多路复用技术

第六章多路复用技术
• 6.2频分多路复用（FDM）
• 6.2.1频分多路复用概念
• 频分多路复用是按照频率参量的差别来分割信号的。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FDM技术。在FDM中，将每个信号调制到不同的 载波频率上，调制后的信号被组合成可以通过媒介传输的 复合信号。同时要保证载波频率之间的间距足够大，即保 证这些信号的带宽不会重叠，就可以实现在同一媒体上传 送多路信号。
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• 图6.6 时分复用帧的传输
信号1 信号2 信号3 信号4
输入端
时分复用器
帧n 4321
...
帧2
...
4321
4路输入信号 每帧含有4个时间片
帧1 4321
图中可以看到4条输入线路通过同步时分复用器用到单条 通道上，所有的输入数据率相同，因此每帧的时间片数 等于输入线路的数目。
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• 6.3.3 TDM工作特点 • 1.通信双方是按照预先指定的时间片进行数据传
输的，而且这种时间关系是固定不变的。 • 2.就某一瞬时来看公用信道上传送的仅是某一对
设备之间的信号，就某一段时间而言，公共信道 上传送着按时间分割的多路复用信号。 • 3.与FDM相比，TDM更适合于传输数字信号。 • 只要时分多路复用器的扫描操作适当，并采取必 要的缓冲措施、合理分配时间片，就能保证多路 通信的正常进行。
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• （2）交错 • 可以把同步时分复用器想象成高速旋转的开关，当开关转动
到某个设备时，该设备就有机会向公共通道传输规定大小的 数据。开关以固定的速率和固定的顺序在设备间移动，这个 过程称为交错。交错可以以比特进行、字符进行或码组进行。 • （3）帧比特定位 • 在同步时分复用技术中，每一帧内时间片的顺序是固定的。 复用器接收数据的信息就告诉解复用器如何对每个时间片进 行传输定向。因此，帧中可以不需要地址信息。在每一帧的 开始附加一个或多个同步比特，以便于解复用器根据复用信 息进行同步，从而正确的分离各时间片。
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• 6.3时分多路复用（TDM） • 6.3.1时分多路复用概念 • 时分多路复用是以时间作为信号分隔的参量，即
信号在时间位置上分开，但它们所占用的频带是 重叠的。当传输介质所能达到的数据传输速率超 过了传输信号所需要的数据传输速率时，利用每 个信号在时间上的交叉，可以在一个传输通道上 传输多路信号，实现信号的时分多路复用。
• 1.复用 • 每一路信号先被载波调制器进行调制，接着将调
制得到的模拟信号叠加起来，形成复合信号，然 后通过传输媒介传送出去。每一路信号的频谱被 搬移到了中心的位置上。为了实现这种机制，必 须选择不同的合理载波频率，以使不同信号的带 宽之间不会有重叠，否则就在接收端不能恢复原 始信号。 • 2.解复用 • 在接收端，复合信号通过带通滤波器（每个滤波 器也都以为中心），信号又被分割成多路状态， 然后经解调器后恢复为原始多路信号。
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• 3.TDM数据复用方式 • （1）比特交错法 • 在每一个时间片内仅含有一个比特。复用器分别
依次取出各路输入信号的第一比特，第二比 特……直到填满整个帧。但当复用器在取出第二 路信号和第三路信号的第1位比特时，第一路信号 的第2位比特和第二路信号的第2位比特……已经 不断地传来。而这些数据等到最后一路信号的第1 位比特复用完毕后才能复接。因此，需要把这些 信号暂时存储在缓冲器中。 • 比特交错法的特点：复用所需缓冲存储器的容量 大，复用设备简单，是目前使用较多的交错技术。
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• 6.2.5波分多路复用（WDM）
• 波分多路复用（WDM）实际上是频分多路复用的一个变种，本质上 是光频上的频分复用技术。它除了复用和解复用以及采用光纤作为传 输介质之外，在概念上与频分多路复用FDM相同，但它比FDM更有 效。在WDM中，两根光纤连到一个棱柱或光栅上，每根的能量处于 不同的波段。两束光信号通过棱柱或光栅，合成到一根共享的光纤上， 传送到远方的目的地，然后再将它们分解。
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• 6.2.3 FMD性能评价 • 1.优点 • 频分多路复用优点是复用路数多，分路方便，多路信号可
