第7章 信道复用与多址技术

7.1多路复用和多址技术,7.1.1信道定义及分类,7.1.2多路复用和多址技术定义,7.3码分多址方式,7.2多址通信方式,7.1.3频分复用FDM,7.2.2时分多址（TDMA）方式,7.1.4时分复用TDM,7.2.3码分多址（CDMA）方式,7.2.4混合多址方式,7.3.1码分多址特点和技术,7.3.2直接扩频码分多址,7.3.3跳频码分多址,第7章信道复用与多址技术,7.2.1频分多址（FDMA）方式,7.5.2PCM24路基群复接系统,7.4.1数字复接的基本概念,7.4.2数字信号的同步复接,7.4.3数字信号的异步复接,本章小结,7.4数字复接原理,7.5.1PCM30/32路基群复接系统,第7章信道复用与多址技术,7.5CCITT基群复接系统,实验1：时分复用实验,实验2：信道模拟实验,实验3：直接扩频与码分多址实验,本章难点,本章要点,信道定义及分类多路复用与多址技术直接扩频码分多址和跳频码分多址数字复接原理CCITT基群复接系统,多路复用与多址技术，数字复接原理,第7章信道复用与多址技术,第7章信道复用与多址技术,在通信过程中，为了提高通信系统信道利用率，信道中往往允许多路信号同时传输，在一个信道上同时传输多路话音信号的技术，这就是信道复用（也简称为复用技术）的问题。,7.1多路复用与多址技术,7.1.1信道定义及分类,1.信道定义,信道是通信系统必不可少的组成部分，是信号的传输媒质：通俗地说，信道是指以传输媒介为基础的信号通道；具体地说，信道是指由有线或无线线路提供的信号通道；抽象地说，信道是指定的一段频带，信号在该频带内通过，但同时信道也对信号产生干扰和损坏作用。总体来说，信道的作用主要是传输信号，通常，我们将仅指信号传输媒介的信道称为狭义信道。而在通信原理的分析中，通常采用的是广义信道。,第7章信道复用与多址技术,2.信道的分类,（1）按信道传输媒质性质不同，可分为有线信道和无线信道。,（2）按信道的组成可分为狭义信道与广义信道。信道分类的模型图如图7-1所示。,（3）按照信道输入输出端信号的类型将其分为连续信道(模拟信道)和离散信道(数字信道)。,图7-1信道分类的模型图,第7章信道复用与多址技术,7.1.2多路复用与多址技术定义,1.多路复用,多路复用是指为了提高信道利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相不干扰的一种技术。,多路复用主要有频分多路复用、时分多路复用、码分多路复用等几种复用方式。多路复用技术应用最多的主要有两大类：频分多路复用(FDM)和时分多路复用(TDM)。频分多路复用用于模拟通信，时分多路复用用于数字通信。,2.多址技术,多点通信系统中的多路复用也被称为多址技术。,目前常用的多址方式主要有：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）以及混合多址方式等其它几种组合方式。,第7章信道复用与多址技术,7.1.3频分复用FDM,频分复用(FDM，FrequencyDivisionMultiplexing)又称载波通信，是将多路信号按频率的不同进行复接并传输的方法。将传输频带分成N个小区间，每一个小区间均能顺利通过一路信号，可作为一个独立的传输信道使用。如图7-2所示。,图7-2频分复用示意图,如图7-3所示为频分复用电话通信系统的原理图，采用SSB调制搬移频谱，以节省频带。,频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用(FDM)外，还有一种是正交频分复用(OFDM)。,频分复用的主要缺点：要求系统的非线性失真很小，否则将因非线性失真而产生各路信号间的互相干扰；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；而且成本较高。,第7章信道复用与多址技术,图7-3频分复用电话通信系统的原理图（a）发送端多路信号的复接；（b）接收端多路信号的分接,第7章信道复用与多址技术,7.1.4时分复用TDM,时分复用(TDM，TimeDivisionMultiplexing)就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片(简称时隙)，并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。,时分复用通信也称时间分割通信，是利用各路信号在信道上占有不同的时间间隔的特征来分开各路信号的。它是数字电话多路通信的主要方法，因而PCM通信常称为时分多路通信。如图7-4所示，就是把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路信息的示意图。,时分复用的实现我们一般采用电子旋转开关来实现，原理图如图7-5所示。,图7-4时分复用示意图,图7-5时分多路复用原理图,第7章信道复用与多址技术,7.2多址通信方式,多址通信现在已经在卫星通信中广泛应用，可以说多址通信就是卫星通信的一个显著的特点，如图7-6所示为卫星多址通信的示意图，,图7-6卫星多址通信的示意图,在卫星天线波束覆盖区内的任意两点都可以进行双边或者多边通信。也就是都能够实现多址通信技术。任何一个信号都可以有主要的几个参数决定，最主要的是信号的频率、信号出现的时间和信号所处的空间等参数，信号的差别可以通过以上几个参数的差别来反映。