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第10章信道复用和多址方式 1 本章主要内容 10 1引言什么是 复用 和复用技术的分类 多址接入 及其与 复用 的关系 10 2频分复用和多级调制 10 3时分复用基本原理 10 4数字复接技术 数字信号的时分复用 10 5码分复用简介 10 6多址技术 2 10 1引言 一 什么是 复用 在 点到点 Point to Point 通信方式中 在同一信道上 传输多路信号的复合信号 并且能在接收端正确将各路信号分离 从而实现多路信号公用一个信道的技术 二 复用技术的分类频分复用 FrequencyDivisionMultiplex 时分复用 TDM 码分复用 CDM 其他复用 如空分复用 波分复用等 OFDM 3 三 多址技术及其的分类 多址 以卫星通信为例 多个地球站通过共同的卫星同时建立各自的信道 从而实现各地球站通信的一种方式 分类 频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 空分多址 SCDMA 4 四 复用 和 多址 的关系 二者的技术本质是完全一样的 相同 通信过程 信号的复合 传输 信号的分离当上页所述复用技术应用于 点到点 的通信方式时 通常叫做 多路复用 例如微波通信 电话数字中继 PCM一次群 当复用技术应用于 点到多点 的通信方式时 通常叫做 多址接入 例如多个手机同时与基站进行的通信 5 6 10 2频分复用和多级调制 理论基础 调制定理 也是付立叶变换的一个性质 频域特点 各路信号在频域互相隔离时域特点 各路信号在时域上相互叠加信号种类 属于频带信号接收端分离方法 滤波器 7 10 2 1频分多路复用 FDM 频率复用 是指多路信号在频率位置上分开 但同时在一个信道内传输 因此 频率复用信号在频谱上不会重叠 但在时间上是重叠的 8 原理框图 各路滤波器的通频带互不重叠 9 FDM合成后的频谱图 单边 10 若n路都采用双边带 11 10 2 2多级调制 多级调制对同一基带信号进行2次或更多次的调制复合调制属于多级调制的一种特殊情况每次调制的种类不同 如第一级调制采用调幅 第二级调制采用调频 12 2级调制的框图 13 合并后的复用信号可直接通过信道传输 也可以经过再次调制后进行传输 在接收端 可利用相应的带通滤波器来分离出各路信号 并通过各自的解调器和低通滤波器恢复出各路的调制信号 国际电信联盟 ITU 对此制定了一系列建议 例如 ITU将一个12路频分复用系统统称为一个 基群 它占用48kHz带宽 将5个基群组成一个60路的 超群 用类似的方法可将几个超群合并成一个 主群 几个主群又可合并成一个 巨群 14 示例 中波广播频率的带宽是从535kHz到1605kHz 这个通信信道上又按照不同的频率划分成为若干个子信道 每个子信道的带宽是9kHz 每个子信道供给广播电台的一个频道使用 例如天津广播电台交通频道的中心频率是567kHz 生活频道的中心频率是1386kHz 各个广播电台在这些子信道上同时进行信号传输而互不干扰 这就是一个由频率进行划分的多路复用技术的具体例子 15 频分复用系统的最大优点 是信道利用率高 容许复用的路数多 同时分路也很方便 它是目前模拟通信系统中采用的最主要的一种复用方式 例如 无线电广播 电视广播 有线和微波通信都广泛采用频分复用方法 频分复用的缺点 是设备复杂 若信道存在非线性时 会产生路间干扰 16 10 3时分复用基本原理和带宽计算 10 3 1时分复用 TDM 基本原理基本原理 各路信号分时轮流使用同一物理信道 类比例如 不同的班级在同一教室 不同时间上课 时域上 互不重叠 相互隔离频域上 频谱重叠信号种类 一般属于基带信号 可采用奈奎斯特定律 接收端分离方法 分接技术 通过精确的时钟采样脉冲和计数器来找到需要的数据 17 与频分复用相比 时分复用具有以下的主要优点 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 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 18 PAM时分复用原理示意图 19 T1 Ts N 抽样脉冲宽度 防护时隙 g 时隙 一帧的相邻两脉冲间的间隔T1 帧 