时分复用和频分复用

简介数据通信系统或计算机网络系统中，传输媒体的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路，希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术(Multiplexing)。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。频分多路复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)和时分多路复用TDM(TimeDi-visionMultiplexillg)是两种最常用的多路复用技术。举个例最简单的例子：从A地到B地坐公交2块。打车要20块为什么坐公交便宜呢这里所讲的就是“多路复用”的原理。［编辑本段］频分复用(FDM)频分复用按频谱划分信道，多路基带信号被调制在不同的频谱上。因此它们在频谱上不会重叠，即在频率上正交，但在时间上是重叠的，可以同时在一个信道内传输。在频分复用系统中，发送端的各路信号m1(t)，m2(t)，…,mn(t)经各自的低通滤波器分别对各路载波f1(t)，f2(t)，…，fn(t)进行调制，再由各路带通滤波器滤出相应的边带(载波电话通常采用单边带调制)，相加后便形成频分多路信号。在接收端，各路的带通滤波器将各路信号分开，并分别与各路的载波f1(t)，f2(t)，…，fn(t)相乘，实现相干解调，便可恢复各路信号，实现频分多路通信。为了构造大容量的频分复用设备，现代大容量载波系列的频谱是按模块结构由各种基础群组合而成。根据国际电报电话咨询委员会(CCITT)建议，基础群分为前群、基群、超群和主群。①前群，又称3路群。它由3个话路经变频后组成。各话路变频的载频分别为12，16,20千赫。取上边带，得到频谱为12〜24千赫的前群信号。②基群，又称12路群。它由4个前群经变频后组成。各前群变频的载频分别为84，96，108，120千赫。取下边带，得到频谱为60〜108千赫的基群信号。基群也可由12个话路经一次变频后组成。③超群，又称60路群。它由5个基群经变频后组成。各基群变频的载频分别为420，468，516，564，612千赫。取下边带，得到频谱为312〜552千赫的超群信号。④主群，又称300路群。它由5个超群经变频后组成。各超群变频的载频分别为1364,1612,1860，2108，2356千赫。取下边带，得到频谱为812〜2044千赫的主群信号。3个主群可组成900路的超主群。4个超主群可组成3600路的巨群。频分复用的优点是信道复用率高，允许复用路数多，分路也很方便。因此，频分复用已成为现代模拟通信中最主要的一种复用方式，在模拟式遥测、有线通信、微波接力通信和卫星通信中得到广泛应用。［编辑本段］时分多路复用若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，则可采用时分多路复用TDM技术，也即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大的信息组进行交叉。如图2.12(b)中的多路复用器有8个输入，每个输入的数据速率假设为9.616ps,那么一条容量达76.8kbps的线路就可容纳8个信号源。该图描述的时分多路复用四M方案,也称同步(Synchronous)时分多路复用TDM,它的时间片是预先分配好的，而且是固定不变的，因此各种信号源的传输定时是同步的。与此相反，异步时分多路复用1DM允许动态地分配传输媒体的时间片。时分多路复用TDM不仅仅局限于传输数字信号，也可以同时交叉传输模拟信号。另外,对于模拟信号，有时可以把时分多路复用和频分多路复用技术结合起来使用。一个传输系统，可以频分成许多条子通道，每条子通道再利用时分多路复用技术来细分。在宽带局域网络中可以使用这种混合技术。［编辑本段］波分多路复用(WDM)光的波分多路复用是指在一根光纤中传输多种不同波长的光信号，由于波长不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长解复用器将各路波长分解出来。所选器件应具有灵敏度高、稳定性好、抗电磁干扰、功耗小、体积小、重量轻、器件可替换性强等优点。光源输出的光信号带宽为40nm，在此宽带基础上可实现多个通道传感器的大规模复用。［编辑本段］码分多址(CDMA)码分多址通信原理：码分多址(CDMA，Code—DivisionMultipleAccess)通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰，通常称之为多址干扰。在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。类似的信道属于逻辑信道，这些逻辑信道无论从频域或者时域来看都是相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。更为详细的、更为系统的介绍CDMA是码分多址（Code—DivisionMultipleAccess）技术的缩写，是近年来在数字移动通信进程中出现的一种先进的无线扩频通信技术，它能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。CDMA最早由美国高通公司推出，近几年由于技术和市场等多种因素作用得以迅速发展，目前全球用户已突破5000万，我国也在北京、上海等城市开通了CDMA电话网。