,目前常用的多址方式主要有：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）以及混合多址方式等其它几种组合方式。在信道分配技术中，信道一词在不同技术中含义是不同的。在FDMA中，指传输信号的不同载波频段；在TDMA中，是指传输信号存在的不同时间间隔；在CDMA中，是指传输信号的不同正交码组。,第7章信道复用与多址技术,7.2.1频分多址（FDMA）方式,1.工作原理,FDMA频分多址技术是采用调频的一种多址技术，是将可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在时域上互不重叠，每一个频道就是一个通信信道，可以分配给一个用户使用。一个典型的FDMA频道划分如图7-7所示。,图7-7FDMA频道划分示意图,主要优点：设备较简单，价格较低，不需要精确的时钟同步；,2.FDMA的优点和缺点,主要缺点：要求传输信道的非线性失真要小。,第7章信道复用与多址技术,7.2.2时分多址（TDMA）方式,1.工作原理,时分多址TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，一个时隙就是一个TDMA信道，按需要动态分配给用户使用。其原理图如图7-8所示,图7-8TDMA频道划分示意图,时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。,第7章信道复用与多址技术,2.TDMA系统的特点及应用,（1）TDMA系统只用一部发射机，只需用一个载波，不会发生FDMA的交叉调制。可以避免FDMA系统多部不同频率发射机同时工作而产生的互调干扰。（2）TDMA系统不存在频率分配问题，当需要和大量对象通信时，对于时隙的管理和分配比对频率的管理和分配简单，而且成本低。（3）TDMA系统的终端设备只在指定的时隙中接收信息，有利于通信网络的控制与管理，可以保证用户在网络中能够高质量的通信。（4）同时提供多种通信业务，使系统的通信容量和通信速率飞速增长，同时，TDMA系统具有精确的定时和同步系统，可保证正常的通信。,TDMA较之FDMA具有频谱利用率高，适合支持多个突发性或低速率数据用户的接入，通信口号质量高，保密较好，系统容量较大等优点，但它必须有精确的定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信，技术上比较复杂。,第7章信道复用与多址技术,7.2.3码分多址（CDMA）方式,1.工作原理,CDMA是采用数字技术的分支扩频通信技术发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它是在FDM和TDM的基础上发展起来的，是一种常用的多址方式。一个典型的CDMA频道划分如图7-9所示。,图7-9CDMA频道划分示意图,2.CDMA多址方式的发展和应用,码分多址已经成功地应用于卫星通信和蜂窝移动通信领域，和FDMA模拟蜂窝移动通信系统、TDMA数字蜂窝移动通信系统想比较，有更大的系统容量、更高的语音质量、更好的抗干扰和保密的性能等等优点。,近年来，OCDMA已经成为一项备受瞩目的热点技术。OCDMA技术在原理上与码分多址技术相似。,第7章信道复用与多址技术,7.2.4混合多址方式,在实际通信系统中往往还会用到由频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等混合应用的混合多址方式。常用的几种典型混合多址方式主要有：直扩加跳频、时分加跳频和时分加直扩等几种方式。,如图7-10所示，则是采用一个载频，包含2个TDMA时隙和2个DS-CDMA地址码，具有22=4个信道的TD/DS混合多址通信系统的框图。,图7-10TD/DS混合多址方式举例,第7章信道复用与多址技术,7.3码分多址方式,CDMA的技术原理是基于扩频技术，扩频技术主要有如下几种的基本类型：直接序列扩频技术、跳频（FH）扩频技术和跳时（TH）技术等。,7.3.1码分多址特点和技术,码分多址技术应用了“扩频通信”的原理。扩频通信技术是一种信息传输方式，是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：SpreadSequence)调制，实现频谱扩展后再传输的一种技术；其信号所占有的频带宽度远远大于所传信息所必须的最小带宽；在接收端用同样的码序列进行相关的同步接收、解扩频技术来还原所传信息数据。,扩频通信与常规的窄带通信方式相比较，主要有以下两点区别：(1)在信息传输的过程中，信息的频谱展宽形成宽带传输。(2)经过相关的处理之后再恢复成窄带信息数据。,第7章信道复用与多址技术,7.3.2直接扩频码分多址,1.直接序列扩频的调制原理,直接序列扩频DSSS（Directseqcuencespreadspectrdm）是直接利用具有高码速率的扩频码序列，在发送端扩展信号的频谱，在接收端，用相同的扩频码序列进行解码，把展宽后的扩频信号还原成原始的信号。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码序列（伪随机序列）进行模二加。