第五章 多路复用技术

第五章多路复用5.1多路复用的概念5.2频分多路复用5.3

波分多路复用5.4同步时分多路复用5.5统计时分多路复用5.6码分多址复用5.7局域网中的介质共享方法共39页15.1多路复用的概念在通信系统中，一条传输线路所能提供的带宽往往要比所传送的某种信号的带宽大很多。为了提高线路的传输效率，降低成本，共享通信链路的容量，提出了多路复用的概念。多路复用是指在数据传输系统中，允许两个或多个数据源共享一个公共传输媒介。就橡每个数据源都有它自己的信道一样。更进一步说，多路发用是一种将若干个彼此无关的信号合并为一个复合信号，并在一条共用信道上传输的方法。为了使多个信号能在同一条信道上传输，必须位它们被此间能够保持一定的间隔而不致相互影响，并能在接收端将它们分离出来，如图5.1所示。其实，每一端的设备都有复接和解复功能。一般所称的多路复用器兼具复用器(在不向场合也称为复接共39页2器、合波器等)和多路译码器(在不同场合也称为分接器、分波器、解复器等)的功能，简称复用器。复用器的复用和分用功能是在每条线路的端接处进行的。5.2频分多路复用频分多路发用(Frequency-Division-Multiplexing，FDM)技术是把一条线路的频带划分成许多单独的信道，每条信道占有线路频带的一部分，每个数据源占有一条信道，即每个数据源被分配在固定的频带上。一、FDM的原理和特性FDM的输入信号可以是数字信号，也可以是模拟信号，但通过媒介传输的合成信号一般是模拟信号。因此，当输入的信号为数字信号时，需要采用D/A转换的方法将数字信号转换成模拟信号，或者用数字信号直接键控载波形成ASK、FSK或PSK信号。无沦哪种方法．每路模拟信号都必须搬移到适合媒介传输的的频带上。共39页31．频率搬移2．保护频带利用频率搬移原理，可以将每一路的原始信号频谱分别移到传输媒介的不同传输频带内排列起来。形成一个频分多路复用信号。为了能从多路复用信号的频谱中区分山每一路的频谱．要求在相邻路的频谱之间留有一定的频率问陨，该频率间隔称为保护频带或保护间隔。保护频带的目的就是防止相邻各路信号之间的相互干扰。3．FDM的问题(1)串扰：不同信道上的频率发生重叠。(2)互调噪声：部件的非线性，在信道产生其他频率成分共39页4二、FDM应用实例1．音频电报系统利用FDM技术，把音频电话的有效频带(300~3400Hz)分成若干个独立的信道，每一个信道传送一路电报，这就是通常所说的载波电报。电报报文产生的数据信号使用FSK进行调制。共39页52．ADSL的频谱划分非对称数字用户线(ADSL，AsymmetricalDigitalSubscriberLine)是一种在无中继的用户环路网上利用双纹线传输高速数据的技术。分离器电话用双绞线带宽共39页6三、多路载波通信系统在多路载波通信系统中，使用FDM，把话路按层次组成不同群，其次序由低到高，即复用次序为：12话路→5基群(group)→5超群(super-group)→3主群(master-group)→4超主群(supermaster-group)→巨群(giantgroup)(怎么组织由标准确定)共39页75.3

波分多路复用波分多路复用(WaveLengthDivisionMultiplex，WDM)是光通信采用的复用技术，其名称是从单股光纤上传送多个波长的光而得来的。为了能在同一时刻进行多路传送，需将光纤可工作的有效波长划分为多个波段，每路信号分配一个波段。波分复用就是把具有不同波长的几个或几十个光载波信号复用到一根光纤中进行传送的技术，如图5-6所示。最初，只能在一根光纤上复用两路光载波信号，这种复用方式称为WDM。随着技术的发展，在一根光纤上复用的路共39页85.3

