序列的一个周期中，序列的一个周期中，“0”0”和和“1”1”的个数的个数

34、 基本相等。准确地说，基本相等。准确地说，“1”1”的个数比的个数比“0”0”的个数多一的个数多一 个。个。 p游程分布：游程是指序列中取值相同的一段元素。并把游程分布：游程是指序列中取值相同的一段元素。并把 这段元素的个数称为游程长度。例如，这段元素的个数称为游程长度。例如， 在上面的一个周期中，共有在上面的一个周期中，共有8 8个游程，其中长个游程，其中长 度为度为4 4的游程有的游程有1 1个，即个，即“1111”1111”；长度为；长度为3 3的游程有的游程有1 1个，个， 即即“000”000”；长度为；长度为2 2的游程有两个，即的游程有两个，即“11”11”和和“00”00”；

35、长度为长度为1 1的游程有的游程有4 4个，即两个个，即两个“1”1”和两个和两个“0”0”。 一般说来，在一般说来，在m m序列中，长度为序列中，长度为1 1的游程数目占的游程数目占 1/21/2；长度为；长度为2 2的游程数目占的游程数目占1/41/4；长度为；长度为3 3的游程占的游程占 1/81/8；。 或者说，长度为或者说，长度为k k的游程数目占游程总数的的游程数目占游程总数的2 2- -k k， 1 1 k k ( (n n - 1)- 1)，并且长度为，并且长度为k k (1 (1 k k ( (n n - 2)- 2) 的游程中，连的游程中，连“1”1”游程数目和连游程数目和

36、连“0”0”游程数目相等。游程数目相等。 通信原理教程多路复用和多址技术37 p移位相加特性移位相加特性 设：设：M Mp p是一个是一个m m序列，它经过任意次延迟移位后成为序列，它经过任意次延迟移位后成为M Mr r， 则则 式中，式中，M Ms s是是M Mp p的某次延迟移位序列。的某次延迟移位序列。 例：例：1110010 1110010 0111001 = 1001011 0111001 = 1001011 上式右端是上式右端是11100101110010向右移位向右移位5 5次的结果。次的结果。 p自相关特性自相关特性 周期性周期性 srp MMM 1, 2, 1, 1 0, 1

37、 )( mj m j j , 2, 1,),()(kkmjkmjj 通信原理教程多路复用和多址技术38 p功率谱密度功率谱密度 功率谱密度和自相关系数构成一对傅里叶变换。功率谱密度和自相关系数构成一对傅里叶变换。 求出如下：求出如下： p由于当由于当m m大时，大时，m m序列的均衡性、游程分布、自相关特性序列的均衡性、游程分布、自相关特性 和功率谱密度等都近似白噪声的特性，但是它又有规律，和功率谱密度等都近似白噪声的特性，但是它又有规律， 可以重复产生，所以可以重复产生，所以m m序列属于一种伪噪声序列。序列属于一种伪噪声序列。 )( 12 )2/( )2/sin(1 )( 2 0 2 2

38、m m T n mT mT m m P n n 通信原理教程多路复用和多址技术39 9.5.1 9.5.1 频分多址频分多址(FDMA)(FDMA) 每载波多路每载波多路(MCPC)(MCPC)体制：预先分配的体制：预先分配的FDM/FM/FDMAFDM/FM/FDMA体制体制 INTELSAT IIINTELSAT II和和IIIIII卫星系统中采用。卫星系统中采用。 缺点：话路分配不灵活。缺点：话路分配不灵活。 通信原理教程多路复用和多址技术40 按需分配多址按需分配多址(DAMA)(DAMA)体制体制 nINTELSAT IVINTELSAT IV卫星中采用的卫星中采用的DAMADAMA

39、体制为每载波单路按需分配体制为每载波单路按需分配 多址多址(SPADE)(SPADE)体制。体制。 nSPADESPADE体制特点：体制特点： 1.1.载波只受单路载波只受单路64 kb/s64 kb/s的的PCMPCM信号调制信号调制 QPSKQPSK； 2.2.信道间隔为信道间隔为45 kHz45 kHz，一个卫星转发器的带宽可以容纳，一个卫星转发器的带宽可以容纳800800 路载波，其中留有路载波，其中留有6 6个载频位置空闲备用，故可提供个载频位置空闲备用，故可提供794794路路 载波使用；载波使用； 3.3.各载波动态地按需分配；各载波动态地按需分配； 4.4.用一个用一个160

