第六章 多路复用技术

第六章多路复用技术

2/7/20231本章内容简介多路复用技术可使多路信号在一个信道上进行传输。频分多路复用时分多路复用同步时分多路复用统计时分多路复用码分多路复用波分多路复用数字复接技术与PDHSDH2/7/20232多路复用概述多路复用是指在一条物理信道上，同时传输多路信号而不相互干扰，且这些信号符合信号分割的技术原理。信号分割是多路复用的基础。信号分割依据信号之间的差别，如频率、时间或者码型结构。信号分割原理表明：对在线性信道上传输的多路复用信号实现有效分割的充分必要条件是相互线性无关。但是为了降低设备的复杂性，在实际应用中要求各路信号相互正交。2/7/20233信号的正交性则称f1(t)和f2(t)互为正交。假定有两个信号若f1(t)和f2(t)，如果在区间(t1，t2)上满足:2/7/202341、三角交函数集:常用正交函数集(t0，t0+T)

2、指数函数集:(t0，t0+T)

3、抽样函数集:(-，)

2/7/20235信号的正交性信道输出的多路复合信号是：所以，只要将各路信号与复合信号的乘积进行积分运算，即可实现正交信号的分割。复用技术包括复合、传输和分离三个过程。信号的正交化设计。2/7/202366.1频分多路复用（FDM-------frequencydivisionmutiplexing）线路的通频带分成多个子频带，分别分配给用户形成数据传输子通路，用户数据通过分配的子通路传输，当该用户没有数据传输时，别的用户不能使用，此通路保持空闲状态。FDM主要适用于传输模拟信号的频分制信道，主要用于电话、电报和电缆电视（CATV）。在数据通信中，需和调制解调技术结合使用。

优点：多个用户共享一条传输线路资源。

缺点：给每个用户预分配好子频带，各用户独占子频带，使得线路的传输能力不能充分利用。2/7/20237频分复用频率时间频率1频率2频率3频率4频率52/7/202386.1频分多路复用（FDM）频分多路复用示意图2/7/202396.1频分多路复用（FDM）考虑到大容量载波电话在传输中合群、分群的方便，现在对多路载波电路已经形成一套标准的等级。有基群、超群和主群等。主要针对其频带划分和信道容量。2/7/2023106.2时分多路复用（TDM------timedivisionmutiplexing

）FDM：以频率作为分割信号的参量；采用模拟技术，对计算机通信不太合适。TDM：以时间作为分割信号的参量；即信号在时间位置上分开但它们能占用的频带是重叠的。当传输信道所能达到的数据传输速率超过了传输信号所需的数据传输速率时即可采用TDM.2/7/2023116.2时分多路复用（TDM------timedivisionmutiplexing

）固定时隙分配方式，一条物理信道按时间分成若干个时间片，轮流地分配给多个信号，时间上不重叠。每一时间片由复用的一个信号占有，在一条物理信道上传输多个数字信号。通过时分多路复用技术，多路低速数字信号可复用到一条高数据速率的信道。

优点：多路低速数字信号可共享一条传输线路资源。

缺点：时隙是预先分配的，且是固定的，每个用户独占时隙，时隙的利用率较低，线路的传输能力不能充分利用。2/7/202312时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2/7/202313时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2/7/202314时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2/7/202315时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2/7/2023166.2时分多路复用（TDM）时分多路复用示意图2/7/2023176.2时分多路复用（TDM）TDM基本原理：其理论基础是基于抽样定理（SamplingTheorem）。因为抽样定理使得时间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能。抽样定理：一个频带限制在（0,fmax）内的时间连续信号m(t),如果以不低于2fmax的速率进行抽样，则m(t)可由抽样值完全确定。即：若fs>=2fmax

