多路复用技术介绍分析电气工程专业

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1、2021年12月,1,第六章 多路复用技术,2021年12月,2,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PDH SDH,2021年12月,3,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

2、路信号相互正交。,2021年12月,4,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:,2021年12月,5,1、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:,( - ， ),2021年12月,6,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。,2021年12月,7,6.1 频分多路复用（FDM-frequen

3、cy division mutiplexing）,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。,2021年12月,8,频分复用,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,2021年12月,9,6.1 频分多路复用（FDM）

4、,频分多路复用示意图,2021年12月,10,6.1 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。,2021年12月,11,6.2 时分多路复用（TDM-time division mutiplexing ）,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.,2021年12月,12,6.2

5、 时分多路复用（TDM-time division mutiplexing ）,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。,2021年12月,13,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,2021年12月,14,时分复用,频率,时间,C

6、,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,2021年12月,15,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,2021年12月,16,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,2021年12月,17,6.2 时分多路复用（TDM）,时分多路复用示意图,2021年12月,18,6.2 时分多路复用（TDM）,TDM基本原理：其理论基础是基于抽样定理（Sampling Theorem）。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

7、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,2021年12月,19,6.2 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,2021年12月,20,6.2 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

8、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。,2021年12月,21,6.2 时分多路复用（TDM）,2021年12月,22,6.2 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/Data block 数据复用按照交错的长度可以分为：比特交错

9、法，字符交错法和码组交错法。最常用的是字符交错。,2021年12月,23,6.2 时分多路复用（TDM）,2021年12月,24,6.2 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,2021年12月,25,6.2 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(Pulse Coded Modulation) 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：E

10、1线路（30）,2021年12月,26,2021年12月,27,6.2 时分多路复用（TDM）,语音信号300HZ3400HZ，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,1.544Mbps,2021年12月,28,6.3 统计时分多路复用（STDMstatic ）,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

11、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,2021年12月,29,6.3 统计时分多路复用（STDM）,TDM与STDM复用原理的基本差别示意图,2021年12月,30,6.3 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） ：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 1 K=M/NR:复用链路容量对最大输入总量之比。 =K=1,2021年12月,31,6.4 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

12、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。,2021年12月,32,6.4 波分多路复用（WDM）,双纤单向传输示意图,2021年12月,33,单纤双向传输示意图,2021年12月,34,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1

13、555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,6.4 波分复用 WDM,波分复用就是光的频分复用 单模光纤2.5Gbit/sWDM 2 2.5Gbit/sDWDM 8 2.5Gbit/s,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,2021年12月,35,6.4 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

14、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。,2021年12月,36,6.5 码分多址复用 CDMA,常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access) 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（

15、Global System for Mobile communications，全球数字移动电话系统） 发射功率低,2021年12月,37,6.5 码分复用 码片序列(chip sequence),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 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 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 8 bit 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

16、 +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。,2021年12月,38,6.5 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(inner product)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。,2021年12月,39,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,2021年12月,40,* 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： ST=Si Ti /m 各站的码片序列互相正交： ST=0， ST反 =0 且有： SS=1， SS反