通信信道复用和多址方式课件

1、通信信道复用和多址方式第第6章章 信道复用和多址方式信道复用和多址方式v信道复用信道复用:允许多路信号同时传输。v多址技术多址技术:在多点通信系统内信道复用。v主要讨论两类多路复用技术:频分多路复用频分多路复用（FDM）(波分复用 WDM)v 时分多路复用时分多路复用（TDM）。v本章主要讨论四类多址方式:频分多址频分多址（FDMA）v 时分多址时分多址（TDMA）v 码分多址码分多址（CDMA）v ALOHA方式。v复用技术和多址技术都是现代通信系统中的重要技术。通信信道复用和多址方式6.1 频分多路复用频分多路复用v6.1.1频分复用频分复用v频分复用频分复用:用不同频率传送不同的消息，实

2、现多路通信。例子:无线电广播和电视广播。v下图为FDM系统框图。设N路相似的消息,低通滤波器:消除信号中的高频成分，使之变为带限信号。输出对副载波进行调制。带通滤波器将各个已调波的频带限制到规定范围。输出总和信号。频谱示于图 (b)。为了防止邻路信号之间相互干扰，副载波频率之间的间隔应满足v :消息信号的频谱； : 防护频带。 gmSWWWmWgW通信信道复用和多址方式6.1.1频分复用频分复用v总和信号传输所需最小带宽是SmgmSSBWNWWNNWW) 1() 1(LPFMODBPF低通滤波器调制器带通滤波器LPFMODBPF0102)(1tf)(2tf消息输入LPFMODBPFN0)(tf

3、NMOD信道DEMBPFDEMLPF)(1tfBPFDEMLPF)(2tfBPFDEMLPF)(tfN0102N0带通滤波器解调器低通滤波器主调制器主解调器)(tfSaa消息输出(a)gmWW 010203010203)(SF(b)通信信道复用和多址方式6.1.1频分复用频分复用v多级调制123456789101112各音频输入的载频值语音频带04 kHz108 kHz10410096928884807672686460 kHz108 kHz1个基群包含12个话路612 kHz54321564516468420552 kHz5044564083603121个超群包含5个基群各基群的载频值通信信

4、道复用和多址方式6.1.2波分复用波分复用v波分复用（波分复用（WDM）:光纤通信中利用同一根光纤同时传输波长具有适当间隔的多个不同光源的光信号。从本质上说，波分复用与频分复用是相同的。原理如图。通信信道复用和多址方式6.1.2波分复用波分复用vWDM把多个离散波长的光耦合到光纤中传输。每个波长的光波能承载大量信号，通常这些信号已被复用。v波分复用的两波道间隔为10 100nm。当间隔为1 10nm，甚至1nm以下时，称为密集波分复用（DWDM）。v工作波长大约是1550nm (1.55m)，频率间隔为100GHz的整数倍（例如100GHZ、200GHz、300GHz等）。在1550nm和10

5、0GHz的频率间隔，波长间隔大约是0.8nm。频谱及复用如图。在1550nm附近，间隔小于200GHz的承载多路光信号的WDM系统被认为是标准DWDM.。v复用器混合不同波长的光信号,去复用器分离不同波长的光信号。v波分复用耦合器允许不同波长的光组合和分离。通信信道复用和多址方式6.1.2波分复用波分复用通信信道复用和多址方式6.1.3正交频分复用正交频分复用v正交频分复用正交频分复用（OFDM）传输技术提供了让数据以较高的速率在较大延迟的信道上传输的一种途径。v思想思想:把一个高速的数据流分解成许多低速的子数据流，以并行方式在多个子信道上传输。v在每个子信道上，码元持续时间比信道的最大延迟小

6、，从而可以消除码元间干扰。v在允许信道失真的情况下设计一种系统，v把可用带宽细分为带宽相等的子信道。v每个子信道的带宽都非常窄，以至于子v信道的频率响应特性是近乎理想的，v如图。通信信道复用和多址方式6.1.3正交频分复用正交频分复用v总共可有KB/个子信道，-子信道频率间隔。每个子信道都对应一个载波:vCk(t)sin(kt)， k2k ，k0，1，2，K1vk-第k个子信道的中心频率。v通过选择每个子信道上的码速率1/T，使其等于相邻子信道的频率间隔。这样，在整个码元间隔T内子载波是正交的，即vT0sin(kt+k) sin(jt+j)dt0v其中k jn /T (n1，2，)，它与相位是

