《数字通信系统原理教学课件 PPT 作者 李斯伟 第6章 信道复用与多址技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字通信系统原理教学课件 PPT 作者 李斯伟 第6章 信道复用与多址技术（146页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章 信道复用与多址技术,学习要点, 频分多路复用和时分多路复用的概念 正交频分复用（OFDM）的概念和原理 PCM30/32系统及其特点 数字复接的概念以及高次群复接系统模型 同步数字体系（SDH）的概念和特点 多址通信方式概述及其类型,学习重点, 频分多路复用的概念和特点 时分多路复用的概念与工作原理 PCM30/32系统帧结构 数字复接的概念 多址通信方式的分类、原理及其特点,6.1 多路复用与多址技术,6.1.1 信道复用技术应用背景 6.1.2 多路复用与多址的基本概念,早期的传输线路一对线只能传送一路电话，后来发明了载波电话，上述情况有了突破。 单路载波电话在一对线上可以通两路电
2、话，线路的利用率提高了一倍。 后来陆续开发出3路、12路、60路载波电话等，使电信线路的传输能力提高了几倍、几十倍。 同轴电缆载波系统更使通信的容量从几百路提高到几千路、上万路。,6.1.1 信道复用技术应用背景,20世纪70年代后期，开始大量使用光纤通信。 一条光纤就可以通几百上千路电话。 到20世纪90年代中期，一根光纤可以开通几万路电话。 而“波分复用技术（WDM）”的应用，使一根光纤已能开通几十万路电话，而且还在继续提高，其通信容量发展之快令人惊叹。 而这些都是“多路复用技术”的成果。,在无线通信方面，多路复用技术也得到广泛的应用。 早在20世纪30年代初期，在无线电通信中就使用了多路
3、复用技术。 20世纪40年代以后，微波通信中更是广泛地应用了多路复用技术。 到20世纪80年代，模拟调频微波通信的容量已经高达1 8002 700路。 20世纪80年代末发展起来的数字微波通信，多路复用的容量更高。,1965年以后，卫星通信发展很快，20世纪90年代，新的卫星通信系统应用多路复用技术，可以承载约35 000路电话和多个频道电视节目的传输。,6.1.2 多路复用与多址的基本概念,实现在同一条通信线路上传送多路信号的技术叫做多路复用技术。 采用多路复用技术可以提高电信线路的传输效率，降低成本。 通常将多路信号在发送端合并后通过信道传输，然后在接收端分开并恢复各路信号的过程分别称为复
4、接和分接。 根据信号分割技术，多路复用技术可以分为频分复用、时分多路复用和码分多路复用等方式。,1多路复用,频分复用是将各路信号分别调制到不同的频段进行传输，多用于模拟通信。 时分复用技术是利用时间上离散的脉冲组成相互不重叠的多路信号，广泛应用于数字通信。 因各种原因，时分复用技术的标准未能统一，存在着两种不同制式，三套不同的标准，这种现象极大地影响了时分复用技术的发展和应用。 为此，ITU-T制定了统一的标准来解决这一问题，这套标准即为数字复接等级标准。,从本质上来说，波分复用技术（WDM）是一种频分复用技术。 光波的频率发生变化时，波长也相应变化。 因此波分复用技术是一种专用于光纤通信技术
5、的特殊的频分复用技术。 在现阶段可以应用的光纤窗口为0.85m，1.31m和1.55m。,在时分复用技术中，每个终端用户都被固定分配了一条信道，即使有的终端用户并没有有效数据进行传输，仍然要占据一条信道，这种现象造成了信道的浪费，导致信道的低效率使用。 为解决这一问题，在传统的时分复用技术的基础上进行了改进，发展了统计时分复用技术。 与传统时分复用技术不同的是，在统计时分复用技术下，终端用户的信道是动态分配的，只有那些确实有数据要传送的终端才能分配到信道，有效地提高了线路的使用效率。,2多址技术（多用户通信）,对于有线通信（针对电话交换网），多用户相互通信问题是通过交换技术来解决的。 而早期的