波分多路复用数越来越多，现在已能做到在一根光纤上用80路或更多路数的光载波信号，于是就使用了密集波分复用(DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing)这一名词。波分器合波器共39页95.4同步时分多路复用同步时分多路复用(Time-DivisionMultiplexing，TDM)利用时间分割方式实现多路复用。TDM系统对来自不同数据源的信号按时扫描和分离。当传输媒介所能提供的数据传输速率(带宽)超过所传输的各路数字信号的数据速率之和时，就可以采用同步时分多路复用。时分多路发用又分为同步时分多路复用(TDM)和统计时分多路复用(STDM)。统计时分多路复用又称为异步时分多路复用(ATDM)或智能时分多路复用(ITDM)。一、TDM的原理和特性时分多路复用的原理见图5-8。时分多路复用就是每一个数据源轮流使用一段时间的通信媒介，使用期间，该数据源可以以任意频率工作，而频分多路复用技术是每一数据源，同时使用通信媒介，但它们工作于媒介的不同频带。因此，TDM只用于数字传输，FDM用于模拟传输。媒介传输速率大于各路数据源速率之和共39页101．TDM的时隙和帧在一个循环中，每一个数据源的工作时间称为时隙(timeslot，也称为时间槽、时间片)，一个循环周期就是一个TDM帧。假如在每个TDM帧中，每一个数据源在帧中位置和时隙都是预先确定，这种时分多路复用就是同步时分多路复用，即TDM。否则，就是异步时分多路复用，即STDM。在一个TDM帧中，每一个时隙仅传送一个位或一个字符，TDM将每一个低速信道的位或字符交错排列起来，然后以较高的速度传送到集合信道上。2．位交错技术和字节交错技术在高速集合信道传送TDM帧中，每一个时隙只传送一个低速信道的1位数据，或只传送一位的帧同步信息。其原理如图5-9所示。(1)位交错技术共39页11(2)字节交错技术字节交错技术在一个TDM帧中，每一个时隙传送一个低速信道的一个字节，或传送一个帧同步码，其原理如图5-10所示。当某一个通道没有数据传送时，用一个空闲字符代替。共39页123．同步时分多路复用的问题同步TDM必须解决帧同步和速率适配这两个问题。解决帧同步的技术有帧同步码、成帧位、剥夺位帧同步和唯一线路码；解决速率适配的技术有抽样法、跃变编码法和止码元调整法。二、帧同步1．帧同步码(附加信道帧同步)在TDM中，对TDM帧和帧中的时隙做标识是必不可少的。帧同步就是对帧进行定界，对比特流进行成帧(framing)处理。为了获得帧同步，在传输中必定要增加开销。帧同步码的方法就是在TDM帧中，多增加一个时隙，该时隙专门用来传送一个特殊的标识字符(帧同步码)，TDM接收方通过识别帧同步码，获得帧同步。由于一个时隙对应一个信道，传送帧同步码的时隙就相当于多了一个附加信道。因此，这种方法也称为附加信道帧同步法。共39页131．帧同步码(附加信道帧同步)6个同步码，其它位不能超过连续出现2个或2个以上同步码2．成帧位()成帧位的方法与帧同步码的方法一样，只不过在TDM帧中附加的不是一个字符，而是仅仅附加一位。在这个控制位上，从帧到帧全部采用可识别的位模式，典型的例子如图4-12所示。针对每一位，30次模式才认为同步共39页143．剥夺位帧同步附加成帧位的同步效率很低，一种替换的解决办法是把n个TDM帧组成一个复帧，在每个复帧的第n帧中都用一个帧同步位取代数据最低有效位。参数n的选择取决于建立帧同步的时间和信号损失之间的折中。剥夺位帧同步(robbeddigitalframing)不中断传输，但是需要周期性地置换数据位，通过引入数据误差来换取时钟同步的保持。剥夺位帧同步方法用于音频、视频数据源还是可行的。较小的数据误差不会影响听或看的可信度，但在计算机通信中，不能使用该方法。4．统计帧同步统计帧同步(statisticalframing)既不需要剥夺位，也不需要附加位，它是根据特定代码中0和1分布的概率来判别的。