7、无关的。称这种情况为正交频分复用（OFDM）。通信信道复用和多址方式6.1.3正交频分复用正交频分复用vOFDM与使用了全部带宽单载波系统相比，每个子信道的码元速率降到原来的1/K，但二者数据传输速率是一样的。vOFDM系统的码元时间为T=KTs，Ts-单载波系统的码元时间。选择适当的K，可使得码间干扰足够小。v由于子信道达到了较高的信噪比，调制后可以传输更多的信息。通信信道复用和多址方式6.2 时分多路复用时分多路复用v将多路信号在时间上互不重叠地穿插排列就可以在同一条公共信道上进行传输。v时分多路通信时分多路通信:按照一定时间次序依次循环地传输各路消息以实现多路通信。也叫做时分多路复用（T

8、DM）。v时分复用分为分为:同步时分复用同步时分复用（STDM）v 统计时分复用统计时分复用（ATDM）通信信道复用和多址方式6.2.1同步时分复用同步时分复用v同步时分多路复用同步时分多路复用:各路消息在帧中所占时隙的位置是预先指定的，且固定不变。vN路PAM信号进行时分多路复用，如图。各路信号通过LPF后变为带限信号，采样开关（或转换开关）每秒将各路信号依次采样一次，N个样值按先后顺序错开纳入采样间隔之内。合成的复用信号是N个采样.v帧帧:由各个消息单一抽样构成的一组脉冲。v时隙时隙:一帧中相邻两个脉冲之间的时间间隔.v防护时间防护时间:未被抽样脉冲占用的时隙部分。v在接收端，由分路开关和

9、重建LPF，可恢复原来的连续信号。通信信道复用和多址方式6.2.1同步时分复用同步时分复用通信信道复用和多址方式6.2.1同步时分复用同步时分复用v两端开关必须同步。vPAM带宽：理论上需要无限宽，由于PAM信号的信息在幅度上携带，因此只要幅度信息没有损失，脉冲形状的失真无关紧要。根据采样定理，传输带宽必须满足vPCM带宽：每个抽样用n个脉冲组成的代码表示，因此为mNWW mNnWW 通信信道复用和多址方式6.2.2统计时分复用统计时分复用v统计时分多路复用统计时分多路复用（ATDM）也叫异步时分多路复用也叫异步时分多路复用v通过动态地分配时隙来进行数据传输的,数据源通过地址码识别。v统计复用

10、器具有低速数据输入线和高速复用数据输出线，每一输入线都有缓存器。有n条输入线的统计复用器，其幀中仅有k（k n）个可用时隙。复用器收集数据填满一幀后再发送。收端与之相反。v图：4个数据源（A、B、C和D）和4个时隙（t0、t1、t2和t3）。同步复用器的输出数据速率是每个输入信道数据速率的4倍。在时隙t0，信源C和D没有输入数据，复用器照样为它们分配时隙，导致C和D时隙空闲。v统计时分复用器中，空闲时隙不被传输。在t0时隙里只传送来自A和B信源的数据。v缺点缺点:传送地址码花费了较多的开销。通信信道复用和多址方式6.2.2统计时分复用通信信道复用和多址方式6.2.2统计时分复用v采用HDLC协

11、议：v（a）幀格式。v（b）一个数据源时的幀格式，数据长度可变。v（c）多个数据源的幀格式。通信信道复用和多址方式6.3 多址通信多址通信v在卫星天线波束覆盖区内的任意两点都可以进行双边或多边通信,称为多址联接方式。大、中型地球站大、中型地球站卫星空中移动站陆上移动站海上移动站VSATVSAT手持机手持机海洋海洋陆地陆地VSATVSAT通信信道复用和多址方式6.3 多址通信多址通信v多址方式多址方式:频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）以及它们的组合形式，还有正交极化分割多址, 随机多址ALOHA方式及其改进形式。v“信道信道” ：在FDMA中

12、，是指各地球站占用转发器的频 段；v 在TDMA中，是指各站占用的时隙；v 在CDMA中，是指各站使用的正交码组。通信信道复用和多址方式6.3.1 频分多址频分多址vFDMA按频率划分，把各站发射的信号配置在卫星频带内的指定位置上,各中心频率留有保护频带。v示意图。保护频带转发器频带分配地球站ABCD上行下行AfAfAfAfBfBfBfBfCfCfCfCfDfDfDfDf通信信道复用和多址方式6.3.2 时分多址方式时分多址方式vTDMA方式中，分配给各地球站一个特定的时间间隔（简称时隙）。各地球站在同步系统的控制下，在指定的时隙内向卫星发射信号，时间上互不重叠。各站可以使用相同的载波，利用整