40、kHz160 kHz带宽的公共信令信道作动态分配用，其比带宽的公共信令信道作动态分配用，其比 特率为特率为128 kb/s128 kb/s，采用，采用BPSKBPSK调制。调制。 n工作原理：工作原理： p有公共信令信道：以固定分配的有公共信令信道：以固定分配的TDMATDMA广播模式工作。广播模式工作。 p每个地球站在公共信令信道内每每个地球站在公共信令信道内每50ms50ms中有中有1ms1ms的时隙可以用来请求的时隙可以用来请求 或释放信道。或释放信道。 p信道分配是由所有地球站控制的。信道分配是由所有地球站控制的。 n由于由于SPADESPADE体制的按需分配，它的容量相当于提高到体制

41、的按需分配，它的容量相当于提高到4 4倍，倍， 即即800800路的路的SPADESPADE信道相当于信道相当于32003200路路MCPCMCPC信道。信道。 通信原理教程多路复用和多址技术41 FDMAFDMA的优缺点：的优缺点： n主要优点：设备较简单，价格较低，不需要精确的时钟同主要优点：设备较简单，价格较低，不需要精确的时钟同 步；步； n主要缺点：要求传输信道的非线性失真要小。主要缺点：要求传输信道的非线性失真要小。 例如，在卫星通信系统中，若一个星上转发器内同时转发例如，在卫星通信系统中，若一个星上转发器内同时转发 多个载波信号，则星上（行波管）放大器的非线性将在各多个载波信号，

42、则星上（行波管）放大器的非线性将在各 载波信号间产生交叉调制，使星上（行波管）放大器只能载波信号间产生交叉调制，使星上（行波管）放大器只能 工作在线性好的一段功率范围。工作在线性好的一段功率范围。 通信原理教程多路复用和多址技术42 9.5.2 9.5.2 时分多址时分多址(TDMA)(TDMA) 单路时分多址系统单路时分多址系统 nALOHAALOHA系统系统 p工作原理：用随机接入的方法通过一颗卫星把几个地面工作原理：用随机接入的方法通过一颗卫星把几个地面 计算机连接起来，用数据分组方式传输，分组的长度是计算机连接起来，用数据分组方式传输，分组的长度是 一定的。一定的。 p工作模式：工作模

43、式： n发送模式。 用户在需要发送数据时可以随时发送。发送的分 组具有纠错能力。 n收听模式。 在发送后，该用户收听来自接收端的“确认 (ACKACK)”消息。当有几个用户同时发送信号时，由于信号间的 重叠会造成接收数据中出现误码。我们称这种现象为碰撞碰撞。这 时发送端将收到接收端送回的“否认(NAKNAK)”消息。 n重发模式。 当发送端收到“NAK”后，将重发原来的数据分 组。当然，若碰撞对方也立即重发，将再次发生碰撞。所以， 要经过一段随机延迟时间后再重发。 n超时模式。 若发送后在规定时间内既没有收到ACK，也没有 收到NAK，则重发此数据分组。 通信原理教程多路复用和多址技术43 p

44、基本性能分析基本性能分析 设：每个数据分组的长度设：每个数据分组的长度 b b比特，比特， 总业务到达率总业务到达率 每秒每秒 t t个分组，个分组， 成功接收率成功接收率 每秒每秒 个分组，个分组， 拒收（碰撞）率拒收（碰撞）率 每秒每秒 r r个分组，个分组， 则有：则有： t t r r n成功传输量（吞吐量）定义为： n总业务量定义为 ： n归一化通过量定义为： 式中， R 系统容量（最大传输速率） (b/s) n归一化总业务量定义为： n由于平均吞吐量p 不可能大于系统的容量R，所以 归一化通过量p不可能大于1，即 n归一化总业务量P可以大于1。一般说来， bp t bP Rbp/

45、RbP t / 10 p P0 通信原理教程多路复用和多址技术44 n一个分组(pkt)的（最小）传输时间等于： (s/pkt) n故有 及 n为了避免冲突，一个分组至少需要2的空闲时间： p归一化通过量归一化通过量 p p 和归一化总业务量和归一化总业务量 P P 之间关系的分析之间关系的分析 n泊松分布：在 秒时间内有K个新消息到达的概率 式中，为消息的平均到达率平均到达率。 n在 时间间隔内没有消息到达的概率： 令 = t， K = 0，得到 Rb / ptP 0 ! e)( )( K K KP K t t e e P t ! 0 )( )0( 0 通信原理教程多路复用和多址技术45 n

