通信原理 第07章 多路复用

由各个消息构成单一抽样的一组脉冲叫做 一帧，一帧中相邻两个抽样脉冲之间的 时间间隔叫做时隙，未能被抽样脉冲占 用的时隙部分称为防护时间。
图7-8
时分复用原理
多路复用信号可以直接送入信道传 输，或者加到调制器上变换成适于信道 传输的形式后再送入信道传输。 在接收端，合成的时分复用信号由 分路开关依次送入各路相应的重建低通 滤波器，恢复出原来的连续信号。在设有时钟脉冲序列来稳定开关时间， 以保证两个时钟序列合拍。
3.码组交错法 码组交错法按某一码字长度（若干 比特）为单位进行复用，即每个时间片 包含某个数据源的一个码字（可能是一 个比特，一个字符或更多比特），每个 时间片传输一个码字/子帧，与比特交错 技术相比误码率较低。
TDM是按照时间片的轮转来共同 使用一个公共信道，所以在对TDM系统 进行分析的时候，通常考查如下几个基 本概念。 1.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 .
7.2.1
FDM基本原理 图7-3示出了一个频分复用电话系 统的组成框图。图中，复用的信号共有 路，每路信号首先通过低通滤波器 （LPF），以限制各路信号的最高频 率 f m 。图中的调制器由相乘器和边带 滤波器（SBF）构成。在选择载频时， 既应考虑到边带频谱的宽度，还应留有 一定的防护频带 f g ，以防止邻路信号间 相互干扰，即
频分复用系统的主要缺点是设备生 产比较复杂，会因滤波器件特性不够理 想和信道内存在非线性而产生路间干扰。 FDM对于信道的非线性失真具有较高的 要求，因为非线性失真会造成严重的串 音和交叉调制干扰；FDM本身不提供差 错控制。FDM所需载波量大，所需高备 随输入信号的增多而增多，设备繁杂， 不易小型化。
图7-3 频分复用系统组成框图
经过频分多路复用器复用的各路信 号，在频率位置上被分开了，因此，可 以通过相加器将它们合并成适合信道内 传输的复用信号，其频谱结构如图7-4所 示。图中，各路信号具有相同的 f m ， 但它们的频谱结构可能不同。n路单边带 信号的总频带宽度为
Bn nf m (n 1) f g (n 1)( f m f g ) f m (n 1) B1 f m
在具有N路输入系统中，每个帧至少含 有N个时间片。分配给某一设备的时间 片在一帧中的位置是固定的，这些就构 成了该设备的传输通道。 如图7-9显示的是4路信号进行的多 路复用系统，其中一帧由4个时间片构成， 并且时间片在帧中的位置时固定的。
图7-9 TDM帧的格式
2.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。交错可以按比特，字节和数 据块分配，实际上交错就是指一个时间 片的信息量。
第7章 多路复用
通信系统中，经常需要在异地之间同时传送 多路信号，一般采用两种方式，一是近距离多路 信号传输，采用多路低速传输介质分别传输多路 信号；二是远距离多路信号传输，采用一条高速 传输介质传输多路信号。由于远距离通信中布线 问题的限制等，采用一条传输介质来传输多路信 号的方式表现出了其固有的优点。本章主要讲述 多路复用的基本原理，介绍常见的FDM、TDM和 WDM复用方式。
m1 (t )
m2 (t )
LPF LPF
SBF1
c1 (t )
c2 (t )
SBF2

相 加 器
mn (t )
LPF
SBFn
cn (t)
1.FDM解复用过程
频分复用系统的最大优点是系统效 率较高，充分利用传输媒介带宽，技术 也比较成熟；因此，它成为目前模拟通 信中最主要的一种复用方式。特别是在 有线和微波通信系统中应用十分广泛。
这样在一对传输线路上就有N对话路信 息传送，而每一对话路所占用的只是其 中的一个频段。 图7-2给出了FDM的一般情况。在 该图中,有4个信号源输入到一个多路复 用器上,复用器用不同的频率(f1,f2,f3,f4) 调制每一个信号。每个调制后的信号都 需要一个以它的载波频率为中心的带宽， 称之为通道（信道）。