（fs代表采样频率fmax为最高频率）则理论上就有一种方法能用采样后的离散信号完全无失真地恢复原来的信号2/7/2023186.2时分多路复用（TDM）关键问题：收发双方的同步复用器中的电子开关是关键部件TDM工作特点：通信双方是按照预先指定的时间进行数据传输的而且这种时间关系是固定不变的某一时刻而言，信道上仅传送一对设备之间的信号而不是多路复用信号某一时间段而言，信道上传送多路复用信号2/7/2023196.2时分多路复用（TDM）帧：TDM传送信号时，将通信时间分成一定长度的帧。每一帧又被分成若干时间片。即一帧由若干个时间片组成。帧中的每个时间片是预先分配给某个数据源的，且这种关系固定不变。不论有无数据需要发送，所有数据源的时间片都会被占有；在具有N路输入系统中，每个帧至少含有N个时间片。2/7/2023206.2时分多路复用（TDM）时分多路复用器S4S3S2S11234123412344路输入信号每帧含有4个时间片帧n帧2帧12/7/2023216.2时分多路复用（TDM）交错：同步时分多路复用器关键部件是高速的电子开关；当开关移动到某个设备前，该设备就有机会向公共通路传输规定大小的数据。开关的这种以固定的速率和固定的顺序在设备间的移动过程就称作交错；交错可以按bit/byte/Datablock数据复用按照交错的长度可以分为：比特交错法，字符交错法和码组交错法。最常用的是字符交错。2/7/2023226.2时分多路复用（TDM）

低通滤波器1低通滤波器2低通滤波器n－1低通滤波器n基带信号m1(t)m2(t)mn-1(t)mn(t)信道m1′m２′mn-1′mn′发送端接收端时分复用系统示意图(t)(t)(t)(t)同步2/7/2023236.2时分多路复用（TDM）字符交错法帧结构：

SF帧同步头,控制信号序列CSS，Mi代表第M路信号中的第i个符号SFCSSAi…Mi2/7/2023246.2时分多路复用（TDM）TDM最典型的例子就是广泛应用于脉冲编码调制的技术PCM(PulseCodedModulation)PCM电话系统是时分多路PCM系统的一种最重要的应用。现在PCM没有统一的标准，各个国家使用了各种互不兼容的方法。北美和日本的技术：T1线路（24）ITU-T推荐的TDM标准：E1线路（30）2/7/2023252/7/2023266.2时分多路复用（TDM）语音信号300HZ—3400HZ，一般取4000HZ根据抽样定理，抽样周期T=1/8000HZ=0.125us复用后形成的帧应保证至少125us轮流传送一次基群的传码率为:8000*32*8=2.048Mbps,称为E1速率。还有T1速率,1.544Mbps2/7/2023276.3统计时分多路复用（STDM—static）

据用户实际需要动态地分配线路资源，因此也叫动态时分多路复用或异步时分多路复用。也就是当某一路用户有数据要传输时才给它分配资源，提高线路利用率。

优点：线路传输的利用率高适于计算机通信中突发性或断续性的数据传输缺点：每个时隙都要添加地址段2/7/2023286.3统计时分多路复用（STDM）

TDM与STDM复用原理的基本差别示意图2/7/2023296.3统计时分多路复用（STDM）衡量STDM复用器性能的参数N：输入数据源的数目R：每个源的数据率（bps）M：复用链路的有效容量（bps）α：每个源传输数据所占的时间与通信总时间的比值，一般有0<α<1K=M/NR:复用链路容量对最大输入总量之比。α<=K<=12/7/2023306.4波分多路复用（WDM）

光纤中使用的复用方式在发送端将不同波长的信号组合起来（复用），送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），恢复出原信号后送入不同的终端。构成形式：WDM系统基本构成主要有两种形式：即双纤单向传输和单纤双向传输。2/7/2023316.4波分多路复用（WDM）

双纤单向传输示意图2/7/202332单纤双向传输示意图2/7/2023331550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm6.4波分复用WDM波分复用就是光的频分复用单模光纤2.5Gbit/s→WDM2×2.5Gbit/s→DWDM8×2.5Gbit/s

82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器2/7/2023346.4波分多路复用（WDM）

WDM技术的主要特点如下：（1）充分利用了光纤的巨大带宽资源，传输容量增加几十倍。（2）各波长相互独立，可传输特性不同的信号，完成各种业务信号的综合和分离，实现多媒体信号的混合传输。（3）WDM技术使N个波长复用起来在单根光纤中传输，并且可以实现单根光纤的双向传输，以节省大量的线路投资。（4）WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。（5）充分利用成熟的TDM技术，且对光纤色散无过高要求。（6）WDM的信道对数据格式是透明的，是理想的扩容手段。（7）可实现组网的灵活性、经济性和可靠性，并可组成全光网。2/7/2023356.5码分多址复用CDMA常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)各用户使用经过特殊挑选的不同码型——彼此不干扰频带和时间重叠共用优点：抗干扰隐蔽（频谱类于白噪声）容量大——GSM的几倍（GlobalSystemforMobilecommunications，全球数字移动电话系统）发射功率低2/7/2023366.5码分复用——码片序列(chipsequence)