46、在ALOHA系统中，一个消息成功传输的概率Ps应该是 相邻两个 内都没有消息到达。 故有： 另一方面， 由上两式联立，得出 将及 代入 ， 最终得到归一化通过量： t ePPPs 2 )0()0( ts P/总业务到达率平均成功接收率 t e t 2 tP p t e t 2 P Pep 2 通信原理教程多路复用和多址技术46 的曲线：下图中“纯ALOHA”曲线 由图可见： 随着P增大，p逐渐增大 p的最大值等于1/2e = 0.18，它发生在P等于0.5 时。 由于碰撞大量增加，p开始下降。 为了提高信道利用率，需要将为了提高信道利用率，需要将ALOHAALOHA系统改进。系统改进。 P P

47、ep 2 通信原理教程多路复用和多址技术47 n 时隙时隙ALOHA(S-ALOHA )ALOHA(S-ALOHA )系统系统 p改进之处：改进之处： n卫星向所有地球站发送一同步脉冲序列，将时间划 分为等于分组长度的时隙 。 n分组开始发送的时间必须在时隙 的起点。 （这样的一种简单规定就能使碰撞率减少一半，因为只有在同 一时隙中发送的消息才可能发生碰撞。） p工作原理工作原理 通信原理教程多路复用和多址技术48 p这时的归一化通过量这时的归一化通过量p p和归一化总业务量和归一化总业务量P P的关系式变为的关系式变为 按上式画出的曲线示于下图中按上式画出的曲线示于下图中“时隙时隙ALOHA

48、”ALOHA”曲线：曲线： 此曲线的最大值等于此曲线的最大值等于1/1/e e = 0.37 = 0.37，它是纯，它是纯ALOHAALOHA系统的系统的 两倍。两倍。 p重发的延迟时间决定于各站的随机数产生器。一旦发生重发的延迟时间决定于各站的随机数产生器。一旦发生 再次碰撞，则使用另一个随机数再次重发。再次碰撞，则使用另一个随机数再次重发。 P Pep 通信原理教程多路复用和多址技术49 n预约预约ALOHAALOHA（R-ALOHAR-ALOHA）系统）系统 p两种基本模式：两种基本模式： 未预约模式（静止状态）：未预约模式（静止状态）： 将时间分为若干小的子时隙。 用户使用这些子时隙来

49、预约消息时隙。 在发出预约请求后，用户等待收听确认和时隙分配 的信息。 预约模式：预约模式： 一旦有了一个预约，时间将被分成帧，每帧又分成 M+1个时隙。 前M个时隙用于消息传输。 最后一个时隙再分成N个子时隙，用于请求和分配预 约。 用户只能在M个时隙中分配给他的时隙内发送消息分 组。 通信原理教程多路复用和多址技术50 pR-ALOHAR-ALOHA系统的一种实现方案系统的一种实现方案 通信原理教程多路复用和多址技术51 nS-ALOHAS-ALOHA系统和系统和R-ALOHAR-ALOHA系统的性能比较系统的性能比较 通信原理教程多路复用和多址技术52 多路时分多址系统多路时分多址系统

50、n多路多路TDMATDMA优缺点：优缺点： p只需用一个载波，不会发生只需用一个载波，不会发生FDMAFDMA的交叉调制。的交叉调制。 p当需要和大量对象通信时，当需要和大量对象通信时，TDMATDMA体制比体制比FDMAFDMA经济经济 p在多波束系统中，可以方便地实现每个波束和其他波束在多波束系统中，可以方便地实现每个波束和其他波束 的通信。的通信。 p在各地球站间以及地球站和卫星之间需要精确的同步系在各地球站间以及地球站和卫星之间需要精确的同步系 统，这增加了统，这增加了TDMATDMA系统的复杂度和价格。系统的复杂度和价格。 通信原理教程多路复用和多址技术53 n工作原理：以工作原理：

51、以INTELSATINTELSAT系统为例系统为例 p发射地球站：以低速连续数字流进入缓存器之一。另一发射地球站：以低速连续数字流进入缓存器之一。另一 个缓存器则用高速取出。在一个个缓存器则用高速取出。在一个TDMATDMA帧中，缓存器交替帧中，缓存器交替 地工作。高速时钟必须精确控制突发时间。地工作。高速时钟必须精确控制突发时间。 p接收地球站：接收到的突发信号存入一个扩展缓存器。接收地球站：接收到的突发信号存入一个扩展缓存器。 另一个缓存器则以所需的低速取出。另一个缓存器则以所需的低速取出。 通信原理教程多路复用和多址技术54 p同步方法：同步方法： n指定一个地球站为主站，它周期性地发射