13、个带宽。v (a) 工作示意图。4个地球站，其中一个为基准站。v基准站任务基准站任务：为其他各站发射定时信号。基准站也可由某一地球站兼任。帧周期帧周期(帧帧)：所有地球站在卫星内占有的整个时间间隔。v分帧（子帧）分帧（子帧）:每个地球站占有的时隙帧。v (b) 帧结构。帧周期为125s）或其整倍数。 v帧帧:由所有分帧和一个基准站分帧组成。分帧的长度可以一样也可以不一样。由前置码和数据两部分组成。通信信道复用和多址方式6.3.2 时分多址方式时分多址方式帧发射分帧（在某一时刻的分帧位置）ABC基准站基准分帧连续多路复用比特流(a)基准站分帧A站分帧B站分帧C站分帧Z站分帧前置码至站A至站C至站

14、Z保护时间载波恢复比特定时勤务独特码监控rT帧周期fT分帧周期bTPCM数据gTPT(b)通信信道复用和多址方式6.3.2 时分多址方式时分多址方式v前置码前置码:包括载波恢复和比特定时、独特码、监控脉冲、勤务脉冲等。v载波恢复和比特定时载波恢复和比特定时:在接收端提供QPSK信号相干解调载波和位同步信息。v独特码独特码:完成分帧同步, 提供本分帧的起始时间标志和本站站名标志。v监控脉冲监控脉冲:用于测量信道特性和标明信道分配的规律和指令。v勤务脉冲勤务脉冲:用作各站之间的通信联络。v只要接收站检测到前置码，就可以在其控制下正确地进行解调，并选出与本站有关的信号。v数据数据:数字话音或其他数据

15、信号。v基准站分帧只有一个前置码，没有勤务联络信号，结构与其他站前置码一样。它的独特码是一帧开始的时间基准。vTDMA系统具有大的信息传输能力，易于实现按需分配，对各种业务的适应能力强，是大容量卫星通信的发展方向。通信信道复用和多址方式6.3.3ALOHA方式方式vALOHA是一种按需分配时分多址方式，广泛用于各种无线数据通信网。vALOHA是一种无规则的时分多址，或叫随机多址方式。v有三种基本方式：三种基本方式： 纯ALOHA , 时隙ALOHA, 预约ALOHA。v1.纯纯ALOHAv纯ALOHA（P-ALOHA）是一种完全随机多址方式v特点特点：全网不需要定时和同步。每个站将数据分成若干

16、段，每段加上报头和报尾构成一个数据分组，以分组形式高速发送数据。v初期，分组长度为704比特，报头占32比特，其中包含收、发双方的地址和其他控制比特；数据长度为640比特；其余32比特为校验码。通信信道复用和多址方式6.3.3ALOHA方式方式v纯ALOHA系统中，任何站有数据要传输，v随时可以发送，然后等待一段时间（等于v电波往返传播时间）。在这段时间内收到v应答信号，就认为传输成功。收不到应答v信号，重发。为了避免连续碰撞，各站应v该随机延迟一段时间后分散重发，图 (a) 。v几次（如2 3次）重发均失败，放弃重发。1A3A2A重发1B2B1C2C重发1A1B2CttttA 站B 站C 站

17、通过转发器123456789完全碰撞部分碰撞(a)1A3A2A重发1B2B1C2C重发1A1B2CttttA 站B 站C 站通过转发器123456789完全碰撞(b)2B3A通信信道复用和多址方式6.3.3ALOHA方式方式v特点特点：简单，信道利用率低,不稳定。最大吞吐量仅为容量的18.4%。 v各种ALOHA方案网络吞吐量 S与提供负载 G的关系如图。归一化信道业务量(G)归一化信道吞吐量(S)纯ALOHA时隙ALOHA具有捕获效应的S-ALOHA 0.000.51.01.52.02.53.00.000.090.180.270.360.450.54通信信道复用和多址方式6.3.3ALOHA