7.2 频分多路复用
频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing），指的是按照 频率参量的差别来分割信号的复用方式。 FDM的基本原理是若干通信信道共用一 条传输线路的频谱。在物理信道的可用 带宽超过单个原始信号所需带宽情况下, 可将该物理信道的总带宽分割成若干个 与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子 信道,每个子信道传输一路信号。FDM将 传输频带分成N部分后，每一个部分均 可作为一个独立的传输信道使用。
7.2.2 FDM的应用 频分多路复用多用于模拟信号的传 输。它的应用中最常见的是模拟电话系 统和有线电视传输系统。 1.模拟电话系统 FDM模拟电话系统中，采用的传输 介质为双绞线。滤波器将每个话音通道 的带宽限制在3000Hz左右。
当多个通道被复用在一起时，每个通道分 配4000Hz的带宽，以便彼此频带间隔足够 远，防止出现串音。图7-6说明了如何使用 FDM将3个话音通道复用在一起。每个话 音信号的频率范围都是很相近的。在复用 器中，这些相似的信号被调制到不同的载 波频率（f1，f2，f3）上。然后，将调制 后的信号合成为一个复用信号并通过宽频 带的传输媒介传送出去。
（7-2）
式中，B1 fm f g 为一路信号占用的带宽。
图7-4 FDM的频谱结构
合并后的复用信号，原则上可以在信 道中传输，但有时为了更好地利用信道的传 输特性，还可以再进行一次调制。 解复用过程是复用过程的逆过程。在 接收端，可利用相应的带通滤波器（BPF） 来区分开各路信号的频谱。然后，再通过各 自的相干解调器便可恢复各路调制信号。解 复用器采用滤波器将复合信号分解成各个独 立信号。然后，每个信号再被送往解调器将 它们与载波信号分离。最后将传输信号送给 接收方处理。图7-5显示了解复用过程。
图7-6 FDM模拟电话复用系统
解复用过程是复用过程的逆过程。 解复用器采用滤波器将复合信号分解成 各个独立信号。然后，每个信号再被送 往解调器将它们与载波信号分离。最后 将传输信号送给接收方处理。图7-7显示 了解复用的过程。
图7-7 FDM模拟电话解复用系统
2.有线电视传输系统 FDM的另一个常见应用是有线电视 传输系统。目前，有线电视系统中使用 同轴电缆作为传输媒介，同轴电缆的传 输带宽大约为500MHz。一个模拟电视 频道大约需要6MHz的传输带宽。因此 从理论上讲，一条同轴电缆可以同时承 载83个电视频道。
多路复用技术的理论依据是信号分割原 理。信号分割的依据在于信号之间的差别。 这种差别可以体现在频率、时间或波形等参 量上。信道多路复用的理论基础是信号分割 原理。信号分割的依据在于信号之间的差别。 按照频率参量的差别来分割信号的多路复用 称为频分多路复用FDM；按照时间参量上 的差别来分割信号的多路复用称为时分多路 复用TDM；根据码型(波形)结构的不同来实 现信号分割的多路复用称为码分多路复用 CDMA；此外波分多路复用WDM等形式。
7.3.2 TDM数据复用方式 根据每个时间片中存放的内容不同， 在时分多路复用器中，数据复用方式分 为三种，即比特交错法、字符交错法和 码组交错法。
1.比特交错法 比特交错技术主要用于同步的数据 源，它的每个时间片仅含有某个数据源 的一个比特。这种方式按照被复用的支 路顺序和各支路中各自的比特顺序每次 仅复用一个比特的数据比特交错时分复 用器在高速传送的数据信号集合帧里， 每一个时隙仅传送一个低速信道的1比特 数据或传送1比特帧同步信息。
3.帧定位比特 在每帧的开始附加一个或多个同步 比特，以便于解复用器根据输入信息进 行同步，从而精确地分离各时间片。控 制信息使用的是可以识别的比特模式： 101010… 4.比特填充 同步不同传输速率的数据源，使得 不同数据源间速率匹配（近似呈整数倍 关系），主要是通过复用器在设备的数 据流中插入附加的比特。
