通信原理—多路复用

1、Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用多 路 复 用u 频分复用u 时分复用u 码分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用多路复用多路复用 是指在同一个信道上同时传输多路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。信号而互不

2、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为了在接收端能够将不同路的信号区分开来，来，。由于信号直接来自话路，区分信号和区分话由于信号直接来自话路，区分信号和区分话路是一致的。路是一致的。 最常用的多路复用方式是频分复用（最常用的多路复用方式是频分复用（FDM）、）、时分复用（时分复用（TDM）和码分复用（）和码分复用（CDM）。）。多路复用多路复用 多 路 复 用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用u

3、 主要多路复用主要多路复用n 按频段区分信号的方法叫按频段区分信号的方法叫频分复用频分复用；n 按时隙区分信号的方法叫按时隙区分信号的方法叫时分复用时分复用；n 按相互正交的码字区分信号的方法叫按相互正交的码字区分信号的方法叫 码分复用。码分复用。传统的模拟通信中都采用频分复用传统的模拟通信中都采用频分复用 随着随着数字通信的发展，时分复用和码分复用通信数字通信的发展，时分复用和码分复用通信系统的应用越来越广泛。系统的应用越来越广泛。多 路 复 用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通

4、 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用频分复用 一般的通信系统的信道所能提供的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。道的带宽，提出了信道的频分复用。Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复

5、用频分复用时分复用码分复用 频分复用频分复用就是在发送端利用不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后可以通过中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来。彼此分离开来。 频分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http

6、:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用 假设共有假设共有n路复用的信号，每路信号路复用的信号，每路信号 首先通过低通滤波器（首先通过低通滤波器（LPF）变成）变成频率受限的低通频率受限的低通信号信号。简便起见，假设各路信号的最高频率都相等。简便起见，假设各路信号的最高频率都相等。 然后，每路信号通过然后，每路信号通过载频不同载频不同的调制器进行频谱的调制器进行频谱搬移。搬移。 一般来说调制的方式原则上可任意选择，但最常一般来说调制的方式原则上可任意选择，但最常用的是用的是单边带调制单边带调制，因为它最节省频带。因此，图中，因为它最节省频带。因此，图中的调制

7、器由相乘器和边带滤波器（的调制器由相乘器和边带滤波器（SBF）构成。）构成。频分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用频分复用系统组成框图频分复用系统组成框图频分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用 在选择载频时，既应考虑到每一路

8、已在选择载频时，既应考虑到每一路已调信号的频谱宽度调信号的频谱宽度fm, 还应留有一定的防护还应留有一定的防护频带频带fg。为了各路信号频谱不重叠，要求载。为了各路信号频谱不重叠，要求载频间隔为：频间隔为：1,2,.,in 式中，fci和fc(i+1)分别为第i和(i1)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。Tel邮通信原理Tel邮通信原理

9、http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用【例】采用频分复用的方式在一条信道中传输【例】采用频分复用的方式在一条信道中传输3路信路信号，已知号，已知3路信号的频谱如图所示，假设每路信号的路信号的频谱如图所示，假设每路信号的最高频率最高频率fH=3400Hz，均采用上边带（，均采用上边带（USB）调制，）调制，邻路间隔防护频带为邻路间隔防护频带为fg=600Hz。试计算信道中复用。试计算信道中复用信号的频带宽度，并画出频谱结构。信号的频带宽度，并画出频谱结构。 频分复用Tel邮通信

10、原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用解：信道中频分复用信号的总频带宽度为解：信道中频分复用信号的总频带宽度为:对对3路信号进行调制的载波频率分别采用路信号进行调制的载波频率分别采用wc1、 wc2和和 wc3 ，得到频分复用信号的频谱结构如图所示，得到频分复用信号的频谱结构如图所示。1111400BnfnfnHgnff(Hz)sH频分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息

11、 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用频分复用信号原则上可以直接在信道中传频分复用信号原则上可以直接在信道中传输。输。 但在某些应用中，还需要对合并后的但在某些应用中，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。所用的载波称为主载波。 原则上，两次调制可以是任意原则上，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

12、式，一般记带调制，第二次调制采用调频方式，一般记为为SSB/FM。频分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用 【例】设有一个【例】设有一个DSB/FM频分复用频分复用系统，副载波用系统，副载波用DSB调制，主载波用调制，主载波用FM调制。如果有调制。如果有50路频带限制在路频带限制在3.3kHz的音频信号，防护频带为的音频信号，防护频带为0.7kHz。如果最大频移为。如果最大频移为1000kHz，计，计算传输信号

13、的频带宽度。算传输信号的频带宽度。频分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用再进行再进行FM调制后所需的传输带宽为：调制后所需的传输带宽为：150 2 3 349 0 7364 3Bnf nfnmg. kHz 22 1000364 32728 6kHzBfBn.频分复用解：解：50路音频信号经过路音频信号经过DSB调制后，在相邻两路信号调制后，在相邻两路信号之间加防护频带之间加防护频带fg，合并后信号的总带宽为：