5．唯一线路码帧同步在采用唯一线路码帧同步(uniquelinecodeframing)共39页155．唯一线路码帧同步的系统中，帧同步码的电信号与数据的电信号不同，不是幅度更高就是更低，或是持续时间不同。最早的PCM/TDM系统就使用唯一线路码帧同步，即T1信道组合所用的帧同步脉冲是常规数据位幅度的两倍。10Mb/s以太网和令牌环网分别使用的是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，而它们在帧开始和结束时，都使用了违背编码规则的标志码用于给帧定界。快速和自动同步是这种方法的优点，缺点是产生和辨认这种帧同步要附加一些要求。三、速率适配在通信网中，数字复接器将两个或两个以上的支路(低次群)信号按时分复用方式合并成一个单一的高次群信号。被复接的各支路信号彼此之间必须同步，并且与复接器的定时信号同步。系统同步的方法有3种：同步复接、准同步复接和异步复接。同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低共39页16三、速率适配准同步复接是被复接的各支路信号之间不同步，支路信号与复接器的定时信号也不同步，但各支路信号的标称速率相同，也与复接器的标称速率相同。速率的变化范围在规定的容差范围内。准同步复接在复接之前需要进行速率适配。异步复接是各低次群使用各自的时钟。这样，各低次群的时钟速率就不一定相等，时钟频率的变化范围较大，因而在复接时先要进行速率适配，使各低次群同步后再复接。速率适配是把输入到复用器的各种各样的数据信号变为等时的(具有统一的脉冲长度)数字信号，该等时数字信号的时钟与多路复用器的时钟同步。因此，各低速信道输人的数据信号首先经过速率适配器，然后再到复用器，如图5-13所示。常次群．使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，这样就可达到系统同步的目的。这种同步方法的缺点是主时钟一旦出现故障，相关的通信系统将全部中断；优点是无须进行速度适配(码速调整)。共39页17三、速率适配用的速率适配方法有：抽样法、跃变编码法和止码元调整法。1．抽样法抽样速率的选择，应使由此产生的等时失真(d＝fd/fs)在允许的范围内。若等时失真允许为5%，则抽样速率为fs=20fd内。这种方法电路简单。但传输速率高，传输信息冗余度较高。共39页181．抽样法2．跃变编码法第三个脉冲第二个脉冲0→11→0采样速率保证多少个采样点，才准许数据源发生一次变化共39页192．跃变编码法这样处理后，等时数字信号的速率仅为抽样速率的1/4。在两个编码字符之间的连续位P，表示非等时数据信号的极性，其数目与低速信号数据信号速率(通常称为调制速率)有关。当调制速率为等时数字信号速率的1/3时，P的数目为0，这时由抽样产生的等时失真d最大，即共39页203．止码元调整法对于低速信道字符格式和数据速率fd已知的异步起止式信号，可用等于或略大于fd的抽样速率fs的脉冲对起止信号抽样。抽样后，字符中除了止码元外(停止位)外的每一个码元都成为一位的等时信号，而止码元则为1位或连续二位的等时信号4．3种速率适配法的比较抽样法和跃变编码法所产生的等时信号，不仅能表示数据共39页214．3种速率适配法的比较信号的极性，而且能表示数据信号的长度(在允许失真范围内)。因此，接收端能直接从收到的等时信号中恢复数据信号，而且与数据信号的速率、字符结构无关。把在一定传输速率范围内，输入数据的速率和字符结构不受限制的复用器称作码速(码型、速率)独立时分复用器。称这种复用系统为透明系统。在止码元调整法中，是利用字符的止码元进行速度适配的。发送端依据被发送数据的速率、字符结构来产生等时信号，此等时信号仅表示字符结构中每单元的极性。