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1、第 5 章 信道复用与数字复接 第 5 章 信道复用与数字复接 5.1 频分多路复用(FDM) 5.2 正交频分复用(OFDM) 5.3 时分多路复用(TDM) 5.4 数字复接技术 第 5 章 信道复用与数字复接 5.1 频分多路复用（FDM） 5.1.1 直接法FDM当复用的路数不是很大时可用直接法实现FDM。 频分多路复用是指将多路信号按频率的不同进行复接并传输的方法。在频分多路复用中，信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的原始信号，这个过程就是多路信号复接和分接的过程。 第 5 章 信道复用
2、与数字复接 图5-1 (a)是频分多路复用的系统原理框图。设有N路相似的消息信号f1(t)，f2(t)，fN(t)，各消息的频谱范围为Wm。 由系统框图可见，在系统的输入端，首先要将各消息复接，各路输入信号先通过低通滤波器(LPF), 以消除信号中的高频成分， 使之变为带限信号。然后将这一带限信号分别对不同频率的载波进行调制，N路载波c1， c2，cN，称为副载波。 若输入信号是模拟信号，则调制方式可以是DSB-SC、AM、SSB、 VSB 或FM，其中SSB方式频带利用率最高，若输入信号是数字信号， 则调制方式可以是ASK、FSK、PSK等各种数字调制。 第 5 章 信道复用与数字复接 图
3、5-1 直接法FDM系统的原理图及频谱图 (a) 系统原理框图； (b) 频谱图 第 5 章 信道复用与数字复接 在某些信道中，总信号fs(t)可以直接在信道中传输，这时所需的最小带宽为 WSSB=NWm+(N-1)Wg=Wm+(N-)Ws在无线信道中，如采用微波频分复用线路，总信号fs(t)还必须经过二次调制，这时所使用的主载波a要比副载波cN高得多。 最后，系统把载波为a的已调波信号送入信道发送出去。主载波调制器MOD可以采用任意调制方式，视系统的具体情况而定， 通常采用调频(FM)方式。 第 5 章 信道复用与数字复接 5.1.2 复级法FDM当复用路数很大时，可以采用复级法实现FDM，
4、通常利用多级调制产生合成信号fs(t)。 考虑两级调制，若将N个信号分成m个组，每组由n路单边带信号组成， 每路调制在一个副载波上，则各组的副载波应当相同，显然，这时选择的mnN。具有相同频谱宽度的m个已调信号再进行第二次单边带调制，所用的m个主载波为a1, a2, , am ，这些载波间隔应大于nWm。最后将m组单边带信号合成为总信号fs(t)送入信道传输。 复级法FDM的系统原理框图及频谱图如图5-2(a)、(b)所示。 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-2 复级法FDM的系统原理框图及频谱图 (a) 系统原理框图； (b) 频谱图 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-2 复级法
5、FDM的系统原理框图及频谱图 (a) 系统原理框图； (b) 频谱图 第 5 章 信道复用与数字复接 将直接法和复接法进行比较可知，两者最大容量均为N=mn，但所用的载波数不同，直接法所用的载波数为mn，而复接法为(m+n)， 故可节约载波数为(mn-m-n)。 在两级复用系统中，复级法需要(mn+m)个调制器， 而直接法需要mn个， 两级复用比单级多用m个调制器。 实际的多路载波电话系统采用多级调制、分层结构形式， 图5-3给出了实际系统的框图和频谱结构图。 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-3 多路载波电话系统的组成及频谱结构图 (a) 多路载波电话系统原理框图； (b) 话音信号基
