通信原理第6章多路复用和多址技术.ppt

第6章多路复用技术 6 1概述6 2频分复用6 3时分复用6 4码分复用6 5小结 多路复用 目的 在一条链路上传输多路独立信号 基本原理 正交划分方法 信号的正交性假定有两个信号f1 t 和f2 t 如果在区间 t1 t2 上满足 则称f1 t 和f2 t 在 t1 t2 上互为正交 3种多路复用基本方法 频分复用 FrequencyDivisionMultiplexing FDM 时分复用 TimeDivisionMultiplexing TDM 码分复用 CodeDivisionMultiplexing CDM 6 1概述 3种多路复用新方法 空分复用 SpaceDivisionMultiplexing SDW 极化复用 PolarizationDivisionMultiplexing PDW 波分复用 WavelengthDivisionMultiplexing WDM 复接 目的解决来自若干条链路的多路信号的合并和区分 关键技术问题多路TDM信号时钟的统一和定时问题 多址接入 目的多个用户共享信道 动态分配网络资源 方法频分多址 时分多址 码分多址 空分多址 极化多址以及其他利用信号统计特性复用的多址技术等 6 1概述 第6章多路复用技术 6 1概述6 2频分复用6 3时分复用6 4码分复用6 5小结 频分复用基本概念在同一个信道内用不同的频率传送各路消息 以实现多路通信 方法采用SSB调制搬移频谱 以节省频带 3路频分复用电话通信系统原理 6 2频分复用 演示 3路频分复用电话通信系统原理 FDM信号的频谱及带宽 为防止邻路信号间互相干扰 各载频之间的间隔应满足其中 fm为每一路的最高频率 fg为邻路间防护频带 n路单边带信号所需最小带宽为式中 B1为一路信号占用的带宽 FDM应用 有线电视 全电视信号 模拟电话多路复用系统 FM立体声广播 6 2频分复用 FDM实现 调制 合成 传输 分路 演示 FDM应用 模拟电话多路复用系统多路载波电话系统是按照ITU建议 采用单边带调制频分复用方式 a 是其分层结构 由12路电话复用为一个基群 BasicGroup 5个基群复用为一个超群 SuperGroup 共60路电话 由10个超群复用为一个主群 MasterGroup 共600路电话 6 2频分复用 FDM应用 调频立体声广播调频立体声广播系统占用频段为88 108MHz 采用FDM方式 在调频之前 首先采用载波抑制双边带调制将左右两个声道信号之差 L R 与左右两个声道信号之和 L R 实行频分复用在19kHz处发送一个单频信号 用于接收端提取相干载波和立体声指示 6 2频分复用 频分多路复用系统的特点 优点信道复用率高 分路方便 因此 频分多路复用是目前模拟通信中常采用的一种复用方式 特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛 缺点 对系统线性的要求很高 要求系统的非线性失真很小 用硬件实现时 设备的生产技术较为复杂 特别是滤波器的制作和调试较繁难 成本较高 不易小型化 6 2频分复用 第6章多路复用技术 6 1概述6 2频分复用6 3时分复用6 4码分复用6 5小结 时分复用 TDM 基本概念 定义利用各信号的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法 FDM与TDM的区别 FDM系统中 各信号在频域上是分开的而在时域上混叠在一起 在TDM系统中 各信号在时域上是分开的 而在频域上是混叠在一起的 理论基础 抽样定理 6 3时分复用 TDM的基本原理抽样电子开关以适当的速率交替对输入的N路基带信号分别进行自然抽样 得到TDM PAM波形 TDM PAM脉冲波形宽度为 式中 T为每路信号的抽样时间间隔 满足奈奎斯特间隔 6 3时分复用 TDM的基本原理现今电话通信中采用比较多的是PCM和DPCM编码方式 从而构成TDM PCM和TDM M系统 6 3时分复用 TDM的基本条件 各路信号必须组成为帧 一帧应分为若干时隙 在帧结构中必须有帧同步码 TDM的主要优点 便于信号的数字化和实现数字通信 制造调试较易 更适合采用集成电路实现 生产成本较低 具有价格优势 6 3时分复用 第6章多路复用技术 6 1概述6 2频分复用6 3时分复用6 4码分复用6 5小结 基本原理 码组正交设x和y表示两个码组 式中 i 1 2 N互相关系数定义 两码组正交的必要和充分条件 例 6 4码分复用 基本原理 用 1 和 0 表示二进制码元方法 1 1 0 1 互相关系数定义式式中 A x和y中对应码元相同的个数 D x和y中对应码元不同的个数 上例中 优点 映射关系 6 4码分复用 码组自相关系数 定义 设xi取值 1或 1 式中 x的下标i j应按模N运算 即xN i xi例 设x x1 x2 x3 x4 1 1 1 1 则其自相关系数为 6 4码分复用 码组自相关系数 若设xi取值 0 或 1 则有自相关系数式中 A为xi和xi j中对应码元相同的个数 D为xi和xi j中对应码元不同的个数 的取值范围 