图7-2 频分多路复用
FDM的每个信道分别占用永久分配给 它的一个频段，为了防止信号间的相互干 扰，在每一条通道间使用保护频带进行隔 离。保护频带是一些无用的频谱区。若介 质频宽为f，若均分为n给子信道，则每个 信道的最大带宽为f/n。考虑保护带宽，则 每个信道的可用带宽都小于f/n。信道1的 频谱在0～f/n之间，信道2的频谱在f/n～ 2f/n之间，依次类推。例如，在载波电话 中，语音信号的频谱为300Hz～3400Hz， 因而，分配给每条语音话路4k的带宽。
i 1, 2……，n
fc(i 1) fci ( fm f g )
（7-1）
f ci 和 fc (i 1) 分别为第i路和第 式中， （i+1）路的载波频率。显然，邻路间隔 防护频带越大，对边带滤波器的技术要 求越低。但这时占用的总频带要加宽， 这对提高信道复用率不利。因此，实际 中应尽量提高边带滤波技术，以使 f g 尽量缩小。目前，按CCITT标准，防护 频带间隔应为900Hz。
第7章 多路复用
7.1 多路复用概述 7.2 频分多路复用 7.3 时分多路复用TDM 7.4 波分多路复用WDM 本章小结
7.1 多路复用概述
在数据通信系统中,传输媒体的带宽 往往超过传输单一信号的需求,为了有效 地利用通信线路,希望一个信道同时传输 多路信号,这就是所谓的多路复用技术 (Multiplexing)。采用多路复用技术能 把多个信号组合起来在一条物理信道上 进行传输,它相当于将一条物理信道划分 为几条逻辑信道，在远距离传输时可大 大节省电缆的安装和维护费用。图7-1描 绘了多路复用的基本原理。
7.3.1 TDM复用原理 TDM的复用过程可以由图7-8所示。如图中3 路信号通过一个高速旋转的开关轮转来使用 公共信道。各路信号首先通过相应的低通滤 波器，使输入信号变为带限信号。然后再送 到抽样开关(或转换开关)，转换开关(电子开 关)T 每 秒将各路信号依次抽样一次，这样 S TS 3个抽样值按先后顺序错开纳入抽样间隔 之内。合成的复用信号是3个抽样消息之和。
2.字符交错法 字符交错法主要用于异步的数据源, 字符交错是以一个字符为单位进行复用。 即它的每个时间片包含某个数据源的一 个字符数据或同步信息。每个时间片传 输1路信号中的1个字符（数据/同步信 息），典型状况下每个字符的起始位和 停止位在传输之前被清除。字符交错法 适合于异步的数据源，但缓存容量与比 特交错技术相比较大。
图7-1 多路复用基本原理
通路指的是一条物理链路，它由多条通 道组成。通道指的是通路中用来完成一路信 号传输的单位。信道（channel)指的是指以 传输媒介为基础的信号通道。一条通路可以 有多条通道。多路复用指的是将要传送的多 路信息，各自分成大小相同的若干小块，发 送信息时，按一定的顺序轮流发送一小块， 然后再轮流发送下一小块。重复循环，直到 发送完毕。应用多路复用技术，可以在用户 传输较多信息时,把多个低速信道通过一个多 路复用器组合成一个高速信道，以此来提高 信道的利用率。
7.3 时分多路复用TDM
在数字通信系统内通常使用时分多 路复用技术，即TDM技术。TDM以时 间作为分割信号的参量，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。
TDM的理论基础是抽样定理。抽样 定理使连续(模拟)的基带信号有可能被 在时间上离散出现的抽样脉冲值所代替。 这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在 抽样脉冲之间就留出了时间空隙，利用 这种空隙便可以传输其他信号的抽样值。 因此，这就有可能沿一条信道同时传送 若干个基带信号。关于抽样定理的相关 知识在前面章节已经详细阐述。