各个消息构成的单一抽样的一组脉冲Ts 20 PCM复用原理 我们在第6章学过 每路PCM的采样速率是8kHz 即每1 8000秒产生8bit如果我们把n路PCM时分复用到一条物理线路上 那么每1 8000秒就要对应8n bit 第1路第1次采样的PCM编码 第2路第1次采样的PCM编码 第n路第1次采样的PCM编码 第1路第2次采样的PCM编码 第2路第2次采样的PCM编码 21 10 3 2时分复用的带宽计算 22 PAM时分复用的带宽计算 推广到n路PAM的时分复用情况 23 例题 设有10路模拟信号 每路最高频率均为20kHz 对每路信号进行PAM采样后再时分复用 求复用后的复合信号带宽和理论最小带宽 解 24 PCM时分复用的带宽计算 设PCM的量化级为M 则每一个PAM采样进行PCM编码后变成log2M bit 例如A律13折线编码 共有2 正 负两个半轴 8 段 16 小份 256个量化级 即M 256所以其每个采样编码为log2256 8 bit 每一路的码率为fs log2M bit s 多路PCM复用后总码率Rb总为各路码率之和复合PCM信号带宽为B Rb总对应最小理论带宽为Rb总 2 25 例题 设有3路模拟信号 最高频率分别为1kHz 2kHz 3kHz 每路都进行64量化级的PCM编码 求3路PCM复用后的信号带宽和理论最小带宽 解 26 补充作业 对10路最高频率为4kHz的模拟信号分别进行128个量化级PCM量化编码后 再对这10路信号进行时分复用 求 1 复用后的传信率 2 复用后的信号带宽 3 基带传输时的理论最小带宽 27 10 4数字复接技术 一 复接和分接的概念二 复接的实现的基本原理三 复接的方式分类四 商用PCM 属于一种同步复接 简介 28 一 复接和分接的概念 将2路或2路以上的数字信号 合并成1路高速数字信号的过程可以类比为向一列准时的火车上装货的过程本质还是一种时分复用分接是复接的逆过程相当于从火车上卸货 29 二 复接的实现的基本原理 分接器的功能是把已合路的高次群数字信号分解成原来的低次群数字信号它是由同步 定时和码速恢复等单元组成 数字复接系统主要由数字复接器和分接器组成 复接器是把两个或两个以上的支路 低次群 按时分复用方式合并成一个单一的高次群 其设备由定时 码速调整和复接单元等组成 30 数字复接系统方框图 31 复接器在各支路数字信号复接之前需要进行码速调整 即对各输入支路数字信号进行频率和相位调整 使其各支路输入码流速率彼此同步并与复接器的定时信号同步后 复接器方可将低次群码流复接成高次群码流 32 复接条件 被复接的各支路数字信号彼此之间必须同步并与复接器的定时信号同步方可复接 根据此条件划分的复接可分为同步复接 异源 准同步 复接 异步复接三种 33 三 复接的方式分类 按各路信号交织的情况分为位复接字复接帧复接按各路信号的时钟是否统一分为同步复接异步复接 基本已经淘汰 准同步复接 34 2020 2 5 35 1按位复接 复接器每次复接一个支路的一比特信号 依次轮流复接各支路信号 这种复接就称为逐位 逐比特 复接 特点 按位复接简单易行 且对存储器容量要求不高 其缺点是对信号交换不利 36 2按码字复接 复接器每次复接一个支路的一个码字 8bit 依次复接各支路的信号 这种复接就称为按码字复接 特点 复接后码流保留了完整的码字结构 有利于合成和处理 这种方法有利于数字电话交换 但要求有较大的存储容量 37 两种复接方式示意图 35 36 38 3接帧复接 就是复接器每次复接一个支路的一帧信号 依次复接各支路的信号 这种复接称为按帧复接 优点是复接时不破坏原来的帧结构 有利于交换 但需要更大的存储容量 目前极少应用 39 复用 与 复接 的区别 PCM复用是对多路 电话 信号在一个定长的时间内 帧 完成的PCM和TDM全过程 而复接是对多路数字信号 数字流或码流 在一个定长的时间内进行的码元压缩与安排 它只负责把多路数字信号安排 复用 在给定的时间内 而不需要再进行抽样 量化和编码的PCM过程 从而减少了对每路信号的处理时间 降低了对器件和电路的要求 实现了大路数 高次群 信号的 时分复用 40 复接的原理就是改变各低速数字流的码元宽度 并把它们重新编排在一起 从而形成一个高速数字流 从表面上看 复接是一种合成 但其本质仍然是一种时分复用的概念 为了与PCM复用相区别 所以称之为 