第九章-多路复用和多址接入

并规定国际通信时，以A律压扩特性为准(即以 30/32路制式为准)，凡是两种制式的转换，其设备接 口均由采用μ律特性的国家负责解决。

这两种数字电话系统的多路复用方式均为时分复用 (TDM)。
例1：PCM30/32路基群

每个话路抽样一次的时间就是帧长，也就是同一个话 路抽样两次的时间间隔。因为每个话路的抽样频率是 8000Hz，即每秒抽样8000次，所以两个抽样值之间的 时间间隔是1/8000秒，等于125µ s ，这决定了帧长是 125µ s。
发送端示意图
接收端示意图

实现各路信号频谱不重叠的方法：调制。 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； 要保证载波频率之间的间距要足够大，即能够保证这 些信号的带宽不会重叠。(保护频带)

FDM的优点和缺点：
优点：

系统效率较高，充分利用传输媒介带宽，技术也比 较成熟；模拟通信技术中常用。 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所需载波量大，所需设备随输入信号的增多而 增多，设备繁杂，不易小型化。 FDM本身不提供差错控制。
公用电话网采用标准模拟载波系统：
12路话音复用成一个基群，每路话音占4KHz带宽，一个基 群带宽为48KHz。
5个基群复用成一个超群，一个超群占240KHz带宽，包括60 路话音信号。 10个超群复用为一个主群，一个主群带宽为2.4MHz，话音 信号之间需加防护频带，主群频带宽度实际上为2.52MHz，支 持600路话音。 6个主群复用成一个巨群，一个巨群占用15.12MHz带宽。加 上防护频带，一个巨群实际占用带宽为16.98MHz。
缺点：



FDM应用举例1：
模拟电话系统： FDM最典型的应用就是话音信号频分多路载波通信 系统。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。
FDM举例：
模拟电话网采用频分复用体系，是一个分级体系 结构，由基群(Group)、超群(Supergroup)、主群 (Mastergroup)和巨群(Giantgroup)等组成。


9.4 时分多路复用(TDM)：

时分多路复用：将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使用。每一时间片由复用 的一个信号占用。这样，利用每个信号在时间上的交 叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。 时分多路复用不仅限于传输数字信号，也可同时交叉 传输模拟信号；但是主要用于传输数字信号。 TDM分类： （1）同步时分复用：时分方案中的时间片是预先分配好， 且是固定不变的。 （2）异步(统计)时分复用：允许动态地分配传输介质的 时间片。
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1 0 1
1
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0
0 0 1
1
1 1 1
(a) 一次群 (基群)
(b) 二次群 (按位数字复接)
(c) 二次群 (按字复接)
TDM举例：PCM基群

对于多路数字电话系统，国际上有两种标准化制式：
PCM30/32路 (A律) 制式E1
PCM24路 (μ律) 制式T1
层次 E-1 E 体 系 E-2 E-3 E-4 E–5 T–1
比特率（Mb/s） 2.048 8.448 34.368 139.264 565.148 1.544
路数（每路64kb/s） 30 120 480 1920 7680 24
T-2
T-3 T 体 系
6.312
32.064（日本） 44.736（北美）
n条输入线连接到一个复用器，通过一条高速链路与解复用
器相连，高速链路可以传输n路数据。复用器把n条输入线的数 据组合（复用），解复用器把n路复用数据分离（解复用），送 到相应的输出线。
多路复用的理论依据：

举例
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。

按照频率的差别来分割信号的多路复用称为频分多路 复用(Frequency Division Multiplexing, FDM)

每个话路在一帧中所占的时间宽度就是时隙，等于3.91 （125/32）µ s，每个时隙的样值编8位码，因此，每位 码占用的时间是0.488µ s（3.91µѕ/8）。
32：32路信号复用 8：A率PCM编码
PCM30/32系统的帧结构

基群的比特率是多少？
计算方法：比特率=传输时间内的总比特数/传输 时间
正确理解TDM的关键是时间关系：帧、时隙和信号的信息速
率之间的关系。 同步时分复用：在时分复用的过程中，各路信号在每一帧中 所占时隙的位置是预先指定且固定不变的。
交错和复接：
交错：同步时分多路复用器的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；
第九章 多路复用和多址技术
本章内容：
9.1 多路复用的概念
9.2 频分多路复用(FDM)
9.3 波分多路复用(WDM)
9.4 时分多路复用(TDM)
9.5 频分多址(FDMA)
9.6 时分多址(TDMA)
9.7 码分多址(CDMA)
9.1 多路复用的概念：

举例
实际通信系统中经常要在异地之间同时传送多路信号，通常有
数字复接：将两个或多个低速率数字流合并成一个较
高速率数字流的过程或方式。常见的复接方式是按位 复接和按字复接。
按位复接：简单易行，且对存储器容量要求不高。其缺点是 不利于信号交换。

