教学部—通信原理—第七章.ppt

多路复用 频分复用时分复用码分复用 多路复用是指在同一个信道上同时传输多路信号而互不干扰的一种技术 为了在接收端能够将不同路的信号区分开来 必须使不同路的信号具有不同的特征 由于信号直接来自话路 区分信号和区分话路是一致的 最常用的多路复用方式是频分复用 FDM 时分复用 TDM 和码分复用 CDM 多路复用 多路复用 主要多路复用按频段区分信号的方法叫频分复用 按时隙区分信号的方法叫时分复用 按相互正交的码字区分信号的方法叫码分复用 传统的模拟通信中都采用频分复用随着数字通信的发展 时分复用和码分复用通信系统的应用越来越广泛 多路复用 频分复用 一般的通信系统的信道所能提供的带宽往往要比传送一路信号所需的带宽宽得多 因此 如果一条信道只传输一路信号是非常浪费的 为了充分利用信道的带宽 提出了信道的频分复用 频分复用就是在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段 以实现多路复用 频分复用的多路信号在频率上不会重叠 合并在一起通过一条信道传输 到达接收端后可以通过中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来 频分复用 假设共有n路复用的信号 每路信号首先通过低通滤波器 LPF 变成频率受限的低通信号 简便起见 假设各路信号的最高频率都相等 然后 每路信号通过载频不同的调制器进行频谱搬移 一般来说调制的方式原则上可任意选择 但最常用的是单边带调制 因为它最节省频带 因此 图中的调制器由相乘器和边带滤波器 SBF 构成 频分复用 频分复用系统组成框图 频分复用 在选择载频时 既应考虑到每一路已调信号的频谱宽度fm 还应留有一定的防护频带fg 为了各路信号频谱不重叠 要求载频间隔为 式中 fci和fc i 1 分别为第i和 i 1 路的载波频率 fm 是每一路已调信号的频谱的宽度 fg为邻路间隔防护频带 频分复用 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 这对提高信道利用率不利 因此 实际中应尽量提高边带滤波技术 以使fg尽量缩小 例 采用频分复用的方式在一条信道中传输3路信号 已知3路信号的频谱如图所示 假设每路信号的最高频率fH 3400Hz 均采用上边带 USB 调制 邻路间隔防护频带为fg 600Hz 试计算信道中复用信号的频带宽度 并画出频谱结构 频分复用 解 信道中频分复用信号的总频带宽度为 对3路信号进行调制的载波频率分别采用wc1 wc2和wc3 得到频分复用信号的频谱结构如图所示 频分复用 频分复用信号原则上可以直接在信道中传输 但在某些应用中 还需要对合并后的复用信号再进行一次调制 第一次对多路信号调制所用的载波称为副载波 第二次调制所用的载波称为主载波 原则上 两次调制可以是任意方式的调制方式 如果第一次调制采用单边带调制 第二次调制采用调频方式 一般记为SSB FM 频分复用 例 设有一个DSB FM频分复用系统 副载波用DSB调制 主载波用FM调制 如果有50路频带限制在3 3kHz的音频信号 防护频带为0 7kHz 如果最大频移为1000kHz 计算传输信号的频带宽度 频分复用 再进行FM调制后所需的传输带宽为 频分复用 解 50路音频信号经过DSB调制后 在相邻两路信号之间加防护频带fg 合并后信号的总带宽为 时分复用 TDM 是建立在抽样定理基础上的 抽样定理指明 满足一定条件下 时间连续的模拟信号可以用时间上离散的抽样脉冲值代替 因此 如果抽样脉冲占据较短时间 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它信号的抽样值 时分复用就是利用各路信号的抽样值在时间上占据不同的时隙 来达到在同一信道中传输多路信号而互不干扰的一种方法 时分复用 1 TDM多路信号的合路和分路都是数字电路 比FDM的模拟滤波器分路简单 可靠 与频分复用相比 时分复用具有以下的主要优点 2 信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真和多次谐波 引起路间干扰 因此FDM对信道的非线性失真要求很高 而TDM系统的非线性失真要求可降低 时分复用 通过举例来说明时分复用技术的基本原理 假设有3路PAM信号进行时分复用 其具体实现方法如图所示 各路信号首先通过相应的低通滤波器 预滤波器 变为频带受限的低通型信号 然后再送至旋转开关 抽样开关 每秒将各路信号依次抽样一次 在信道中传输的合成信号就是3路在时间域上周期地互相错开的PAM信号 即TDM PAM信号 时分复用 时分复用的PAM系统 TDM PAM 抽样时各路每轮一次的时间称为一帧 长度记为Ts 它就是旋转开关旋转一周的时间 即一个抽样周期 一帧中相邻两个抽样脉冲之间的时间间隔叫做路时隙 简称为时隙 即每路PAM信号每个样值允许占用的时间间隔 记为Ta Ts a 3路PAM信号时分复用的帧和时隙如下图所示 时分复用 上述概念可以推广到n路信号进行时分复用 多路复用信号可以直接送入信道进行基带传输 