6、带频谱图； (c) 基群信号的频谱配置； (d) 超群信号的频谱配置 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-3 多路载波电话系统的组成及频谱结构图 (a) 多路载波电话系统原理框图； (b) 话音信号基带频谱图； (c) 基群信号的频谱配置； (d) 超群信号的频谱配置 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-3 多路载波电话系统的组成及频谱结构图 (a) 多路载波电话系统原理框图； (b) 话音信号基带频谱图； (c) 基群信号的频谱配置； (d) 超群信号的频谱配置 第 5 章 信道复用与数字复接 一个超群由5个基群复用而成，共60路电话，调制时所有主载波为fam=372+48m，m=1
7、，2，5。同样选用单边带下边带调制，经滤波后复接成一个超群，频率范围为312552 kHz，共240 kHz带宽。若采用单边带上边带调制，则频率范围为60300kHz。 一个主群由10个超群复用而成，共600路电话。主群频率配置方式共有两种标准，L600和U600，其频谱配置如图5-4所示。 L600的频率为602788 kHz，U600的频率范围为5643084 kHz。 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-4 主群频谱配置图 (a) L600主群频谱配置图； (b) U600主群频谱配置图 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-4 主群频谱配置图 (a) L600主群频谱配置图； (
8、b) U600主群频谱配置图 第 5 章 信道复用与数字复接 调频立体声广播系统就是一个典型的采用FDM方式实现立体声广播的例子，其发送端原理框图如图5-5（a）所示。 假设m1(t)、m2(t)为带宽相同的左右两路声道基带信号， 其频谱结构如图55(b)所示，系统以19 kHz的单频信号作为导频插入发射信号之中，以便于在接收端提取相干载波和立体声指示， 调频立体声广播系统占用频段为88108 MHz 。 第 5 章 信道复用与数字复接 在调频之前，首先采用抑制载波双边带调制将左右两个声道信号之差m1(t)m2(t)(t)与左右两个声道信号之和 m1(t)m2(t) 实行频分复用。 复用后的立
9、体声信号频谱结构如图5-5(c)所示。 图 5-5 中，015kHz用于传送m1(t)m2(t)信号，2353kHz用于传送 m1(t)m2(t)(t) 信号，19kHz就是单一频率的导频信号。 在接收端为了恢复出相应的左、右声道信号m1(t)和m2(t) ， 就要采取相应的解调和分接处理。 接收端框图如图5-5(d)所示。 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-5 调频立体声系统原理框图 (a) 发送端框图； (b) 基带信号频谱； (c) 复用信号频谱； (d) 接收端框图 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-5 调频立体声系统原理框图 (a) 发送端框图； (b) 基带信号频谱；
10、(c) 复用信号频谱； (d) 接收端框图 第 5 章 信道复用与数字复接 5.2 正交频分复用(OFDM) 克服衰落的途径很多。在移动通信中，为克服角度扩散引 起的空间选择性衰落而采用分集接收技术；为克服多普勒频率 扩散引起的时间选择性衰落而采用信道交织编码技术；为克服 多径传播的时延功率谱的扩散引起的频率选择性衰落而采用 Rake接收技术。除此之外，采用多载波传输的方式来研究 如何克服多径效应引起的时延功率谱的扩散而带来的频率选择 性衰落更有意义，这种方法是将高速串行数据分解为多个并行 的低速数据后采用多载波FDM方式传输的。经过串/并变换后,每 路数据码元宽度加长，从而减少了码间串扰的影
11、响，又由于每 路采用窄带调制，可减少频率选择性衰落的影响。 如果采用正 交函数序列作为副载波，可使载波间隔达到最小，从而提高频 带利用率，这就是所谓的正交频分复用(OFDM)。 图56示出了 单载波调制、FDM及OFDM三种方式的比较。 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-6 单载波调制、FDM、OFDM三种方式的比较 第 5 章 信道复用与数字复接 5.2.1 OFDM的基本原理由上述内容可知，将高速串行数据变换为低速并行数据后， 再将这些并行数据用正交的副载波进行调制，然后按FDM复用原理进行复用，便可得到OFDM信号。OFDM的时域原理框图如图5-7所示。 第 5 章 信道复用与数字