［编辑本段］CDMA的技术持点CDMA是扩频通信的一种，他具有扩频通信的以下特点：（1）抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通信方式无法比拟的。（2）宽带传输，抗衰落能力强。（3）由于采用宽带传输，在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率话密度比较低，有利于信号隐蔽。（4）利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。在扩频CDMA通信系统中，由于采用了新的关键技术而具有一些新的特点：（1）采用了多种分集方式。除了传统的空间分集外。由于是宽带传输起到了频率分集的作用，同时在基站和移动台采用了RAKE接收机技术，相当于时间分集的作用。（2）采用了话音激活技术和扇区化技术。因为CDMA系统的容量直接与所受的干扰有关，采用话音激活和扇区化技术可以减少干扰，可以使整个系统的容量增大。（3）采用了移动台辅助的软切换。通过它可以实现无缝切换，保证了通话的连续性，减少了掉话的可能性。处于切换区域的移动台通过分集接收多个基站的信号，可以减低自身的发射功率，从而减少了对周围基站的干扰，这样有利于提高反向联路的容量和覆盖范围。（4）采用了功率控制技术，这样降低了平准发射功率。（5）具有软容量特性。可以在话务量高峰期通过提高误帧率来增加可以用的信道数。当相邻小区的负荷一轻一重时，负荷重的小区可以通过减少导频的发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度的不足而切换到相临小区，使负担分担。（6）兼容性好。由于CDMA的带宽很大，功率分布在广阔的频谱上，功率话密度低，对窄带模拟系统的干扰小，因此两者可以共存。即兼容性好。COMA的频率利用率高，不需频率规划，这也是CDMA的特点之一。CDMA高效率的OCELP话音编码。话音编码技术是数字通信中的一个重要课题。OCELP是利用码表矢量量化差值的信号，并根据语音激活的程度产生一个输出速率可变的信号。这种编五马方式被认为是目前效率最高的编码技术，在保证有较好话音质量的前提下，大大提高了系统的容量。这种声码器具有8kbit/S和13kbit/S两种速率的序列。8kbit/S序列从1.2kbit/s到9.6kbit/s可变，13kbit/S序列则从1.8kbt/s到14.4kbt/S可变。最近，又有一种8kbit/sEVRC型编码器问世，也具有8kbit/s声码器容量大的特点，话音质量也有了明显的提高。［编辑本段］CDMA存在的问题在小区的规划问题上，虽然CDMA无需频率规划，但它的小区规划却并非十分容易。由于所有的基站都使用同一个频率，相互之间是存在干扰的，如果小区规划做得不好，将直接影响话音质量和使系统容量打折扣，因而在进行站距、天线高度等方面的设计时应当小心谨慎。其次，在标准的问题上，CDMA的标准并不十分完善。许多标准都仍在研究才四制定之中。如A接口，目前各厂家有的提供IS一634版本0，有的支持Is—634版本。还有的使用Is—634/TSB—80。因此对于系统运营商来说，选择统一的A接口是比较困难的。由于功率控制的误差所导致的系统容量的减少。［编辑本段］CDMA的发展在3G中的应用第三代移动通信系统(简称3G)的技术发展和商用进程是近年来全球移动通信产业领域最为关注的热点问题之一。目前，国际上最具代表性的3G技术标准有三种，分别是TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000。其中TD-SCDMA属于时分双工(TDD)模式，是由中国提出的3G技术标准；而WCDMA和CDMA2000属于频分双工(FDD)模式，WCDMA技术标准由欧洲和日本提出，CDMA2000技术标准由美国提出5.空分多址(SDMA)空分多址空分多址(SDMA)，也称为多光束频率复用。它通过标记不同方位的相同频率的天线光束来进行频率的复用。SDMA系统可使系统容量成倍增加，使得系统在有限的频谱内可以支持更多的用户，从而成倍的提高频谱使用效率。IP地址是32位的二进制数值，用于在TCP/IP通讯协议中标记每台计算机的地址。通常我们使用点式十进制来表示，如192.168.0.5等等。每个IP地址又可分为两部分。即网络号部分和主机号部分：网络号表示其所属的网络段编号，主机号则表示该网段中该主机的地址编号。按照网络规模的大小，IP地址可以分为A、B、C、D、E五类，其中A、B、C类是三种主要的类型地址，D类专供多目传送用的多目地址，E类用于扩展备用地址。A、B、C三类IP地址有效范围如下表：类别网络号/占位数主机号/占位数用途A1〜126/80〜2550〜2551〜254/24国家级B128〜1910〜255/160〜2551〜254/16跨过组织C192〜2230〜2550〜255/241〜254/8企业组织随着互连网应用的不断扩大，原先的IPv4的弊端也逐渐暴露出来，即网络号占位太多，而主机号位太少，所以其能提供的主机地址也越来越稀缺，目前除了使用NAT在企业内部利用保留地址自行分配以外，通常都对一个高类别的IP地址进行再划分，以形成多个子网，提供给不同规模的用户群使用。这里主要是为了在网络分段情况下有效地利用IP地址，通过对主机号的高位部分取作为子网号，从通常的网络位界限中扩展或压缩子网掩码，用来创建某类地址的更多子网。但创建更多的子网时，在每个子网上的可用主机地址数目会比原先减少。子网掩码是标志两个IP地址是否同属于一个子网的，也是32位二进制地址，其每一个为1代表该位是网络位，为0代表主机位。它和IP地址一样也是使用点式十进制来表示的。如果两个IP地址在子网掩码的按位与的计算下所得结果相同，即表明它们共属于同一子网中。