14、，合并后信号的总带宽为：Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用时分复用（时分复用（TDM）是建立在抽样定）是建立在抽样定理基础上的理基础上的。抽样定理指明：满足一定条。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脉冲占据较短时间，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙

15、，利用这种空隙便可以传输出了时间空隙，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，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。干扰的一种方法。时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用（1）TDM多路信号的合路和分路都是数字电路，比FDM的模拟滤

16、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：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Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用通过举例来说明时分复用技术的基本原理。通过举例来说明时分复用技术的基本原理。假设有假设有3路路PAM信号进行时分复用，其

17、具体实现信号进行时分复用，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）再送至旋转开关（抽样开关） ，每秒将各路信号依，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次抽样一次，在信道中传输的合成信号就是3路在路在时间域上周期地互相错开的时间域上周期地互相错开的PAM信号，即信号，即TDM-PAM信号。信号。时分复用时分复用的PAM系统（TDM-PAM）Tel邮通信原理Tel:023-62460

18、517重邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用 抽样时各路每轮一次的时间称为一抽样时各路每轮一次的时间称为一 帧帧 ，长度记为长度记为Ts，它就是旋转开关旋转一周的时，它就是旋转开关旋转一周的时间，即一个间，即一个 抽样周期抽样周期 。一帧中相邻两个抽样。一帧中相邻两个抽样脉冲之间的时间间隔叫做路脉冲之间的时间间隔叫做路 时隙时隙 （简称为时（简称为时隙），即每路隙），即每路PAM信号每个样值允许占用的信号每个样值允许占用的时间间隔，记为时间间隔，记为TaTs/a。 3路路PAM信号时分复用的

19、帧和时隙如下图信号时分复用的帧和时隙如下图所示。所示。时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用 上述概念可以推广到n路信号进行时分复路信号进行时分复用用。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

20、关必须保持同步。时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用 TDM-PAM系统目前在通信中几乎不再采用。抽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输，目前电话信号采用最多的编码方式是PCM和和DPCM。时分复用的时分复用的PCM系统（系统（TDM-PCM） PCM和和PAM的的区别区别在于在于PCM

21、要在要在PAM的基础上的基础上再进行再进行量化和编码量化和编码时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用时分复用3路路PCM信号时分复用原理图信号时分复用原理图Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用在发送端在发送端，3路话音信号路话音信

22、号m1(t)、m2(t)和和m3(t)经过低通滤波后成为最高频率为经过低通滤波后成为最高频率为fH的低通型信号，的低通型信号，再经过抽样得到再经过抽样得到3路路PAM信号，它们在时间上是分信号，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，然后开的，由各路发送的定时取样脉冲进行控制，然后将将3路路PAM信号一起进行量化和编码，每个信号一起进行量化和编码，每个PAM信信号的抽样脉冲经量化后编为号的抽样脉冲经量化后编为L位二进制代码。最后选位二进制代码。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。或频带传输）传到接

23、收端。 在接收端在接收端，收到信码后，首先经过码型反变换，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，然后加到解码器进行解码。解码后得到的是3路合路合在一起的在一起的PAM信号，再经过分路开关把各路信号，再经过分路开关把各路PAM信信号区分开来，最后经过低通滤波重建原始的话音信号号区分开来，最后经过低通滤波重建原始的话音信号m01(t)、m02(t)和和m03(t)。时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用

24、频分复用时分复用码分复用 TDM-PCM系统的二进制代码在每一个系统的二进制代码在每一个抽样周期内有抽样周期内有 nl 个，这里个，这里n 表示复用路数，表示复用路数，l 表示每个抽样值编码的二进制码元位数。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一位二进制码占用的时间称为位时隙位时隙，长度记为长度记为Tb。容易得到。容易得到:其中其中,Ts为一帧的长度为一帧的长度,Ta=Ts/a为为路时隙路时隙。llTlnTTasb帧长（时间）帧长（时间）时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工

25、 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用1、TDM-PAM信号信号对于对于n路频带都是的路频带都是的TDM-PAM信号，每秒信号，每秒钟的脉冲个数为钟的脉冲个数为 ，即码元速率，即码元速率: 这里这里n表示复用路数，表示复用路数，fs表示一路信号的表示一路信号的抽样频率。抽样频率。sn f时分复用信号的码元速率和带宽时分复用信号的码元速率和带宽时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复