52、参考定时 脉冲。 n其他地球站为从站，它们也发射自己的定时脉冲。 从站的下行链路除了接收自己发送的定时脉冲外， 还收到主站发射的参考定时脉冲。两者的时间差就 是主站和从站定时之间的误差。于是从站可以调整 自己的时钟以减小此误差。 通信原理教程多路复用和多址技术55 载波侦听载波侦听/ /冲突检测多址冲突检测多址(CSMA/CD)(CSMA/CD)技术：技术： n例：以太网中应用例：以太网中应用 n基本原理：基本原理： 假设一个设备在接入网络之前能够侦听网络的状态。假设一个设备在接入网络之前能够侦听网络的状态。 只有当侦听到电缆上没有其他信号传输时，才能向电缆上只有当侦听到电缆上没有其他信号传输

53、时，才能向电缆上 发送信号。发送信号。 数据是分组传输的。数据是分组传输的。 通信原理教程多路复用和多址技术56 n数据格式：数据格式： p每组数据的最大长度为每组数据的最大长度为15261526字节，最小长度为字节，最小长度为7272字节。字节。 每组分为：前同步码每组分为：前同步码8 8字节，报头字节，报头1414字节，数据字节，数据15001500字字 节，校验码节，校验码4 4字节。字节。 p组间最小间隔为组间最小间隔为9.6 9.6 s s。 p前同步码包含前同步码包含6464比特的比特的“1/0”1/0”交替码，并且最后以两交替码，并且最后以两 个比特个比特“11”11”结束，即前

54、同步码为结束，即前同步码为(101010101011)(101010101011)。 p地址码的第地址码的第1 1个比特指示地址类型（个比特指示地址类型（0 0表示单地址，表示单地址，1 1表表 示群地址）；地址码若为全示群地址）；地址码若为全“1”1”表示是向所有站广播。表示是向所有站广播。 p类型域码决定数据域中的数据如何解释。例如，类型域类型域码决定数据域中的数据如何解释。例如，类型域 中的码能用于表示数据编码、密码、消息优先级等。中的码能用于表示数据编码、密码、消息优先级等。 p校验域中校验码的生成多项式如下：校验域中校验码的生成多项式如下： X X32 32 + X + X26 26

55、 + X + X23 23 + X + X22 22 + X + X16 16 + X + X12 12 + X + X11 11 + X + X10 10 + X + X8 8 + X + X7 7 + X + X5 5 + X + X4 4 + X + X2 2 + + X + 1X + 1 通信原理教程多路复用和多址技术57 n接入步骤：接入步骤： p延缓：当存在载波时或在最小组间隔时间内，用户不能延缓：当存在载波时或在最小组间隔时间内，用户不能 发送。发送。 p发送：若没有检测到冲突或在一组结束时没有延缓，用发送：若没有检测到冲突或在一组结束时没有延缓，用 户可以发送。户可以发送。 p

56、中断：若检测到冲突，用户必须终止传输，并发送一个中断：若检测到冲突，用户必须终止传输，并发送一个 短的阻塞信号，以确保所有冲突方注意到此冲突。短的阻塞信号，以确保所有冲突方注意到此冲突。 p重新发送：用户必须等待一个随机延迟时间，再试图重重新发送：用户必须等待一个随机延迟时间，再试图重 新发送。新发送。 p退避：延迟重新发送称为退避。第退避：延迟重新发送称为退避。第n n次试图发送之前的次试图发送之前的 延迟时间是一个在延迟时间是一个在0 (20 (2n n -1) -1)间均匀分布的随机数间均匀分布的随机数(0 (0 10 10，此区间仍为，此区间仍为0 10230 1023。重发。重发 延

57、迟的时间单位是延迟的时间单位是512 b(51.2 512 b(51.2 s)s)。 通信原理教程多路复用和多址技术58 n侦听方法：以双相码，侦听方法：以双相码，10 Mb/s10 Mb/s速率传输格式为例。速率传输格式为例。 p存在跳变表明网上有载波存在。存在跳变表明网上有载波存在。 p若从最后一次跳变开始在若从最后一次跳变开始在0.75 1.250.75 1.25个码元时间内看个码元时间内看 不到跳变，就表明载波没有了，即表示一组的终结。不到跳变，就表明载波没有了，即表示一组的终结。 通信原理教程多路复用和多址技术59 令牌环行多址技术令牌环行多址技术 n典型单向令牌环形网的结构典型单向令牌环形网的结构 通信