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己的mbit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8bit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。S站的码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)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)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。2/7/2023376.5码分复用

——码片序列的正交关系

令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)都是0：(3-4)令向量S为(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T为(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(3-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。2/7/202338任何一个码片向量和该码片向量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。6.5码分复用

——码片序列的正交关系特性

2/7/202339*实际上是用m比特来表示1比特，各站的比特由此可分辩。扩频通信：频带为原来m倍码片向量的内积：S·T=∑SiTi/m各站的码片序列互相正交：S·T=0，S·T反=0且有：S·S=1，S·S反=-1多站通信同步：所有码片序列同时起止。当x站接收S信号时，便用S的码片向量与接收的一比特混合信号求内积，结果剩下的仅仅是S信号：发1时内积结果是+1，发0时内积结果是-1。6.5码分复用

——码片序列的正交关系特性

2/7/2023406.5码分复用——CDMA的工作原理

2/7/202341CDMA例2/7/2023422/7/2023432/7/2023446.6数字复接与准同步数字复接体系（PDH）数字复接的基本概念同步复接与异步复接PCM零次群和PCM高次群2/7/2023456.6.1数字复接的基本概念为了扩大数字通信的容量，可以采用两种办法：第一种是数字复用，通常指时分多路复用第二种是数字复接技术2/7/2023466.6.1数字复接的基本概念采用时分复用的方式能扩大的容量十分有限，传送120路电话，就需要对120路信号分别进行8kHZ抽样，每个抽样值8位编码，传码率为8000*120*8=7680kb/s，每个抽样值的编码时间只有1us，这要求有非常高的编码速率，对电路及元、器件的精度要求高，实现困难。将几个PCM复用后的信号再进行时分复用，经过数字复用后的数码率提高了（不需要PCM），但是对于每一个基群的编码速度没有提高，实现容易，使用广泛2/7/2023476.6.1数字复接的基本概念数字复接：若干路低速数字信号流（低次群）合并成高速数字信号流（高次群）技术难度集中到骨干网上2/7/2023486.6.2数字复接系统构成调整：复接前须使各低次群数码速率互相同步，同时使其符合高次群帧结构的要求。同步:分接器的定时单元须由接收到的时钟信号驱动,并与复接器的基准时间信号保持同步(频率、相位)。2/7/202349按位复接按位复接是每次复接各低次群（也称为支路）的一位码形成高次群。按字复接按字复接是每次复接各低次群（支路）的一个码字形成高次群。PCM按帧复接6.6.3数字复接的分类2/7/2023506.6.3数字复接的分类a.同步复接用统一的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的数码率（简称码速）统一在主时钟的频率上（这样就使几个低次群系统达到同步的目的），可直接复接（复接前不必进行码速调整）。需相位调整b.异步复接各自独立时钟；须频率相位调整。c.准同步复接各路信号由不同的时钟控制，允许在一定的范围内有偏差。需要进行码速调整。2/7/2023516.6.4准同步数字复接系列PDHCCITT推荐的两类准同步数字复接：PlesiochronousDigitalHierarchy两种规格：PCM24路1.544Mbps、PCM30／32路2.048Mbps2/7/202352ITU-TG.742推荐的正码速调整异步复接二次群帧结构如图所示。帧周期为100.38μs,帧长为848bit。（最少）有4×205＝820bit为信息码（四个一次群码速变换之前的码元，不包括插入的码元），（最多）28bit的插入码。复接二次群帧结构——8.448Mbps2/7/202353PCM零次群和PCM高次群一、PCM零次群 PCM通信最基本的传送单位是64kbit／s，即一路话音的编码，因此它是零次的。二、PCM子群 速率介于64kbit／s和2048kbit／s之间的信号称为子群。子群速率主要考虑到下列因素。 （1）与某些传输介质相匹配。 （2）与某些业务种类相匹配。 （3）复接速率与其它等级相配合并有一定的规则性。 PCM子群还可用于用户环路和小容量的特殊通信需要。三、PCM高次群n次群由若干路n-1次群合成。 比二次群更高的等级有PCM三次群、四次群、五次群等。2/7/202354PCM复接等级2/7/202355一、PDH的弱点(1)只有地区性数字信号速率和帧结构标准而无世界性标准。(2)没有世界性的标准光接口规范，各厂家专用光接口。(3)低等级信号（如2048kbit／s，1544kbit／s）采用同步复用，多数等级信号采用异步复用，靠塞入