18、方式方式v2.时隙时隙ALOHAv时隙ALOHA（S-ALOHA）是一种时分随机多址方式。v将信道分成许多时隙，每个时隙正好传送一个分组。时隙的定时由系统时钟决定，各站必须与时钟同步。各站只允许在时隙始端发送。一旦发生碰撞就是完全重叠。v最大吞吐量为36.8%。信道利用率增加一倍。v发生碰撞后，仍采用随机时延后分散重发，也存在不稳定性问题。v各站根据发送信息的重要性，可设立优先级。高优先级的用户在发射前270ms先发一“通知”信号，等级低的用户收到“通知”不去争用该时隙。v捕获效应捕获效应ALOHA（C-ALOHA）v用户以不同电平发射，较强信号在碰撞时也能正确接收，提高了信道利用率。通信信道

19、复用和多址方式6.3.3ALOHA方式方式v3.预约预约ALOHAv预约ALOHA（R-ALOHA）：解决长、短报文传输的兼容问题。v长报文长报文：为了避免分成许多数据分组传输造成时延过长，可以申请预约，分配它一段连时隙，一次发射一批数据。v短报文短报文：利用非预约S-ALOHA方式传输。v解决了长报文的传输时延问题，保留了S-ALOHA传输短报文信道利用率高的优点。v最大信道利用率可达83.3%。vALOHA除上述三种基本形式之外，还有许多改进型。通信信道复用和多址方式6.4码分多址码分多址vFDMA：各站受信道或系统内指定带宽的限制，信号发射的时间自由。vTDMA：各站按规定的时间发送数据

20、，对系统或信道分配的频率和带宽没有限制。v码分多址（码分多址（CDMA）：也叫扩展频谱多址方式。对时间和带宽都没有限制，每个站可随时使用分配给它们的信道或系统的带宽发送数据。v特点：特点：可以在给定带宽内传送数据，信号根据各站的码型分离。每个站都有一个唯一的码，接收某个站的数据，接收站必须掌握该站的码。v系统的所有站可以在同一时间使用相同的频率发送信号。一个站的码不能与其他站的码相同。通信信道复用和多址方式6.4码分多址码分多址vCDMA属于随机多址方式，即各站发射的频率和时间可以互相重叠。站址根据各站的码型划分。一般选择伪随机（PN）码作地址码。vCDMA目前发展迅速，应用广泛。vCDMA的

21、基础是扩频技术。窄带CDMA能满足话音和一般数据传输的要求，宽带CDMA可满足多媒体通信的要求。它是未来全球个人通信的一种主要多址方式。v扩频技术分为：直接序列（DS）扩频、跳频（FH）扩频、线性调频（chirp）、跳时（TH）等。v上述四种方法的某种组合也常被采用。v主要介绍DS和FH的基本原理。通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码v1 概念概念v具有类似白噪声的特性，随机变化，但又是周期的、有规律的，可以人为地产生和复制。称为伪随机特性.v产生产生：可用二进制移位寄存器产生。v特点特点：具有类似白噪声的性质，功率谱占据很宽的频带，相关函数具有尖锐特性。易于从其他信号或干扰中分离

22、出来，具有优良的抗干扰特性。v应用应用：码分多址通信中；保密通信；扩频通信等。v几种常用的伪随机码：m序列、组合码、Gold码等。vm序列是研究和构造其它码序列的基础。通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码v2.移位寄存器序列移位寄存器序列v（1）移位寄存器）移位寄存器v由时钟控制的r个串接的存储器构成。v移位寄存器的级移位寄存器的级：组成移位寄存器的v存储器，用an-i (i=1, 2, , r ) 表示第i级的状态（存数），an-i =1或0。v移位寄存器的状态移位寄存器的状态：某一时刻，各级的存数按顺序排列所组成的序列。v如果不给移位寄存器的第一级输入新的数据，则不论移位寄存器

23、的初始状态如何，至多经过r次移位后，所有级最终将处于全0或全1状态。这由第1级是0或1决定。通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码v在上图中增加一个由模2加法器组成的反馈逻辑线路，如图。模2加法器将有关级的输出模2加后输入第1级，成为第1级的新存数。以4级（r=4）为例说明工作过程。v假定初始状态为（a0，a1，a2，a3），当一个时钟来到时，每级的存数向右移至下一级。末级作为输出，这时输出a0，模2加法器的输出a4= a0 a1，这时新状态为（a1，a2，a3，a4）。 通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码v第2个时钟来到，新状态为（a2，a3，a4，a5），a5= a

