第7章+多路复用技术

计算机通信技术第7章多路复用技术第7章多路复用技术采用多路复用技术，能提高信道的利用率，在远距离传输时可大大节省传输线缆的安装和维护费用。根据信号分割方式的不同，多路复用技术可以分为：空分多路复用频分多路复用时分多路复用码分多路复用第7章多路复用技术7.1多路复用技术多路复用技术是指在数据传输系统中，允许两个或两个以上的数据源共享一个公共传输媒介。所以，采用多路复用可以将若干个彼此无关的信号合并为一个能在一条共用信道上传输的复合信号。多路复用通常可分为时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、波分复用和码分复用（CDM）等。在TDM中，由于采用的技术不同，又可分为同步时分复用（STDM）、异步时分复用（ATDM）。

第7章多路复用技术7.2频分多路复用频分多路复用将信道划分为多个频率范围不同的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号。在接收端可采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复所需要的每路信号。为防止各路信号之间的干扰，相邻子信道之间还需留有一定的保护带宽，通常称这个保护带宽为防护频带。所以，频分多路复用技术的复用条件是传输线路的可用带宽大于各路传输信号的总带宽。

7.2.1频分复用原理频分复用对整个物理信道的可用带宽进行分割，并利用载波调制技术，将每路信号调制到不同的载波上，实现原始信号的频谱搬移，使得多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内，实现频谱上的不重叠，从而共用一个信道。复用的原理如图7-3所示，图中N个信号源输入到一个频分复用器上，复用器采用不同的频率（）调制每一路信号，使它们在同一信道内分别占用不同的频带进行传输。而在接收端，解频分复用器再将复用的信号恢复成多路信号。第7章多路复用技术第7章多路复用技术图7-3频分多路复用原理第7章多路复用技术图7-4(a)频分多路复用调制过程第7章多路复用技术实际应用中，频分多路复用主要用于模拟信道的复用，使用时先对多路信号的频谱范围进行限制，然后通过变频处理，将信号分配到不同的频段上。图7-4为语音频分多路复用的过程示意图，如图7-4(a)所示，发送端的各路信号M1(t)，M2(t)，…，Mn(t)经各自的低通滤波器分别采用载波108k、104k、…、64k进行调制。各路带通滤波器滤出相应的边带（载波电话通常采用单边带调制），相加后便形成频分多路信号。第7章多路复用技术在接收端，各路的带通滤波器将各路信号分开，并分别与各路的载波108k、104k、…、64k相乘，实现相干解调，以恢复各路信号，其过程如图7-4(b)所示。图7-4(b)频分多路复用解调过程第7章多路复用技术（a）原始信号（b）调制信号（c）多路复用后的信号图7-5频分多路复用原理示意图第7章多路复用技术频分多路复用技术按频率划分信道。从频谱上看，多路基带信号被调制在不同的频谱上。由于它们在频谱上不会重叠，故它们在频率上是正交的，但在时间上是重叠的，即可以在同一个时间段内传输。

第7章多路复用技术在频分复用技术下，把信道频带分割为若干个互不相交的子频带，再把每个子频带分给一个用户专用（称为地址），这种技术被称为“频分多址”技术（FDMA）。和其它多址技术相比，FDMA模拟传输的效率较低。这是因为：①模拟信道每次只能供给一个用户使用，使得带宽得不到充分利用；②FDMA信道带宽往往大于所需要的数字压缩信道带宽，并且对于通信沉默过程中的信道资源无法有效利用；③模拟信号对噪声较为敏感，但额外噪声难以被过滤出去，信道质量难以保证。第7章多路复用技术频分复用的优点是经济实用、信道复用率高，允许复用路数多，分路也很方便。因此，频分复用已成为现代模拟通信中最主要的一种复用方式，在模拟式遥测、有线通信、微波接力通信和卫星通信中得到广泛应用。第7章多路复用技术7.2.2波分多路复用光的波分多路复用是指在一根光纤中传输多种不同波长的光信号，由于波长不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长解复用器将各路波长分解出来。与FDM不同的是WDM应用于光纤信道上的数字化光波传输过程，而FDM应用于诸如双绞线话路传输、电缆接入、峰窝电话、无线电以及TV通信等模拟传输。第7章多路复用技术波分复用的原理如图7-6所示，发送端光纤1和光纤2上的信号，通过光栅复用到一条远距离传输光纤上进行传输。在接收端再解复用到光纤3和光纤4上，利用这一过程就可以建立交换式的WDM系统。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)，目前单根光纤的数据传输速率最高可以达到数太比特每秒。第7章多路复用技术图7-6波分多路复用第7章多路复用技术光波分复用一般用波长分割复用器和解复用器(也称合波/分波器)分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离，这两个器件的原理是相同的，其主要特性指标为插入损耗和隔离度。由于光链路中使用波分复用设备后，光链路损耗的增加量称为波分复用的插入损耗。当波长为a和b的光信号通过同一光纤传送时，分波器中输入端b的功率与输出端光纤中混入a的功率之间的差值称为隔离度。第7章多路复用技术光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型四种。通常所选器件应具有灵敏度高、稳定性好、抗电磁干扰、功耗小、体积小、重量轻、器件可替换性强等优点。光波分复用的技术特点与优势如下：（1）可充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的能力增加数倍。（2）具有在同一根光纤中，传送2个或数个非同步信号的能力，其过程与数据速率和调制方式无关，在线路中可以灵活取出或加入信道，有利于数字信号和模拟信号的兼容。第7章多路复用技术（3）对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，就可进一步扩容。实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大的改动，具有较强的灵活性。（4）由于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本。（5）有源光设备的共享性可以降低多路信号传送以及增加新业务时的成本。（6）系统中的有源设备大幅减少，具有较高的系统可靠性。第7章多路复用技术7.2.3正交频分复用正交频分复用(OFDM)实际上是一种多载波数字调制技术。它通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用这N个子信号分别去调制N个正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因此可以得到较高的频谱效率。第7章多路复用技术