6、无线通信主要是以点对点通信为主。 但是，当卫星通信、移动通信和计算机通信网等新的通信方式发展以后，用户位置分布广泛，需要采用多址方式实现多用户间的相互通信。,目前有多种类型的多用户通信系统，一种多用户通信系统是如图6-1（a）所示的多址系统，该系统中的大量用户共用通信信道以传送信息到接收机。 这个共用信道可以是卫星通信系统的上行链路，也可以是与接入中心计算机的一组终端连接的电缆，还可以是与某一无线接收机相联系供多个用户使用的无线频谱的某个频带。 例如，在蜂窝移动通信系统中，用户是该系统中任一特定小区中的移动台（手机），接收机在给定小区的基站中。,第二种类型的多用户通信系统是广播网。在该网络中，
7、一部发射机发送信息到多个接收机，如图6-1（b）所示。 广播系统包括普通的无线电和TV电视系统，以及卫星系统的下行链路。 多址系统和广播网络是最常用的多用户通信系统。 第三种类型的多用户系统是存储和转发网络，如图6-1（c）所示。 第四种类型是如图6-1（d）所示的双向通信系统。,图6-1 多用户通信系统示意图,多路复用和多址方式两者都是解决信道的复用问题。,图6-2 信号的复合与分离,多址技术与多路复用有几点细微差别，主要表现在： （1）多路复用通常使信道（例如电话信道）被局部范围内的用户所共享，多个信号在基带信道上复合和分离，信号直接来自话路。 （2）多址技术使通信信道（或通信资源），例如
8、卫星无线信道等，被分布在不同位置上的用户远程共享，多个信号在射频信道上复用，信号来自不同的站址。,6.2 频分复用（FDM）,6.2.1 频分复用的概念 6.2.2 频分复用在电话系统中的应用 6.2.3 频分复用技术特点,频分复用（FDM）是将传输频带分成N个部分，每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。 这样在一对传输线路上可有N 路信息传送，而每一路信息所占用的只是其中的一个频段，如图6-3所示。,6.2.1 频分复用的概念,图6-3 频分多路复用示意图,理论上，当传输介质的带宽大于要传输的所有信号的带宽之和时，就可以使用频分多路复用技术。 每一路信号被调制到不同的载波频率上，调制后的
9、信号被组合成通过介质传输的复合信号。 因而频分制通信又被称为载波通信，它是模拟通信的主要手段。 为防止信号之间的互相干扰，在信道之间应留出足够的保护频带，以保证这些信号的带宽不会产生重叠。,频分多路复用技术被广泛应用于模拟通信系统，如固定电话系统、有线（闭路）电视系统等。 下面以话音信号为例，说明频分复用的复用和解复用原理。,6.2.2 频分复用在电话系统中的应用,1复用过程,图6-4 复用过程,2解复用过程,图6-5 解复用过程,频分多路复用技术的优点是系统效率较高，传输介质的带宽使用率高，技术成熟，成本低。 其缺点主要有：抗干扰性能差；没有排错和纠错功能；不适于传输数字信号。 而现代通信系
10、统是以数字化通信为发展方向的，因此，在实际应用中广泛应用时分复用技术。,6.2.3 频分复用技术特点,6.3 正交频分复用（OFDM）,6.3.1 OFDM技术的主要思想 6.3.2 OFDM的定义及系统构成 6.3.3 OFDM技术的优点,在串行数据传输系统中，若需要非常高的数据传输率，就会使信道的带宽增加，易产生码间串扰，从而增加误码率，特别是在多径传播过程中甚至造成突发性误码，使得数据系统的传输质量大大下降。 当信道频带较窄时，可以认为带宽内的衰落是单纯的衰落，处理比较容易。 当信号频带较宽时，任一时刻信号的衰落存在频率选择性衰落。,若采用传统的串行单载波调制方式，要克服码间干扰，就需要
11、自适应均衡措施，实现起来比较复杂。 若将高速率的串行数据系统转换为由若干个低速率数据流组成的且同时传输的并行数据系统，总的信号带宽被划为N个频率但又互相重叠的子信道，N个子信道正交频分调制，这种新型的调制方式称为正交频分复用（OFDM）。,OFDM的基本思想是通过串并变换，把要传输的数据流分配到传输速率相对较低的若干个子信道中传输。 由于每个子信道中的符号周期会相对增加，从而可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对通信系统造成的影响。 通过在OFDM符号之间插入保护间隔，可以消除符号间的干扰（ISI），特别是采用循环前缀作为保护间隔，可以避免由多径传播造成的信道间干扰（ICI）。,