也可以加至调制器后再送入信道进行频带传输 在接收端 合成的时分复用信号由旋转开关 分路开关 又称选通门 依次送入各路相应的低通滤波器 重建或恢复出原来的模拟信号 需要指明的是 TDM中发送端的抽样开关和接收端的分路开关必须保持同步 时分复用 TDM PAM系统目前在通信中几乎不再采用 抽样信号一般都在量化和编码后以数字信号的形式传输 目前电话信号采用最多的编码方式是PCM和DPCM 时分复用的PCM系统 TDM PCM PCM和PAM的区别在于PCM要在PAM的基础上再进行量化和编码 时分复用 时分复用 3路PCM信号时分复用原理图 在发送端 3路话音信号m1 t m2 t 和m3 t 经过低通滤波后成为最高频率为fH的低通型信号 再经过抽样得到3路PAM信号 它们在时间上是分开的 由各路发送的定时取样脉冲进行控制 然后将3路PAM信号一起进行量化和编码 每个PAM信号的抽样脉冲经量化后编为L位二进制代码 最后选择合适的传输码型 经过数字传输系统 基带传输或频带传输 传到接收端 在接收端 收到信码后 首先经过码型反变换 然后加到解码器进行解码 解码后得到的是3路合在一起的PAM信号 再经过分路开关把各路PAM信号区分开来 最后经过低通滤波重建原始的话音信号m01 t m02 t 和m03 t 时分复用 TDM PCM系统的二进制代码在每一个抽样周期内有nl个 这里n表示复用路数 l表示每个抽样值编码的二进制码元位数 一位二进制码占用的时间称为位时隙 长度记为Tb 容易得到 其中 Ts为一帧的长度 Ta Ts a为路时隙 帧长 时间 时分复用 1 TDM PAM信号对于n路频带都是的TDM PAM信号 每秒钟的脉冲个数为 即码元速率 这里n表示复用路数 fs表示一路信号的抽样频率 时分复用信号的码元速率和带宽 时分复用 2 TDM PCM信号通过抽样 合路 量化 编码这几个步骤 容易看出TDM PCM的信号的二进制码元速率为 这里n表示复用路数 表示每个抽样值编码的二进制码元位数 M为对抽样值进行量化的量化级数 fs表示一路信号的抽样频率 时分复用 3 TDM信号的带宽 得到码元速率后 按照PCM带宽的计算方法容易得到TDM PAM信号和TDM PCM信号传输波形为矩形脉冲时的第一零点带宽 对于多路数字电话系统 国际上有两种标准化制式 即PCM30 32路制式和PCM24路制式我国规定采用的是PCM30 32路制式 一帧共有32个时隙 可以传送30路电话 即复用的路数n 32路 其中话路数为30 PCM30 32路系统的帧结构如图所示 PCM30 32路系统的帧结构 时分复用 PCM30 32路系统的帧结构 时分复用 从图可以看到 在PCM30 32路的制式中 一个复帧由16帧组成 一帧由32个时隙组成 一个时隙有8个比特 对于PCM30 32路系统 由于抽样频率为8000Hz 因此 抽样周期 即PCM30 32路的帧周期 为1 8000 125us 一个复帧由16帧组成 这样复帧周期为2ms 一帧内包含32路 则每路占用的时隙为125 32 3 91us 每时隙包含8位折叠二进制 因此 位时隙占488ns 从传输速率来讲 每秒钟能传送8000帧 而每帧包含32 8 256bit 因此 传码率为256 8000 2 048MBaud 信息速率为2 048Mbit s 时分复用 前面讨论的PCM30 32路和PCM24路时分多路系统 称为数字基群 即一次群 为了能使宽带信号 如电视信号 通过PCM系统传输 就要求有较高的传码率 因此提出了采用数字复接技术把较低群次的数字流汇合成更高速率的数字流 以形成PCM高次群系统 CCITT推荐了两种一次 二次 三次和四次群的数字等级系列 如表所示 PCM高次群系统 时分复用 数字复接系列 准同步数字系列PDH 时分复用 数字通信系统 除了传输电话外 也可传输其它相同速率的数字信号 例如可视电话 频分制载波信号以及电视信号 为了提高通信质量 这些信号可以单独变为数字信号传输 也可以和相应的PCM高次群一起复接成更高一级的高次群进行传输 基于PCM30 32路系列的数字复接体制的结构如图所示 时分复用 基于PCM30 32路系列的数字复接体制 时分复用 码分复用是用一组相互正交的码字区分信号的多路复用方法 在码分复用中 各路信号码元在频谱上和时间上都是混叠的 但是代表每路信号的码字是正交的 码分复用 用x x1 x2 xN 和y y1 y2 yN 表示两个码长为的码字 也称为码组 二进制码元 i 1 2 N 定义两个码字的互相关系数为 码字正交的概念 码字x和y相互正交 码字x和y准正交 码字x和y超正交 码分复用 沃尔什 Walsh 码 沃尔什码就是哈德玛矩阵H n 行向量 任意两个码字之间的互相关系数为0 即码字之间两两正交 例如4个码字 1111 1 11 1 11 1 1 1 1 11 之间两两正交 即任意两个码字的互相关系数为0 码分复用 如果将正交码字用于码分复用中作为 载波 则合成的多路信号经信道传输后 在接收端可以采用计算互相关系数的方法将各路信号分开 恢复出第j个用户的原始数据 信道 系统 发 收 码分复用 码分复用