图7-7是采用离散傅立叶变换(DFT)实现OFDM的原理框图，其中DFT/IDFT用来实现正交子载波的调制和解调。图7-7离散傅立叶变换实现OFDM系统

第7章多路复用技术OFDM全部载波有相同的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍，正交指各个载波的信号频谱是正交的。OFDM的实现是将数据调制到大量的载波上，各载波之间在频率上非常相近，其时域信号的形式为矩形（没有过滤），以传统的正弦频谱形式存在，关键是载波在频率空间是正交的，相互之间没有干扰，其子载波频谱如图7-8（b）所示。第7章多路复用技术与图7-8（a）所示传统的FDM系统相比，OFDM系统要求的带宽要小得多。由于OFDM使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需防护频带，这样使得频谱效率更高。另外，OFDM技术可动态分配子信道中的数据，多载波调制器可以智能的分配更多的数据到噪声小的子信道上，这样就可以获得最大的数据吞吐量。第7章多路复用技术（a）传统FDM系统中各载波的频谱（b）OFDM系统中各子载波的频谱图7-8FDM和OFDM系统中载波的频谱第7章多路复用技术OFDM在3G、4G通信系统中被广泛运用，其技术优势主要表现在：①在窄带带宽下也能够发送大量的数据；②能够监控传输介质的通信特性随时间发生的变化，并动态的与之相适应；③抗多径效应对信号的影响，所以OFDM技术特别适合使用在高层建筑物及居民密集的地区。④可以有效的对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。⑤通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。⑥抗窄带干扰能力很强，因为这些干扰仅仅会影响到很小一部分的子信道。⑦信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。第7章多路复用技术OFDM技术虽然有上述优点，但是其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势，如：①对相位噪声和载波频偏十分敏感。②峰均比过大。③所需线性范围宽。第7章多路复用技术7.3时分多路复用时分多路复用(TDM)作为另一种主要的多路复用技术，其复用原理是把时间分为若干个时隙(Slot)，每个用户分得一个时隙，在其占用的时隙内，该用户可以独享信道的全部带宽。时隙的划分有交替性和周期性。交替性是指不会有连续的时隙被单个用户连续占用，而是大家轮流占用各个时隙；周期性是指时隙的分配要以一定的周期重复出现。第7章多路复用技术若介质能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，则可采用时分多路复用技术。每一时隙由复用的一个信号占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。这样，利用不同信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大的信息组进行交叉。如图7-9所示的时分多路复用器有4个输入，每个输入的数据速率假设为10kbps，那么一条容量达40kbps的线路就可容纳这4个信号源。接收端再使用解时分复用器将这4路信号分离，就完成了复用信号的传输。第7章多路复用技术图7-9时分多路复用第7章多路复用技术时分多路复用不仅仅可以传输数字信号，它还可以用于同时交叉传输模拟信号。对于模拟信号，有时可以把时分多路复用和频分多路复用技术结合起来使用。在一个传输系统中，可以将信道频分成许多条子通道，每条子通道再利用时分多路复用技术来细分，在宽带局域网络中常常使用这种混合技术。第7章多路复用技术时分多路复用进一步可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用两种。同步时分多路复用的时隙是预先分配好的，而且是固定不变的，因此各种信号源的传输定时是同步的。与此相反，异步时分多路复用允许动态的分配传输媒体的时隙。下边分别来介绍这两种时分复用技术。第7章多路复用技术7.3.1同步时分复用图7-10同步时分多路复用第7章多路复用技术同步时分多路复用采用固定时隙的分配方式，将传输信号的时间按特定长度连续划分，每路信号都有一个相同大小的时隙，各路数字信号在每一时间段都按顺序分配到一个时隙。同步时分多路复用器按照预先定义好的固定次序划分时隙，每个用户终端都机会均等的、固定的获得各自的时隙，其原理如图7-10所示。同步时分多路复用系统中，被复用的信道速率等于各信道速率的总和。也就是说，每条用户线路的数据传输速率最高不能超过总速率的1/N，N是使用复用线路的用户总数。第7章多路复用技术同步时分复用方式的优点是：控制简单，较容易实现。缺点是：在各路信号传输请求不均衡的情况下，由于时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都要占有一定的时隙，形成了时隙浪费，设备利用率较低。第7章多路复用技术7.3.2统计时分复用统计时分复用又称异步时分复用或智能时分复用，这种模式常被用于高速远程通信过程中。它能动态的根据用户对时隙的需要来分配时隙，只把确定要传送数据的终端接入链路，没有数据传输的用户不分配时隙，这样只有工作的终端才能够分到带宽，避免了空闲时隙的出现，充分提高了总带宽的利用率。同时，由于用户的数据并不按固定的时间间隔来发送，为区别该时隙属于哪一个用户，需要对每一个时隙加上用户标识，其原理如图7-13所示。第7章多路复用技术图7-13统计时分多路复用第7章多路复用技术统计多路复用器的集中器按动态方式分配时隙，有传输请求的用户终端才会获得时隙。这样采用集中器的高速干线总容量可以小于各接入线路容量之和，它们的关系由统计平均值决定。但是统计多路复用难以避免用户带宽需求超过干线总带宽的情况发生。为了解决这一问题，通常会在集中器里设置先进先出的缓存器，来不及分配时隙的用户数据可以先在缓存器里过渡一下，这样就在很大程度上避免了数据的丢失。第7章多路复用技术类似于频分多址，时分多址（TDMA）依据时隙区分来自不同的址的用户信号，从而完成多址连接。在移动通信中，时分多址把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它自己的信号区分并接收下来。TDMA较之FDMA具有通信质量高，保密较好，系统容量较大等优点，但它必须有精确的定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信，技术上比较复杂。第7章多路复用技术7.4码分多路复用