按字复接：有利于数字电话交换，但要求有较大的存储容量。
复接方式举例：
PCM30/32基群(1)
PCM30/32基群(2) PCM30/32基群(3) PCM30/32基群(4)
96
480 672 1440 4032 5760 8064
T–4
97.728（日本） 274.176（北美）
T－5
397.200（日本） 560.160（北美）
E体系结构图
统计（异步）TDM——STDM
TDM的缺点：即使某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时 隙，将会造成带宽浪费。 STDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。
FDM应用举例2：
有线电视系统： FDM的另一个常见应用是有线电视传输。目前，有 线电视系统中使用同轴电缆作为传输媒介，而同轴电 缆的传输带宽大约有500MHz。一个电视频道大约只需 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。（实际上由于需要保护 频带，要小于理论值83）。


波分复用的两波道间隔为10～100nm，当间隔为1～ 10nm，甚至1nm以下时，称为密集波分复用(DWDM)。
WDM的特点：

波分多路复用并不是什么新的概念。只要每个信道有 各自的频率范围且互不重叠，它们就能够以多路复用 的方式通过共享光纤进行远距离传输。 与电信号的频分多路复用的不同之处：波分多路复用 是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率光 波信号的合成与分解，因此极其可靠。 光纤的带宽非常大：25000GHz


码分复用CDM
原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行 编码（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送 的信号在接收端被叠加，然后接收者用同样的地址码序 列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关 的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。 地址码序列必须两两相互正交： 码序列A、B，应满足 AB =0，A (-B) =0，A A =1，A (-A) =-1 其中 为内积运算。
两种方法：
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。 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。

多路信号能够在一条线路中传送，是基于以下的事实：传输介
质的传输能力远远超过传输单一信号所需的能力。

所谓多路复用技术：采用一条高速传输介质(信道)来分时/分频 率传送多路低速信号，从而有效地提高信道的利用率 。
例2：PCM 24路基群

和PCM30/32系统相同，每路话音信号抽样频率也是 8kHz。 1帧共有24个时隙。为了提供帧同步，在第24路时隙 后插入1比特帧同步位。所以，125 s内共有多少个 比特？ 基群的比特率是多少？

数字复接等级：

ITU提出的两个建议：
◦ E体系 － 我国大陆、欧洲及国际间连接采用 ◦ T体系 － 北美、日本和其他少数国家和地区采用


多路复用的分类：
9.2 频分多路复用(FDM)

频分复用(FDM)：用不同的频率传送不同的信号，实 现多路通信。
FDM对传输介质带宽要求： FDM是根据频率的差别来分割信号的，当传输介 质的带宽大于所要传输的所有信号的带宽总和时，就 可采用FDM。


FDM对各路信号的要求： 只要各路信号在频谱上不重叠，就可以在同一信道 中传输，在接收端用滤波器将各路信号分离，实现频 分多路复用。
FDM仍然在铜线和微波线路上使用，使用的是模拟技术， 对计算机通信并不合适。
9.3 波分多路复用(WDM)

波分复用(WDM)：把不同波长的光信号复用到一根光 纤中进行传输，这一技术称为波分复用，就是光信号 的频分多路复用；传输介质为光纤。 WDM把多个离散波长的光耦合到光纤中传输。每个波 长的光波能承载大量的模拟或数字信号，通常这些信 号已经被复用。
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1
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0
关键：高速电子开关
TDM中的基本概念：帧和时隙
帧(frame)：TDM传送信号时，将通信时间分成一定长 度，各路信号轮流传送一次的时间称为一帧。 时隙(时间片，time slot)：每一帧由若干个时隙(时间 片)组成，TDM的各路信号在一帧中占据的时间称为 一个时隙。

(1) 同步时分复用：

t1 t2 t3 A B C D
待发数据
同步TDM
带宽浪费
A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2
时间片1 时间片2
பைடு நூலகம்可用带宽
统计TDM A1 B1
时间片1
B2
C2
时间片2
(2) 统计时分复用(STDM)：

统计时分复用(STDM)使用STDM帧来传送复用的数据。 但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用 户数。 各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集 中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放 入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧 放满后，就发送出去。
FDM的关键：信号在频域可以分开；滤波器。

FDM原理： 整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号 占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频 带以防相互干扰。
CH1 CH1
CH2
CH2
CH1 CH2 CH3
MUX
CH3 CH3
f
带宽复用信号
复用器
原带宽
移频后带宽
FDM按照频率的不同来复用多路信号，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。在接收端可以采用适当的带通滤波器将多 路信号分开，从而恢复出参与复用的各路信号。
按照时间上的差别来分割信号的多路复用称为时分多 路复用(Time Division Multiplexing, TDM） 还有两种特殊的复用方式：空分多路复用(Space Division Multiplexing ，SDM)和波分多路复用 (Wavelength Division Multiplexing, WDM)


STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。 因此可以提高线路的利用率。在输出线路上，某一个用 户所占用的时隙并不是周期性地出现。

上图是统计时分复用的原理图，一个使用统计时分复 用的集中器连接4个低速用户，然后将它们的数据集 中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。

虽然异步时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线 路数据率的总和，但从平均的角度来看，这二者是平衡 的。假定所有的用户都不间断地向集中器发送数据，那 么集中器肯定无法应付，它内部设置的缓存都将溢出。 所以集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇 地工作。 由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户， 因此在每个时隙中都必须有用户的地址信息，这是统计 时分复用必须要有且不可避免的一些开销。 在上图中输出线路上每个时隙之前的短时隙就是用于放 入这样的地址信息。