12、6.3.1 OFDM技术的主要思想,多径干扰对于高速数据传输的信号来说带来很多问题。 由于每个比特代表一个更短的时隙，信号路径长度不同，引入的时间差异容易干扰接收信号，如图6-6所示。 假设每个调制信号的长度是20ns，不同的信号到达时间若延迟3 ns，就不会产生严重的问题，若信号的长度是5ns，不同的信号到达将很难相互区分。,图6-6 高速数据速率对于不同信号之间的时间差敏感,在移动通信系统中应用OFDM技术，主要是为了解决多址干扰问题。 OFDM通过将一个高速率的数据流分割成多个低速率的数据流，并分别发送每个数据流，从而降低了比特速率。 如图6-7所示，一个数据流被分成3个不同的信道，注意
13、真正的OFDM系统比这要复杂得多。,图6-7 OFDM将几个经过不同路径的窄带信号扩展成一个宽带信号,图6-8 OFDM与FDM带宽利用率比较,6.3.2 OFDM的定义及系统构成,OFDM是一种特殊的多载波传输技术，也可以看做是一种调制技术。 OFDM是建立在众所周知的FDM技术基础上的。 在FDM系统中，不同的信息流映射到不同频率的并行信道（频率）上，用一定的频率保护间隔将FDM信道区分开来以减少邻道干扰。,1OFDM定义,OFDM技术与传统的FDM不同，它是用多个载波（或称子载波，副载波）来承载信息流，子载波之间彼此正交；在子信息符号之间增加时间间隔用以对抗信道时延扩展。 图6-9所示描
14、述了OFDM信号时域和频域的关系。,图6-9 OFDM信号的频域和时域的关系,2OFDM系统构成,OFDM收发系统的典型框图如图6-10所示。发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并进行离散傅里叶反变换（IDFT）将数据的频谱表达式变换到时域上。 离散傅里叶变换（IFFT）与IDFT的作用相同，只是有更高的计算效率，所以适用于所有的应用系统。,图6-10所示的上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。 由于离散快速傅里叶变换（IFFT）操作类似于快速傅里叶变换（FFT），因此发射机和接收机可以使用同一硬件设备。 接收端进行与发端相反的操作，将射频（RF）信号与基带信号
15、进行混频处理，并用FFT分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。,图6-10 用FFT/IFFT实现的OFDM收发系统,3OFDM信号的频谱,图6-11（a）所示为一个OFDM子信道的频谱，图6-11（b）所示为一个OFDM信号的频谱。 通过精心选择载波间隔，OFDM的信号频谱是平坦的，并且可以确保子信道的正交性。,从图6-10可以看出，OFDM符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰，但这是出现在频域的。 因此，这种一个子信道频谱的最大值对应于其他子信道频谱的零点可以避免子信道之间干扰（码间干扰）的出现。,图6-11 OFDM频谱,近年来，O
16、FDM越来越得到人们的广泛关注，这是因为它具有以下优点。 （1）可以有效地对抗符号间的干扰（ISI），由于不采用均衡器，减小了接收机的复杂度。 （2）OFDM由于各载波之间相互正交，减小了各子载波之间的相互干扰，同时也大大提高了频谱的利用率。,6.3.3 OFDM技术的优点,（3）由于无线信道存在频率选择性，OFDM系统通过动态地分配比特和子信道的方法，利用高信噪比的子信道，OFDM系统能够很好地对抗信道的频率选择性衰落。 窄带干扰只能影响OFDM系统一小部分的载波，因此OFDM系统在某种程度上可以抵抗窄带干扰。 （4）无线数据业务一般都存在非对称性。OFDM系统通过使用不同数量的子信道，可以满足用户数据业务的使用需求和移动通信系统的要求，实现上下行链路的不同传输速率。,6.4 时分复用（TDM）与数字复接,6.4.1 时分复用原理 6.4.2 时分复用的帧结构 6.4.3 数字复接技术,时分复用（TDM）是指各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。 由前述的抽样理论可知，抽样的一个重要作用是将时间上连续的信号变