同时在信道中传输，充分利用了传输带宽，提高了系统效 率。技术成熟，实现相对容易。频分多路复用常用于模拟 通信系统中，特别是在有线和微波通信系统中应用非常广 泛。 • 2.缺点 • 频分多路复用缺点是设备庞大、复杂，不易小型化；各路 间不可避免会出现干扰；本身不提供差错控制功能，不易 对性能进行监测。在实际的应用系统中，正逐渐被时分多 路复用技术所取代。
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• 6.3.2 TDM基本原理 • 1.基本原理
• 抽样定位为时分多路复用提供了理论依据，因为抽样定理 使得在时间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能。 抽样定理告诉我们，一个频带限制的时间连续信号，可以 用时间上离散的采样值来传输，采样值中包含由的全部信 息，当采样频率 fs 2 fH 时，可以从已采样的输出信号中用 一个带宽为 fH B fs fH 的理想低通滤波器不失真地恢复 出原始信号。
• 多路复用技术被广泛使用的原因有两点： • （1）随着数据率的提高，传输系统的性能价格比越高。
（2）传统通信设备要求达到的数据传输效率较低。
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• 图6.1不复用和复用
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• 在复用系统中，多个设备共享一条链路。输入端，多个设备将它们的 传输信号输送到复用器，复用器将这些信号组合成一个单独的传输流 （多合一）。在接收端，传输流被解复用器接收，并分解成原来的几 个独立传输流（一分多），然后将它们传输到期望的接收设备。一般 的多路复用功能，包括复合、传输和分离3个过程。
• 多路复用的理论依据是信号分割原理。实现信号分割的依据是信号之 间的差别，这种差别可以体现在频率参量上，也可以体现在时间参量 上。因此，多路复用可以分为：频分多路复用（FDM）、时分多路复 用（TDM）、波分多路复用（WDM）和码分多址复用（CDMA）。 时分多路复用又可分为同步时分复用（通常称为时分复用）和异步时 分复用（通常也叫统计时分复用）。在频域内，只要各信号在频谱上 不重叠，即可以在同一信道中传输，最后用滤波器将其分开，实现频 分多路复用。同理，只要各路信号在时间上不重叠，就可以在同一信 道内传输信号，实现时分多路复用。而波分多路复用则把不同波长的 信号复合在一起进行传送。
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• 2. 基本概念 • （1）帧
• TDM在传送信号时，将通信时间分成一定长度的帧，每一 个帧又分为若干个时间片，每个时间片被分配来传输一条 特定输入线路的数据，如果所有设备以相同的速率发送数 据，每个设备就在每帧内获得一个时间片。一帧正是由时 间片的完整循环组成的。同步时分复用的每一个时间片是 预先分配给数据源的，而且是固定的。各个帧的某一时间 片组成了某个设备的传输通道。
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• 6.4统计时分复用（STDM） • 6.4.1 统计时分复用概念
• 在同步时分多路复用系统的每一帧中，以固定分配时间片 的方式，给每一个输入设备分配一个固定的时隙，输入数 据复用以后在单一的公共信道上传输，复用信道的传输速 率等于各低速通路的速率之和。这样，无论用户有没有要 发送的信息，都要分配给它一个固定的时隙。也就是说， 如果某设备没有运行，其所分配的时隙处于空闲状态，也 不能为其他设备所利用，白白浪费系统资源。为了提高时 隙的利用率，采用按需分配时隙技术，即动态地分配所需 要时隙，以避免每帧中出现空闲时隙的现象。此时，复用 器传输的数据都来自正是工作的设备。与预分配方式相反， 每一个时间片都可以被所连接的任何一个有数据发送的输 入线路所使用。这种动态分配时隙的工作方式称为统计时 分多路复用（STDM）、异步TDM、智能TDM。
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• 时分复用根据发送端与接收端时钟提取时 间情况，可分为同步时分复用和统计时分 复用（异步时分复用）两种。这里的同步 是指复用器在给定的周期时间内为每个设 备都分配完全一样的时间片，不管该设备 有没有数据要传输。时间片的一个完整循 环叫一帧，一帧中两个相邻的时间片的时 间间隔称为时隙。时分复用在不作特别说 明的情况下，一般是指同步时分多路复用。 本节首先介绍同步时分复用。