12、复接 图 5-7 OFDM的时域原理框图 第 5 章 信道复用与数字复接 由图 5-7可见，1，2，N是输入端高速串行信息数据码元，S/P是串/并变换单元，f1，f2，,fN是N个正交副载波， 并行码元经正交副载波调制后，在时域波上相加合并发送至信道。 Ts是串行码元的周期，Tp是发送的并行码元的周期，一般有TpNTs，N是给定信号带宽B中所送用的副载波数。 N越大，实际发送的并行码元信号周期TpNTs就越长，抗码间串扰(ISI)的能力也就越强，同时，OFDM信号的功率谱也就越逼近于理想低通特性。 第 5 章 信道复用与数字复接 5.2.2 基于FFT的OFDM系统组成 图5-8是基于FFT的
13、FDM系统组成框图。OFDM单个频谱是一个非带限的Sa(x)函数，用离散傅氏变换DFT调制、解调并行数据，即用高效的快速傅氏变换FFT实现传输和接收，将DFT运算量从N2降为N lbN，N为信道数目。由图 5-8可知，输入的高速串行数据先进行串/并变换，以x比特分组成复数，x的大小取决于对应的副载波的星座图，如16QAM中的x=4。复数通过快速傅氏反变换(IFFT)以基带形式被调制，再变换为串行数据传输。 插入保护间隔的目的是避免多径失真产生的码间串扰ISI。最后经过D/A变换，低通滤波LPF，上变频送入信道。 第 5 章 信道复用与数字复接 接收端完成与发送端相反的处理，可用均衡器校正信道的
14、 失真，均衡滤波器的抽头系数可根据信道信息来计算。 图 5-8 第 5 章 信道复用与数字复接 并行数据序列d0，d1，dN-1中的每个dn是一个复数dn=an+jbn，经过傅氏反变换后得到复数矢量D=(D0，D1，DN-1)，即 (m=0, 1, , N-1) （5-1） 式中，fn=n/(Nt)；tm=mt，t是数据序列dn任选的码元宽度。 矢量D的实数部分为 (m=0, 1, , N-1) （5-2） 第 5 章 信道复用与数字复接 若在时间间隔t内通过低通滤波器，得到的信号十分接近频分复用信号 (0tNt) （5-3） 图5-9是一个具有保护间隔的OFDM信号的时域和频域示意图。适当选
15、择载波间隔，使OFDM信号的频谱是平坦的，且能保证子信道间的正交性。 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-9 具有保护间隔的OFDM的时域和频域示意图第 5 章 信道复用与数字复接 由于实际信道总是存在许多干扰，如随机噪声、脉冲噪声、多径失真、衰落等，这些都会对接收信号产生影响。又因为OFDM信号频谱不是严格带限的抽样函数，线性失真将会导致每个子信道的能量扩散到邻近信道，从而引起码间串扰， 也就不能保证信道的正交性，接收机就很难用FFT将每个子信道彻底分离。 克服上述码间串扰的一个简单办法就是增大信号周期或增加副载波数目，使信号失真降低，但是要兼顾载波的稳定性、 多普勒频移、FFT的规模以
16、及时延等问题，就显得很难实现。 第 5 章 信道复用与数字复接 由于OFDM中各载波的幅度服从瑞利分布，各子载波在频域的位置不同，因而所带来的衰落程度也不相同。OFDM可以很好地解决多径环境中的频率选择性衰落的问题，但其本身不能抑制衰落，为了在信道编码中进一步保护传输数据，可采用编码正交频分复用COFDM技术。图5-10是COFDM高清晰度电视传输系统框图。 第 5 章 信道复用与数字复接 图 5-10 COFDM高清晰度电视传输系统框图 第 5 章 信道复用与数字复接 系统中使用了级连纠错码来消除误码，外码为RS纠错码，内码为网格编码调制TCM中的卷积码。TCM将卷积码和调制结合为一体， 在所有信道编码技术中，它结合频率和时间交织， 是一种有效对付信道平坦性衰落的最佳途径，在白噪声环境下可比传统技术的误码性能提高8dB。 第 5 章 信道复用与数字复接 通过上述的论述， 我们可以看出OFDM的主要优缺点