接收端收到等时信号后，要根据预先规定的速率、字符结构恢复出正确的字符。因此，对不同速率、不同字符结构的数据信号，复用器的设计都是各不相同的。称这样的TDM为码速相关时分复用器。对于同一速率的低速数据信号，不同速率适配方法，其传输速率差别甚大。抽样法的传输速率最高，跃变编码法次之，止码元调整法传输速率最低。换言之，止两元调整法的系统容量最大，抽样法的系统容量最小。共39页22四、TDM数字通信的层次结构在构成大容量的时分多路复用数字传输系统时，采取分级复用方式来实现。通信网存在两大传输体制：PDH和SDH。在远程主干网中，SDH(同步数字系列)目前已经逐步取代了PDH(准同步数字系列)。具体使用涉及到专门知识，可以找有关资料了解。共39页235.5统计时分多路复用统计时分多路复用(StatisticalTimeDivisionMultiplexing,STDM)是时分多路复用的一种。与同步时分多路复用相比，统计时分多路复用对时隙的分配不是固定的，而是根据数据源发送数据的统计特性按需分配时隙。因此，统计时分多路复用具有带宽动态分配的特点。一、STDM的原理和特性1．动态带宽分配统计时分多路复用的特点就是“动态带宽分配”。STDM扫描各数据源，当数据源有数据要发送时，STDM就分配一个时隙给该数据源。如果数据源无数据要发送，STDM就不给该数据源分配时隙，而是马上搞描下一个数据源。这样在一个扫描周期里，发送数据的多少是不固定的，一个扫描周期的时间也是不固定的。共39页241．动态带宽分配共39页252．STDM的性能在STDM中，时隙的位置是不固定的。这样，在某个时隙里发送的数据到底是哪个数据源，复用器的分路装置是不知道的。为了对数据进行正确的再分配，每个时隙不仅传送数据，而且也传送地址。因此，统计时分多路复用的每个时隙存在额外开销。虽然STDM存在额外开销，但是由于STDM采用“带宽动态分配”的方法，STDM输出的数据速率可以小于输入数据源速率的总和。为了达到上述性能，可在复用器内装上缓冲器，解决当输入超过允许容量时出现的拥挤现象二、STDM的构成虚拟信道数小于实际数据源数(实际信道数)共39页26压缩编码的功能首先是将异步数据信号的每一个字符的起、止码元除掉，只保留信息码元。接收端收到信息码元后，再加上起、止码儿，这就压缩了集合中的数据量。另外，对字符还可以使用哈夫曼(Huffman)编码，其思路是频率高的字符用短码字表示，频率低的用长码字表示。1．压缩编码统计时分多路复用器有字符交错型和比特交错型两种。用字符交错型说明其工作过程，如图5-18所示。2．数据缓冲器数据缓冲器用于存储低速信道中经过压缩后的字符。数据缓冲器可为各低速信道所占用，也可为某几个或任意一个低速信道所占用。当各虚拟信道的传输速率之和等于集合信道传输速率时，缓冲器的存储量为一常数。当各虚拟信道的传输速率之和大于集合信道的处理能力时，剩余字符就暂存在缓冲器中，等到业共39页272．数据缓冲器当信道误码率较高，系统反馈重发次数较多，或当业务量峰值持续时间较长，或者二者同时发生时，均有可能使缓冲器溢出。因此，必须控制低速信道的数据流。控制方法有硬件和软件两种。务量降低时，再把剩余字符发送出去。因此，数据缓冲器能在短时间内平滑业务量的峰值。3．虚拟信道接入器由于STDM的效率一般大于100％，因此，实际的低速信道数常大于虚拟信道数。4．帧存储器帧存储器存放待发送的STDM帧。在STDM帧中，除了TDM帧所具有的帧同步控制共39页284．帧存储器信息外，还具有地址、序号、校验等其他的附加控制信息，以使接收端识别数据源和实现无差错的传输。字符交错STDM系统的帧结构如图5-20所示。通常，STDM系统也使用诸如高级数据链路控制(HDLC)规程一类的同步规程，如图5-21所示。