数字通信（微课版）课件 第7章 信道复用与多址技术

数字通信1第7章信道复用与多址技术3前面各章节所讨论的内容是针对传输单路信号而言的，但实际上信道往往要传输多路信号，这就是信道复用问题。

多址技术是指多个用户可以共享通信信道，多址技术使信道的通信资源被互相通信的大量用户所共享。因此，多址技术也是在通信系统内信道复用的一种方法。

多路复用技术和多址技术都是现代通信系统中的关键技术。本章主要讨论这两种技术的基本原理。引言4频分多路复用的概念和特点时分多路复用的概念与工作原理

PCM30/32系统帧结构数字复接的概念多址通信方式的分类、原理及其特点本章学习目标学习指南5引导学生在学习难以掌握的知识时，寻找现实生活相关场景与新技术对比的思维方式，培养学生问题导向意识，以及寻找解决问题的办法。本章素质目标学习指南6多路复用与多址技术频分复用（FDM）时分复用（TDM）与数字复接多址通信方式1234内容提要数字通信系统构成回顾76.1多路复用与多址技术第6章信道复用与多址技术9内容提要信道复用技术应用背景多路复用与多址的基本概念12早期的传输线路一对线只能传送一路电话后来发明了载波电话，上述情况有了突破。单路载波电话在一对线上可以通两路电话，线路的利用率提高了一倍。后来陆续开发出3路、12路、60路载波电话等，使电信线路的传输能力提高了几倍、几十倍。同轴电缆载波系统更使通信的容量从几百路提高到几千路、上万路20世纪70年代后期，开始大量使用光纤通信。一条光纤就可以通几百上千路电话。20世纪80年代，模拟调频微波通信的容量已达1800~2700路。到20世纪90年代中期，一根光纤可以开通几万路电话。“波分复用技术（WDM）”的应用，使一根光纤已能开通几十万路电话，而且还在继续提高，其通信容量发展之快令人惊叹。

这些都是“多路复用技术”的成果。6.1.1信道复用技术应用背景10在无线通信方面，多路复用技术也得到广泛的应用。早在20世纪30年代初期，在无线电通信中就使用了多路复用技术。20世纪40年代以后，微波通信中更是广泛地应用了多路复用技术。到20世纪80年代，模拟调频微波通信的容量已经高达1

800～2

700路20世纪80年代末发展起来的数字微波通信，多路复用的容量更高。1965年以后，卫星通信发展很快，20世纪90年代，新的卫星通信系统应用多路复用技术，可以承载约35

000路电话和多个频道电视节目的传输。6.1.1信道复用技术应用背景1112内容提要信道复用技术应用背景多路复用与多址的基本概念12实现在同一条通信线路上传送多路信号的技术叫做多路复用技术。采用多路复用技术可以提高电信线路的传输效率，降低成本。通常将多路信号在发送端合并后通过信道传输，然后在接收端分开并恢复各路信号的过程分别称为复接和分接。根据信号分割技术，多路复用技术可以分为频分复用、时分多路复用和码分多路复用等方式。6.1.2多路复用与多址的基本概念131．多路复用频分复用是将各路信号分别调制到不同的频段进行传输，多用于模拟通信。从本质上来说，波分复用技术（WDM）是一种频分复用技术。光波的频率发生变化时，波长也相应变化。因此波分复用技术是一种专用于光纤通信技术的特殊的频分复用技术。在现阶段可以应用的光纤窗口为0.85