按照互相关系数 值的不同 当 0时 称码组为正交编码当 0时 称码组为准正交码当 0时 称其为超正交码 例 正交编码和其反码还可以构成双正交码 例 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 6 4码分复用 四路码分复用原理方框图 6 4码分复用 正交码 阿达玛 Hadamard 矩阵是一种方阵 仅由元素 1和 1构成 简称H矩阵 最低阶的阿达玛矩阵是2阶的 如下式为简单起见 将上式写为 阶数为2的幂的阿达玛矩阵可以用下面的递推公式求出 式中 为直积 6 4码分复用 正交码 阿达玛 Hadamard 矩阵 直积的算法 将矩阵H2中的每个元素都用矩阵HN 2代替 例 正规阿达玛矩阵 由上法构造出的H矩阵是对称矩阵 而且其第一行和第一列中的元素全为 称为正规H矩阵 6 4码分复用 正交码 阿达玛 Hadamard 矩阵 H矩阵的性质 若交换正规H矩阵的任意两行或两列 或者改变任一行 或列 中的全部元素的符号 此矩阵仍为H矩阵 高于2阶的H矩阵的阶数一定是4的倍数 目前 除N 4 47 188外 所有N 200的H矩阵都已经找到 沃尔什 Walsh 矩阵 将H矩阵中各行按符号改变次数由少到多排列 得出沃尔什矩阵 简称W矩阵 例 W矩阵仍保有正交性 6 4码分复用 伪随机码 伪随机码 又称伪随机序列 具有类似白噪声的随机特性但是又能重复产生 具有良好的相关特性 可以用于码分复用 多址接入 测距 密码 扩展频谱通信和分离多径信号等许多用途 伪随机序列有多种 其中以m序列最为重要 m序列 由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列 m序列的产生举例 4级m序列产生器及其状态 6 4码分复用 4级移存器共有24 16种可能状态 其周期p最长等于15 a3a2a1a0100011001110111101111011010110101101011000111001010000100001 1000 初始状态 周期 24 1 15 6 4码分复用 6 4码分复用 伪随机码 m序列 一般的线性反馈移存器方框图图中 ai i 0 n 移存器状态 ai 0或1 ci 反馈状态 ci 0表示反馈线断开 ci 1表示反馈线连通 伪随机码 m序列 递推方程设 此移存器的初始状态为a 1 a 2 a n 1 a n则经1次移位后 状态变为a0 a 1 a n 2 a n 1经k次移位后 状态变为ak 1 ak 2 ak n 1 ak n 当前状态 当再次移位时 移存器左端的输入ak为称为递推方程 它给出移存器输入ak与移存器各级状态的关系 6 4码分复用 伪随机码 m序列 特征方程 ci的值决定了反馈线的连接状态 在上式和后面的公式中都将 简写为 式中xi本身并无实际意义 它仅指明其系数是ci的值 例 表示上式中仅x0 x1 和x4的系数c0 c1 c4 1 而其余系数c2 c3 0构成的方框图 特征方程f x 决定了一个线性反馈移存器的结构 从而决定了它产生的序列的构造和周期 6 4码分复用 伪随机码 m序列 本原多项式 使一个线性反馈移存器产生最长周期序列的充分必要条件是其特征方程f x 为本原多项式 本原多项式是指满足下列条件的多项式 是既约的 即不能分解因子的 可以整除 xm 1 m 2n 1 即是 xm 1 的一个因子 除不尽 xq 1 q m 例 设计一个4级m序列产生器的特征方程f x 现在 级数n 4 故m 2n 1 15 所以 按照上述第 项要求 其特征方程f x 应该是 x15 1 的一个因子 现将 x15 1 分解因子如下 6 4码分复用 伪随机码 m序列 本原多项式 例 设计一个4级m序列产生器的特征方程f x 因要求设计的移存器有4级 故其特征方程式的最高次项应为x4项 上式右端前3个因子都符合这一要求 但是 可以验证前两个因子是本原多项式 而第3个因子不是本原多项式 因为因此 前两个因子和都可以作为特征多项式 用以产生m序列 寻找本原多项式不易 将常用本原多项式列表供查用 6 4码分复用 例如 当n 4时 表中给出的8进制数字是 23 它的意义如下 即c0 c1 c4 1 c2 c3 c5 0本原多项式的逆多项式也是本原多项式 例如 和 所以表中每个本原多项式可以构成两种m序列产生器 6 4码分复用 伪随机码 m序列 m序列的性质 均衡性 在m序列的一个周期中 0 和 1 的个数基本相等 准确地说 1 的个数比 0 的个数多一个 游程分布 游程是指序列中取值相同的一段元素 并把这段元素的个数称为游程长度 例如 m 15 在上面的一个周期中 共有8个游程 其中长度为4的游程有1个 即 1111 长度为3的游程有1个 即 000 长度为2的游程有两个 即 11 和 00 长度为1的游程有4个 即两个 1 和两个 0 一般说来 在m序列中 长度为1的游数目占1 2 长度为2的游程数目占1 4 长度为3的游程占1 8 或者说 长度为k的游程数目占游程总数的2 k 1 k n 1 并且长度为k 1 k n 2 的游程中 连 1 游程数目和连 0 游程