复接 41 4同步复接 这种复接方式无需进行码速调整 有时只需进行相位调整或根本不需要任何调整便可复接 被复接的各输入支路之间 以及同复接器之间均是同步的 此时复接器便可直接将低支路数字信号复接成高速的数字信号 42 5异源 准同步 复接 被复接的各输入支路之间不同步 并与复接器的定时信号也不同步 但是各输入支路的标称速率相同 也与复接器要求的标称速率相同 但仍不满足复接条件 复接之前还需要进行码速调整 使之满足复接条件再进行复接 这种复接方式就称为异源复接或准同步复接 43 速率的变化范围在规定的容差范围内 零次群 64kb s 100ppm基群为2048kb s 50ppm二次群为8448kb s 30ppm三次群为34368kb s 20ppm四次群为139264kb s 15ppm1ppm 10 6 44 6异步复接 被复接的各输入支路之间及与复接器的定时信号之间均是异步的 其频率变化范围不在允许的变化范围之内 也不满足复接条件 必须进行码速调整方可进行复接 这种复接方式称为异步复接 由以上可见 异源和异步复接方式都必须进行码速调整 满足复接条件后方可复接 45 正码速调整原理 a 支路信号码流以fL速率写入缓存器 以fm 速率读出 fm fL fL fm fm 取空现象 正码速调整 46 b 在缓冲存储器要取空还没有取空时 插入一个非信息码元 插入命令控制三个动作 停止一次读出 插入一个脉冲V 给插入脉冲作标志C 47 C 各支路的速率均调整到指定的速率 达到各支路同步 然后再进行复接 收端 a 通过码流提取时钟 b 由插入脉冲检出电路测出插入脉冲后 发出去插命令 使写入时钟停止输出一次 c 恢复原来支路信号的速率 48 四 商用PCM 属于一种同步复接 简介 1 基本特性话路数目 30抽样频率 8kHz压扩特性 A 87 6 13折线压扩律 编码位数k 8 采用逐次比较型编码器 其输出为折叠二进制码 每帧时隙数 32总数码率 8 32 8000 2048kb s 49 PCM基群帧结构 指一帧周期中时隙的安排 PCM30 32终端机的帧结构 A律 帧结构每帧分为32个时隙 0 31号 a TS1 TS15 TS17 TS31 共30路时隙用于传话音 b 每个时隙传PCM8位编码c TS0传帧同步码d TS16传信令 即呼叫 应答等 50 PCM30 32路制式基群帧结构 51 3 TSO偶数帧 0011011 固定为帧同步码 奇数帧 1A1nnnnn 不传帧同步码组 国际电话通信用 保留 1 保证收端不误判为帧同步码 A1 帧失步对告码A 0 同步 本地同步 通告对方 A 1 失步 本地失步 n 保留国内用 2 规定 每16帧构成一个复帧 传送共路信令 52 4 TS16 第F0子帧中的TS160000 A2 固定为复帧同步码 保留 备用 A2 复帧失步对告码A2 1失步A2 0同步 第F1 F15子帧中的TS16 53 两个话路的信令码 1 15对应30个话路 禁止abcd为全零 以免干扰复帧同步 结论 32路时隙 真正用于传送数据 话音的时隙只有30路 所以称为30 32路基群 第F1 F15子帧中的TS16 54 55 56 图基于PCM30 32路系列的数字复接体制 57 10 5码分复用 CDM 简介 基本原理 利用相互正交的码组来携带信息 即用1个码组表示1个比特 故称扩频 在频域 相互重叠在时域 也相互重叠接收端 通过码组的正交计算 相乘再积分 筛除其他路信号 留下对应路的信息 58 正交码的特征 两个码组 如果对应位相同的个数和不同的个数相同 则成为正交码组如000010100011 这3个码组两两正交 组成一个正交 码系 59 码分复用举例说明 扩频 1 0 60 码分复用举例说明 解扩 积分结果大于0 判为1 积分结果小于0 判为0 61 扩频的种类 跳频通信直接序列扩频 62 跳频通信 FH f t 用户1 用户2 用户3 f1 f2 f3 f4 f5 每个用户根据各自的伪随机 PN 序列 动态随机改变中心调制频率 63 直接序列 DS 扩频 前面我们举的那个简单例子就属于直接序列扩频 f t Code 信道N 信道2 信道1 所有的用户工作在相同的中心频率上 64 10 6多址技术 多址技术的技术原理与复用完全一样只不过应用于点对多点的场合例如多个手机与同一基站进行通信时每个CDMA手机都有一个属于自己的码