在一些帧结构中只传输一个数据源的数据，这种情况把它称之为数据组交换。三、ATM的复用方式ATM(AsynchronousTransferMode，异步传输模式)是实现B-ISDN(宽带综合业务数字网)的核心技术，它是在统标题开始帧序号或接收应答NAQ虚拟信道的控制信息，虚拟信道的地址号码和每一信道的字符数共39页29三、ATM的复用方式计时分多路复用技术的基础上发展而来的。ATM的传输单位是固定长度(53字节)的信元(Cell)，即在多路复用中，每个时隙传输一个固定的信元。“异步”的含义是指信元插人到通信线路的位置是任意的，无一定的周期性。这是相对于同步传输模式(STM)中时隙位置固定而言的，与物理线路上的异步通信控制方式的概念不一样。实际上，ATM网络在物理线路上是按同步串行通信控制方式传输码元信号的。1．ATM信元的结构(1)GFC(GenertcFlowControl)网络到网络接口(NNI),GFC作VPI的扩展虚拟信道地址编号，信元的拥有者在一个接口上接有多个终端时，这些终端共享缓冲器、接口线路等资源。因此，使用GFC对它们发送的业务量进行控制，实现流量控制，减少可能出现的过载现象。丢弃优先级头CRC码共39页302．ATM信元的定界ATM利用HEC数据对信源进行定界。(2)VPI(VirtualPathIdentifier)(3)VCI(VirtualChannelIdentifier)(4)PT(PayloadType)(5)CLP(CellLossPriority)(6)HEC(HeadErrorControl)，信元差错控制虚拟路径标识符，一般用于主干网上线路的交叉连接。虚信道标识符，随呼叫的发生而生成，随呼叫的释放而取消。在一个接口上用VPI和VCI这两个值就能完全识别一个呼叫。VPI和VCI相当于虚拟信道地址编号，标识了信元是哪个用户的。有效负荷类型，用来表示信元中的数据是用户信息还是网络信息，信元是否经历了拥塞，是否为最后一个信元。信元丢失优先权，等于1的信元在网络发生阻塞型可以丢弃，一般对时间比较敏感，而正确性不敏感的信元可以丢弃，例如声音、图象等。共39页315.6码分多址复用码分复用(CDMA，CodeDivisionMultiplexingAccess)是另一种共享信道的入方法。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。在CDMA系统中，发送端用互不相干、相相正交(准正交)的地址去调制所要发送的信号，接收端则利用码型的正交性，通过地址从混合的信号中选出相应信号。在CDMA中的每1bit时间被划分为m个短的时间间隔，称为码片(Chip)。通常m的值是64或128。对于每一个通道，都分配一个码片，这些码片是相互正交的，即然后这些通道就可以使用这些码片发送信息，达到共享通道的目的，具体实现涉及到专业知识，大家想了解可以查阅资料。发送1发送S，发送0发送S的反，停止不发送。共39页325.7局域网中的介质共享方法一、共享介质局域网拓扑结构广播式、共享介质共39页33二、介质访问控制方法1、CSMA/CD介质访问控制方法IEEE802.3标准协议规定了CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection，具有冲突检测能力的载波监听多路访问)访问方法和物理层技术规范，采用IEEE802.3标准协议的典型网络是以太网(Ethernet)。站点计算机以帧的形式发送数据，帧的头部含有目的站地址和源站地址。帧通过信道的传输是广播式的，所有连接在信道上的设备都能检测到该帧。当目的站检测到目的地址为本站地址的帧时，就接收该帧并继续阅读该帧中包含的数据。采用这种操作方法，在信道上可能有两个或更多的设备在同一瞬间都发送帧，从而在信道上造成帧的重叠而出现差错，