在计算子网掩码时，我们要注意IP地址中的保留地址，即“0”地址和广播地址，它们是指主机地址或网络地址全为“0”或“1”时的IP地址，它们代表着本网络地址和广播地址，一般是不能被计算在内的。下面就来以实例来说明子网掩码的算法：对于无须再划分成子网的IP地址来说，其子网掩码非常简单，即按照其定义即可写出：如某B类IP地址为10.12.3.0，无须再分割子网，则该IP地址的子网掩码为255.255.0.00如果它是一个C类地址，则其子网掩码为255.255.255.0o其它类推，不再详述。下面我们关键要介绍的是一个IP地址，还需要将其高位主机位再作为划分出的子网网络号，剩下的是每个子网的主机号，这时该如何进行每个子网的掩码计算。一、利用子网数来计算在求子网掩码之前必须先搞清楚要划分的子网数目，以及每个子网内的所需主机数目。1）将子网数目转化为二进制来表示2）取得该二进制的位数，为N3）取得该IP地址的类子网掩码，将其主机地址部分的的前N位置1即得出该IP地址划分子网的子网掩码。如欲将B类IP地址168.195.0.0划分成27个子网：1）27=110112）该二进制为五位数，N=53）将B类地址的子网掩码255.255.0.0的主机地址前5位置1，得到255.255.248.0即为划分成27个子网的B类IP地址168.195.0.0的子网掩码。二、利用主机数来计算1）将主机数目转化为二进制来表示2）如果主机数小于或等于254（注意去掉保留的两个IP地址），则取得该主机的二进制位数，为N，这里肯定N<8。如果大于254,则N>8，这就是说主机地址将占据不止8位。3）使用255.255.255.255来将该类IP地址的主机地址位数全部置1，然后从后向前的将N位全部置为0，即为子网掩码值。如欲将B类IP地址168.195.0.0划分成若干子网，每个子网内有主机700台：1）700=10101111002）该二进制为十位数，N=103）将该B类地址的子网掩码255.255.0.0的主机地址全部置1，得到255.255.255.255然后再从后向前将后10位置0,即为：11111111.11111111.11111100.00000000即255.255.252.0。这就是该欲划分成主机为700台的B类IP地址168.195.0.0的子网掩码。下面列出各类IP地址所能划分出的所有子网，其划分后的主机和子网占位数，以及主机和子网的（最大）数目，注意要去掉保留的IP地址（即划分后有主机位或子网位全为“0”或全为“1”的）：A类IP地址：子网位/主机位子网掩码子网最大数/主机最大数2/22255.192.0.02/41943023/21255.224.0.06/20971504/20255.240.0.014/10485745/19255.248.0.030/5242866/18255.252.0.062/2621427/17255.254.0.0126/1310708/16255.255.0.0254/655369/15255.255.128.0510/3276610/14255.255.192.01022/1638211/13255.255.224.02046/819012/12255.255.240.04094/409413/11255.255.248.08190/204614/10255.255.252.016382/102215/9255.255.254.032766/51016/8255.255.255.065536/25417/7255.255.255.128131070/12618/6255.255.255.192262142/6219/5255.255.255.224524286/3020/4255.255.255.2401048574/1421/3255.255.255.2482097150/622/2255.255.255.2524194302/2B类IP地址：子网位/主机位子网掩码子网最大数/主机最大数2/14255.255.192.02/163823/13255.255.224.06/81904/12255.255.240.014/40945/11255.255.248.030/20466/10255.255.252.062/10227/9255.255.254.0126/5108/8255.255.255.0254/2549/7255.255.255.128510/12610/6255.255.255.1921022/6211/5255.255.255.2242046/3012/4255.255.255.2404094/1413/3255.255.255.2488190/614/2255.255.255.25216382/2C类IP地址：子网位/主机位子网掩码子网最大数/主机最大数2/6255.255.255.1922/623/5255.255.255.2246/304/4255.255.255.24014/145/3255.255.255.24830/66/2255.255.255.25262/2再根据CCNA中会出现的题目给大家举个例子：首先，我们看一个考试中常见的题型：一个主机的IP地址是202.112.14.137，掩码是255.255.255.224,要求计算这个主机所在网络的网络地址和广播地址。常规办法是把这个主机地址和子网掩码都换算成二进制数，两者进行逻辑与运算后即可得到网络地址。其实大家只要仔细想想，可以得到另一个方法：255.255.255.224的掩码所容纳的IP地址有256—224=32个（包括网络地址和广播地址），那么具有这种掩码的网络地址一定是32的倍数。