,直扩码分多址DS-CDMA(DirectSequenceSpreadSpectrum-CodeDivisionMultipleAccess)通信系统原理框图如图7-11所示。,图7-11直接序列扩频调制原理图,第7章信道复用与多址技术,2.直接序列扩频的解调,图7-12为直接序列扩频解调原理框图。在接收端应用相同的调制器作为解扩器。可将频谱展宽的扩频信号，用相同的码序列进行再调制，将其恢复成原始的载波信号。另外，在解调过程中，要求系统严格同步。,图7-12直接序列扩频解调原理框图,第7章信道复用与多址技术,7.3.3跳频码分多址,1.跳频码分多址的原理,FH-CDMA(FrequencyHopping-CodeDivisionMultipleAccess)，所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。跳频码分多址移动通信系统原理框图如图7-13所示。,图7-13FH-CDMA系统原理框图,2.跳频码分多址的典型应用,跳频的优点是抗干扰，它是通过躲避干扰来达到抗干扰的能力的，抗干扰性能我们用处理增益GP表征，GP的表达式为：,（7-1）,第7章信道复用与多址技术,7.4数字复接原理,7.4.1数字复接的基本概念,数字复接技术就是在多路复用的基础上把若干个小容量低速数据流合并成一个大容量的高速数据流，再通过高速信道传输，传到接收端再分开，完成这个数字大容量传输的过程，就是数字复接。,1.数字复接系统的构成,如图7-14所示为数字复接系统的方框图，从图中我们可以看出来数字复接系统的核心是数字复接器和数字分接器。,图7-14数字复接系统的方框图,第7章信道复用与多址技术,2.三种常用的数字复接技术,数字复接的方式主要有三种：1）同步复接方式；2）异步复接方式；3）准同步复接方式。,3.中国采用的数字复接等级和数码率,表7-1码率体制和数字复接等级,CCITT推荐了两类便于国际通信的群路数码率体制和数字复接等级标准，如表7-1所示。图7-15所示为我国采用的数字速率系列和数字复接等级。,图7-15我国采用的数字速率系列和数字复接等级,第7章信道复用与多址技术,4.数字复接的实现方法,在数字复接中，按照各低次群支路的数码在高次群中的排列方式可以分为三种。,1）按位复接，如图7-16所示；,2）按字复接，如图7-17所示；,3）按帧复接。,图7-16按位复接,图7-17按字复接,第7章信道复用与多址技术,7.4.2数字信号的同步复接,同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的数码率（简称码速）统一在主时钟的频率上，可直接进行复接。同样，在分接时也受相同的主时钟控制。如图7-18示为同步复接和分接的原理图。,图7-18同步复接和分接的原理图,第7章信道复用与多址技术,7.4.3数字信号的异步复接,异步复接参与复接的各个支路不使用同一个时钟源，虽然它们有相同的标称频率，但是由于时钟源之间存在偏差，导致支路间的数码率有可能是互不相等的，这种不同时钟源但标称时钟相同的码流称为准同步的码流，应用的较多的实际上是准同步复接技术，但是我们仍然按照异步复接来讨论。如图7-19所示为异步复接和分接的原理示意图。,图7-19异步复接和分接示意图,第7章信道复用与多址技术,7.5CCITT基群复接系统,7.5.1PCM30/32路基群复接系统,1.PCM30/32路系统帧结构,我国和欧洲各国采用按照A律编码的PCM30/32路系统的帧结构，如图7-20所示。,图7-20PCM30/32路系统的帧结构图,第7章信道复用与多址技术,2.帧同步,1）基本概念,2）帧同步的基本原理,实现同步的方式主要有以下三种：逐码移位同步法，适用于PCM24系统；捕捉态工作逻辑，适用于32路增量调制；置位同步法，适用于PCM30/32系统。,如图7-21所示为帧同步系统框图，图7-22所示为帧同步系统工作流图。,图7-21帧同步电路结构示意图,第7章信道复用与多址技术,对帧同步系统要求是：,（1）同步性能稳定，具有一定的抗干扰能力，同步识别效果好；,（2）捕捉时间短；,（3）构成系统的电路简单。,图7-22帧同步系统工作流图其中：A同步态；D失步态；B、C同步保护态；E、F搜索效验态。,第7章信道复用与多址技术,7.5.2PCM24路基群复接系统,1.PCM24路系统帧结构,PCM24路系统帧结构如图7-23所示。,图7-23PCM24路系统帧结构,2.24路制的重要参数,第7章信道复用与多址技术,实验1时分复用与解复用实验,一、实验目的1.通过对两路模拟信号进行PCM编码，然后进行复用，观察复用后的信号并与复用前的编码信号比较。将复用后的信号进行解复用，然后进行PCM解码，观察解复用后的两路解码信号与原两路模拟信号是否相同，掌握时分复用与解复用系统的构成及工作原理。2.进一步加深时分复用的概念，了解时分复用在整个通信系统中的作用。二、实验设备1.信号源模块2.时分复用模块3.模拟信号数字化模块4.40M双踪示波器一台5.连接线若干,第7章信道复用与多址技术,实验2信道模拟实验,一、实验目的1.将信号源输出的NRZ码(未编码)输入信道，调节噪声功率大小，观察信道输出信号及其误码率。比较理想信道与随机信道的区别，加深对随机信道的理解。2.将输出的NRZ码(未编码)输入本模块，编码后再输入信道，并经过解码，观察通过编解码后信号的误码率，并与同等噪声功率时未编码信号的误码率进行比较。通过比较加深对纠错