码分复用(CDM)是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，常与各种多址技术结合产生各种无线和有线接入技术。码分多址通信系统，如图7-14所示，不同用户传输信息所用的信号是用其各自不同的编码序列来区分的，或者说，靠信号的不同波形来区分。第7章多路复用技术如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。码分多址接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本的产生的码型不同，所以不能被解调。这些不能被解调信号的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰，通常称之为多址干扰。CDMA设备任何时候都可以在整个频段范围内发送信号，利用编码技术可以将多个并行传输的信号分离，并提取出所期望的信号，同时把其它信号当作噪声加以拒绝。第7章多路复用技术图7-14码分多址第7章多路复用技术目前，码分多路复用技术主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。这项技术不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响，而且增大了通信系统的容量。目前，笔记本电脑或个人数字助理(PDA)及掌上电脑(HPC)等移动性计算机的联网通信也常常使用这种技术。CDMA的原理是将需要传输且具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽得到扩展，经载波调制后再发送出去。CDMA具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本，所以被认为是移动通信技术的发展方向。第7章多路复用技术7.5空分多路复用

空分复用指通过空间的分割来区别不同的用户，该技术常常用于交换和移动通信领域。空分交换指在交换过程中入线是通过空间位置来选择出线，并建立接续的。比如，人工交换机上塞绳的一端连着入线塞孔，由话务员按主叫要求把塞绳的另一端连接到被叫的出线塞孔，这就是最形象的空分交换方式。此外，机电式（电磁机械或继电器式）、步进制、纵横制（图7-15所示）、半电子、程控模拟用户交换机以至宽带交换机都可以利用空分交换原理实现交换的要求。第7章多路复用技术图7-15纵横式单级空分开关矩阵第7章多路复用技术空分多址（SDMA）是通过不同空间路径的划分方法实现复用的一种技术，该种多址方式，是智能天线技术的集中体现。它以天线技术为基础，理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束，这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号，完成多址的划分。第7章多路复用技术在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束。每个波束可提供一个无其它用户干扰的唯一信道。