26、 用频分复用时分复用码分复用2、TDM-PCM信号信号通过抽样、合路、量化、编码这几个步骤，容易看通过抽样、合路、量化、编码这几个步骤，容易看出出TDM-PCM的信号的二进制码元速率为：的信号的二进制码元速率为：这里这里n表示复用路数，表示复用路数， 表示每个抽样值编表示每个抽样值编码的二进制码元位数码的二进制码元位数,M为对抽样值进行量化的量化级为对抽样值进行量化的量化级数数;fs表示一路信号的抽样频率。表示一路信号的抽样频率。2loglM时分复用3、TDM信号的带宽信号的带宽得到码元速率后，按照得到码元速率后，按照PCM带宽的计算方法带宽的计算方法容易得到容易得到TDM-PAM信号和信号和

27、TDM-PCM信号传输信号传输波形为矩形脉冲时的波形为矩形脉冲时的第一零点带宽第一零点带宽。Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用 对于多路数字电话系统，国际上有两种对于多路数字电话系统，国际上有两种标准化制式，即标准化制式，即PCM 30/32路制式（路制式（E体系体系）和和PCM 24路制式（路制式（T体系体系）。）。 我国规定采用的是我国规定采用的是PCM 30/32路制式，路制式，一帧共有一帧共有32个时隙，

28、可以传送个时隙，可以传送30路电话，即路电话，即复用的路数复用的路数n=32路，其中话路数为路，其中话路数为30。PCM 30/32路系统的帧结构如图所示。路系统的帧结构如图所示。PCM30/32路系统的帧结构时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用PCM 30/32路系统的帧结构路系统的帧结构时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与

29、 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用从图可以看到，在从图可以看到，在PCM 30/32路的制式中，路的制式中，一个复帧由一个复帧由16帧组成，一帧由帧组成，一帧由32个时隙组成，个时隙组成，一个时隙有一个时隙有8个比特。个比特。对于对于PCM30/32路系统，由于路系统，由于抽样频率抽样频率为为8000Hz，因此，因此，抽样周期抽样周期（即（即PCM 30/32路的帧周期）为路的帧周期）为1/8000=125us；一个；一个复帧复帧由由16帧组成，这样复帧周帧组成，这样复帧周期为期为2ms；一帧内包含；一帧内包含32路，则

30、路，则每路占用的时隙每路占用的时隙为为125/32=3.91us；每时隙包含；每时隙包含8位折叠二进制，因此，位折叠二进制，因此，位时隙位时隙占占488ns。 从传输速率来讲，每秒钟能传送从传输速率来讲，每秒钟能传送8000帧，而每帧，而每帧包含帧包含328256bit，因此，传码率为，因此，传码率为256 8000=2.048MBaud ，信息速率为，信息速率为2.048Mbit/s。E1时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分

31、复用时分复用码分复用前面讨论的前面讨论的PCM 30/32路和路和PCM 24路时分多路时分多路系统，称为数字基群（即一次群）。为了能使路系统，称为数字基群（即一次群）。为了能使宽带信号（如电视信号）通过宽带信号（如电视信号）通过PCM系统传输，就系统传输，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，以形成流，以形成PCM高次群系统。高次群系统。CCITT推荐了两种推荐了两种一次、二次、三次和四次群的数字等级系列，如一次、二次、三次和四次群的数字等级系列，如表所示。

32、表所示。PCM高次群系统高次群系统时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用数字复接系列（准同步数字系列数字复接系列（准同步数字系列PDH）时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用数字通信系统，除了传输电话外，也可传输其它相数字通

33、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，也可以和相应的独变为数字信号传输，也可以和相应的PCM高次群一高次群一起复接成更高一级的高次群进行传输。基于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。路系列的数字复接体制的结构如图所示。时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信

34、息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用基于基于PCM30/32路系列的数字复接体制路系列的数字复接体制时分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用码分复用码分复用是用一组相互正交的码字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用中，各路信号码元在频谱上和时间上都是混叠的，但是代

35、表每路信号的上都是混叠的，但是代表每路信号的码字是正交的。码字是正交的。码分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用用用x=(x1,x2,xN)和和y=(y1,y2,yN)表示两个码长表示两个码长为 的 码 字 （ 也 称 为 码 组 ） ， 二 进 制 码为 的 码 字 （ 也 称 为 码 组 ） ， 二 进 制 码元元 ,i=1,2N。定义两个码字的互相关系数为定义两个码字的互相关系数为: 11,y,xiiN1

36、N1iiiyxx,y11x,y码字正交的概念码字正交的概念码字码字x和和y相互正交相互正交码字码字x和和y准正交准正交码字码字x和和y超正交超正交码分复用Tel邮通信原理Tel邮通信原理http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院http:/通 信 与 信 息 工 程 学 院多 路 复 用频分复用时分复用码分复用 1111n-Hn-Hn-Hn-HnH沃尔什（Walsh）码沃尔什码沃尔什码 就是哈德玛矩阵就是哈德玛矩阵H(n)行向量行向量1 1 1 11 -1 1 -11 1 -1 -11 -1 -( ) 121 H任意两个码字之间的互相关系数为0，即