计算机网络通信原理多路复用技术.课件

1、第八章 多路复用技术龚小红福建工程学院1第1页，共42页。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2页，共4

2、2页。2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第3页，共42页。3频分多路复用技术所谓频分复用(Frequencydivision Multiplexing，FDM)是指按照频率的不同来区分多路信号的方法。ft频带 1频带 2频带 3频带4频带 5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。按频域分割信道第4页，共42页。4频分复用系统的工作原理在发送端，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

3、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。LPF1CH1调制器1BPF1LPF2CH2调制器2BPF1LPFnCHn调制器nBPF1相加器信道BPF1BPF2BPFn解调器1解调器2解调器nLPF1LPF2LPFn第5页，共42页。5注意 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。S1S

4、2S3频分复用器频分复用器f2f1f3保护带第6页，共42页。6频分多路复用技术示例 三路音频模拟信号复用一个带宽为12KHz的物理信道：300 3400第7页，共42页。7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：Bfi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。第8页，共42页。8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第9页

5、，共42页。9时分多路复用技术 时分复用(Timedivision 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。时分复用器时分复用器S1S1S2S3S3S2S1S3S2S1t1t3t2t1t3t2t1按时域分割信道第10页，共42页。10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

6、。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。第11页，共42页。11TDM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。第12页，共42页。12TDM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

7、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。 第13页，共42页。13TDM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。第14页，共42页。14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

8、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。第15页，共42页。15同步TDM(Synchronous TDM)第16页，共42页。16TDM, 复用(Multiplexing)第17页，共42页。17TDM, 分用(Demultiplexing)第18页，共42页。18异步TDM(Asynchronous TDM)第19页，共42页。19时分复用的PCM系统第20页，共42页。20PCM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(律压扩特性)制式。国际通信时，规

9、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 s。第21页，共42页。21PCM 30/32路制式基群帧结构第22页，共42页。22PCM 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 s，各个时隙从0到31顺序编号，分别记作TS0，TSl，TS2， ，TS31。 TS1TS15

10、、TS17TS31为30个话路时隙。 TS0为帧同步码，监视码时隙。 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第23页，共42页。23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

11、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。第24页，共42页。24PCM24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125s。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125s，

12、共包含193个比特。信息传输速率为：fb=8000(248+1)=1.544Mb/s第25页，共42页。25PCM24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。第26页，共42页。26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第27页，共42页。27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

13、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125s，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。第28页，共42页。28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

14、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。 第29页，共42页。29数字复接系统原理图第30页，共42页。30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

15、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。第31页，共42页。31PCM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。第32页，共42页。32数字复接产生高次群系统类型一次群二次群三次群四次群五次群

16、欧洲体制(含中国)符号E1E2E3E4E5话路数3012048019207680数据速率kb/s2048844834368139264565148北美体制符号T1T2T3T4话路数24966724032数据速率kb/s1544631244736274176第33页，共42页。33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第34页，共42页。34波分多路复用技术 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。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

17、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。第35页，共42页。35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4050dB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)。第36页，共42页。36波分多路复用之例设：一根单模光纤传输一

18、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=82.5Gb/s=20Gb/s。掺铒光纤放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)第37页，共42页。37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）第38页，共42页。38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