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• 6.2.2频分多路复用原理
• 频分多路复用技术是按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分 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，因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将对路信号 分开，从而恢复所需要的信号。原理如下图所示。
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• 6.4.2 STDM基本原理 • 在统计时分复用系统中，复用器一侧连接低速输入线路，
每一条低速线路都有一个与之相联系的缓冲区，另一侧连 接高速复用线路。复用器扫描各个输入信号，输入设备有 数据传送就分配时间片，没有数据传送则继续扫描下一条 线路而不分配时间片。循环往复直到扫描完所有的输入线 路。将输入数据组成STDM帧，由于每条输入线路并非一 直有数据输入，STDM帧的时隙数，通常总小于各条低速 线路的总和，复用线路的数据传输速率也可能低于各输入 线路的数据速率之和。也就是说，在相同的链路上， STDM技术比TDM技术支持的输入设备要多。
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• （2）字符交错法 • 字符交错法以一个字符为单位进行复用。字符交
错技术主要用于异步数据源。 • （3）码组交错法 • 码组交错法按某一码元长度为单位进行复用，即
在每个时间片中取出某支路的一个码字。 • 码组交错法的特点：按码字复接方式的误码率低
于按比特复接方式，从而提高传输信号的保真度。
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• 频分多路复用（FDM）
…
解复用器
…
信号1 信号2 信号n
输入端
频分复用器
通道1 保护频带
通道2
通道n
信号1 信号2 信号n
输出端
上图为频分多路复用的一般情况。多个信号源输入到一个多路复 用器上，复用器用不同的频率调制每一个信号。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 ）。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。
• 由于单路采样信号在时间上离散的相邻脉冲间有很大的空 隙，在空隙中就可以插入若干路其他采样信号，只要各路 采样信号在时间上不重叠并能区分开。因此，就可以在一 条信道中同时传递多个传输信号，达到了多路复用的目的。
• 时分复用原理图
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图中输入信号连接到时分多路复用器，复用器按照一定的次序轮流给 每个信号分配一段使用公共信道的时间。当轮到某个信号使用信道时 ，该信号就与公共信道逻辑上连接起来，而其他信号与信道的逻辑关 系暂时被切断。待指定的信号占用信道的时间一到，则时分多路复用 器就将信道切换给下一个被指定的信号。依次类推，一直轮流到最后 一个信号然后重新开始。在接收端，时分多路复用器也是按照一定的 顺序轮流接通各路输出。
第六章多路复用技术
第6章 多路复用技术
• 在实际的通信系统中，经常需要在两地之间同时传送多路 信号。当然可以采用每需要一个新的信道就建立一条单独 的线路来传输一路信号，但显然这种方法大大浪费了传输 系统的效率和宝贵资源。目前，通信系统所采用的传输介 质，诸如同轴电缆、光纤、地面微波和卫星微波。每一种 媒介都具有远远超过平均传输需求的承载能力。为了提高 这些链路的传输效率，多路复用技术应运而生。
• 波分多路复用并没有采用很多新的技术。由于每个信道有自己的波长 （频率）范围，而且所有的范围都是分隔的，所以它们可以被多路复 用到长距离的光纤上。与电子的FDM唯一区别就是：光纤系统使用的 衍射光栅是完全无源的，因此极其可靠。
• WDM流行的原因是一根光纤上的能量常常仅仅有几Hz，因为现在不 可能在光电介质间做更快的转换。而一根光纤的带宽大约是25000Hz， 所以可以将很多信道复用到长距离光纤上。当然，前提是，所有的输 入信道都应使用不同的波长。
• 多路复用技术就是能在一条线路上同时携带多个信号来高 效地使用传输系统的技术。
第六章多路复用技术
• 6.1多路复用概述
• 在通信系统中，复用技术的使用极大地提高了信道的传输 效率，取得了广泛地应用。多路复用就是一种将一些彼此 无关的低速信号按照一定的方法和规则合并成一路复用信 号，并在一条公用信道上进行数据传输，到达接收端后再 进行分离的方法。