24、1 a2，输出为a1。随着时钟脉冲的不断来到，输出将是a0，a1，a2，称其为一个移移位寄存器序列位寄存器序列，它满足递归关系式v an= an-3 an-4 v这个递归关系式叫做移位寄存器的反馈逻辑函数。v反馈逻辑是线性的，称其为4级线性移位寄存器，输出叫做一个4级线性移位寄存器序列。v如果初始状态为（1000），在时钟的作用下，相继状态如下：通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码an-4an-3an-2An-1a n输出110001120001003001000401001051001116001100701101081101019101011100101101110111112

25、0111101311110114111001151100011610001117000100通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码v第16个状态与第1个状态相同，第17个状态与第2个状态相同，依此类推。表明：移位寄存器的状态序列具有周期性，周期为15。v移位寄存器可有不同的初始状态和不同的反馈逻辑，能产生不同的序列。移位寄存器的序列是由它的初始状态和反馈逻辑确定的。v由r个存储器和1个（或多个）模2加法器形成反馈逻辑的移位寄存器称为r级移位寄存器，输出序列满足线性递归关系式v an= c1an-1 c2an-2 cian-i cran-r nrvci=1或0 (i=1，2，r)。若第

26、i级参加运算，则ci=1，否则ci=0。如果一个r级移位寄存器的反馈逻辑是线性的，就称该移位寄存器为r级线性移位寄存器，它的输出序列就是一个r级线性移位寄存器序列。通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码v（2）最大长度线性移位寄存器序列）最大长度线性移位寄存器序列v一个r级移位寄存器序列共有个 不同的状态，最多经过 次移位后，前 v 个状态中必定有两个状态是相同的。在这 个状态中，有一个全0状态。 0序列不考虑。v移位寄存器的状态序列与移位寄存器的输出序列周期是一致的。4级线性 移位寄存器输出序列的周期是2-1=15，这是4级线性移位寄存器最大可能的周期。r级线性移位寄存器，输出的序

27、列的最大可能周期p= 。把具有这种最大长度周期的线性移位寄存器序列称为最大长度线性移位寄存器序列，也称为m序列序列。vm序列具有某种随机性，自相关函数具有优良的性质，应用广泛。r2r2r212r12 r通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码v3. m序列的相关函数序列的相关函数v周期性二进制序列，例如两个周期均为p的周期序列an和bn，它们的互相关函数定义为 van，bn：an,bn的元素，其值为1或1。二者周期不同，例如an的周期为p1，bn的周期为p2，它们的互相关函数vp1，p2表示p1，p2的最小公倍数。npnnbap11)(,12121,1)(ppnnnbapp通信信道复用

28、和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码v由1和0构成的两个二进制序列，其相关函数vA两序列对应元素相同的个数，即两序列模2加后0的个数；vD两序列对应元素不同的个数，即两序列模2加后1的个数；vP相关元素总数，即p1，p2v计算时可先求两序列的模2和序列，然后将和序列中的0的个数减去1的个数，所得差值再除以相关元素总数P就可得到相关函数。v若an=bn，其自相关函数PDADADA)(znpnnaap11)(通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码vm序列与其移位序列的模2和序列仍是一个m序列，而r级移位寄存器总共有 个可能的不同状态，这 个不同的状态中包括了所有由r个元素构成的不同组合，

29、其中1和0各占一半，等于 -1。全0状态不允许出现，所以在一个周期中0比1少出现一次，v1的个数v0的个数v周期12rD121rA12 rppppDArr1212)(11r2r2r2通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码v当 = 0 ， ，二者模2加，和序列为0，D=0，A=p。此时vm序列的自相关函数 v上结果表明：m序列的自相关函数具双值特性。当 =0时， 出现尖峰；当离开 =0时，相关函数曲线峰值很快下降，当 =p时，又出现尖峰。如此周而复始。nnaa10)0(pppDA0101)0(p)(通信信道复用和多址方式6.4.1伪随机码伪随机码v4 组合码组合码v组合码：组合码：由两个或多个周期较短的码（称为子码）通过一定的逻辑关系构成的周期较长的码。n个子码的周期分别为p1，p2 , pn ,当两两互素时，组合码的周期： p=p1p2pnv常用的形式常用的形式：逻辑乘组合码和逻辑加组合码。v(1)逻辑乘组合码逻辑乘组合码v两个子码a和b，按c=ab可构造一个长度为pc的组合码。v(2)逻辑加组合码逻辑加