m，1.31m和1.55m。6.1.2多路复用与多址的基本概念141．多路复用时分复用技术是利用时间上离散的脉冲组成相互不重叠的多路信号，广泛应用于数字通信。因各种原因，时分复用技术的标准未能统一，存在着两种不同制式，三套不同的标准，这种现象极大地影响了时分复用技术的发展和应用。为此，ITU-T制定了统一的标准来解决这一问题，这套标准即为数字复接等级标准。在时分复用技术中，每个终端用户都被固定分配了一条信道，即使有的终端用户并没有有效数据进行传输，仍然要占据一条信道，这种现象造成了信道的浪费，导致信道的低效率使用。为解决这一问题，在传统的时分复用技术的基础上进行了改进，发展了统计时分复用技术。与传统时分复用技术不同的是，在统计时分复用技术下，终端用户的信道是动态分配的，只有那些确实有数据要传送的终端才能分配到信道，有效地提高了线路的使用效率。码分复用？6.1.2多路复用与多址的基本概念151．多路复用对于有线通信（针对电话交换网），多用户相互通信问题是通过交换技术来解决的。而早期的无线通信主要是以点对点通信为主。当卫星通信、移动通信和计算机通信网等新的通信方式发展以后，用户位置分布广泛，需要采用多址方式实现多用户间的相互通信。6.1.2多路复用与多址的基本概念162．多址技术（多用户通信）目前有多种类型的多用户通信系统，一种多用户通信系统是如图6-1（a）所示的多址系统，该系统中的大量用户共用通信信道以传送信息到接收机。这个共用信道可以是卫星通信系统的上行链路，也可以是与接入中心计算机的一组终端连接的电缆，还可以是与某一无线接收机相联系供多个用户使用的无线频谱的某个频带。例如，在蜂窝移动通信系统中，用户是该系统中任一特定小区中的移动台（手机），接收机在给定小区的基站中。第二种类型的多用户通信系统是广播网。在该网络中，一部发射机发送信息到多个接收机，如图6-1（b）所示。广播系统包括普通的无线电和TV电视系统，以及卫星系统的下行链路。多址系统和广播网络是最常用的多用户通信系统。第三种类型的多用户系统是存储和转发网络，如图6-1（c）所示。第四种类型是如图6-1（d）所示的双向通信系统。6.1.2多路复用与多址的基本概念172．多址技术（多用户通信）6.1.2多路复用与多址的基本概念182．多址技术（多用户通信）多路复用和多址方式两者都是解决信道的复用问题。它们在通信过程中都包括多个信号的复合、复合信号在信道上的传输以及信号的分离三个过程，如图6-2所示。通过信道复用，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源、提高信道使用效率的目的。多址技术与多路复用有几点细微差别，主要表现在：（1）多路复用通常使信道（例如电话信道）被局部范围内的用户所共享，多个信号在基带信道上复合和分离，信号直接来自话路。（2）多址技术使通信信道（或通信资源），例如卫星无线信道等，被分布在不同位置上的用户远程共享，多个信号在射频信道上复用，信号来自不同的站址。6.1.2多路复用与多址的基本概念192．多址技术（多用户通信）信号的复合与分离小结1．信道复用的基本概念复用——若干路彼此独立的信号，先组合成一个复合信号，再在同一信道上传输的技术。常用的复用方式分类如下：20数字通信21数字通信系统构成回顾226.2频分复用（FDM）第6章信道复用与多址技术24内容提要频分复用的概念频分复用在电话系统中的应用频分复用技术特点1237.2.1频分复用的概念25频分复用（FDM）是将传输频带分成N个部分，每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。这样在一对传输线路上可有N路信息传送，而每一路信息所占用的只是其中的一个频段，如图6-3所示。理论上，当传输介质的带宽大于要传输的所有信号的带宽之和时，就可以使用频分多路复用技术。每一路信号被调制到不同的载波频率上，调制后的信号被组合成通过介质传输的复合信号。因而频分制通信又被称为载波通信，它是模拟通信的主要手段。为防止信号之间的互相干扰，在信道之间应留出足够的保护频带，以保证这些信号的带宽不会产生重叠。图6-3频分多路复用示意图26内容提要频分复用的概念频分复用在电话系统中的应用频分复用技术特点1236.2.2频分复用在电话系统中的应用27频分多路复用技术被广泛应用于模拟通信系统，如固定电话系统、有线（闭路）电视系统等。下面以话音信号为例，说明频分复用的复用和解复用原理。1．复用过程图6-4所示说明了在固定电话系统中如何使用频分多路复用技术将3路话音信号通过一对传输线路传送。每路话音信号的频率范围都是相近的，在复用器中，3路信号被调制到不同的载波频率（f1，f2，f3）上，然后将调制后的复合信号通过宽带的传输线路传送。图6-4复用过程7.2.2频分复用在电话系统中的应用282．解复用过程图6-5所示说明了在固定电话系统中的解复用过程。在接收端使用带通滤波器将3路话音信号从复合信号中分离出来，之后再送到解调器进行解调。至此，3路话音信号被还原出来。图6-5解复用过程频分复用时，各路载频的间隔除考虑频谱不重叠外，还要考虑邻路之间的相互干扰以及带通滤波器制作上的困难。因此，在保证各路信号的带宽外，载频与载频还应留有一定的防护带。29内容提要频分复用的概念频分复用在电话系统中的应用频分复用技术特点1237.2.3频分复用技术特点30频分多路复用技术的优点系统效率较高传输介质的带宽使用率高技术成熟成本低其缺点主要有：抗干扰性能差没有排错和纠错功能不适于传输数字信号而现代通信系统是以数字化通信为发展方向的，因此，在实际应用中广泛应用时分复用技术。31正交频分复用（OFDM）?小结2．频分复用（FDM）频分复用技术是各种复用技术中出现最早的一种技术。FDM技术的实现是基于两个方面进行的：一是调制技术，从而把处于同一频带内的多路基带信号搬移到不同的载频上——频谱搬移；二是信道带宽远大于单路已调信号带宽。频分复用技术的主要优点是技术成熟，易于实现。主要缺点是易产生路间干扰，其根本原因是相互复用的各路信号在时间上同时出现。频分复用技术在许多模拟通信系统中获得广泛应用。32习题：7-4、7-5、7-6教材练习题33作业布置《数字通信原理》苏文俊suwenjun@139.com34数字通信系统构成回顾356.3时分复用（TDM）与数字复接第6章信道复用与多址技术37内容提要时分复用原理时分复用的帧结构数字复接技术1236.3.1时分复用原理38时分复用（TDM）是指各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。由前述的抽样理论可知，抽样的一个重要作用是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号，其在信道上占用时间的有限性，为多路信号沿同一信道传输提供了条件。具体来说，就是把时间分成一些均匀的时间间隙，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隙，以达到互相分开、互不干扰的目的。图6-12（a）所示为时分多路复用示意图。各路信号经低通滤波器将频带限制在3

400Hz以下，然后加到快速电子旋转开关K1，K1开关不断重复地作匀速旋转，每旋转一周Ts秒对每一路信号每隔一个周期抽样一次，这样N个样值按先后顺序错开，合成的复用信号是N个抽样信息之和，如图6-12（b）和（c）所示。由各个信息构成单一抽样的一组脉冲叫做一帧。一帧中相邻脉冲之间的时间间隔叫做时隙（TimeSlot），未被抽样脉冲占用的时隙部分叫做防护时间。图中的开关K1、K2也称为分配器图6-12时分多路复用示意图6.3.1时分复用原理396.3.1时分复用原理40图中，发送端分配器不仅起到抽样的作用，同时还起到复用合路的作用。合路后的抽样信号送到PCM编码器进行量化和编码，然后将数字信码送往信道。在接收端将这些从发送端送来的各路信码依次解码，还原后的PAM信号由收端分配器旋转开关K2依次接通每一路信号，再经低通平滑，重建话音信号。接收端的分配器起到时分复用的分路作用，所以接收端分配器又叫分路门。为保证正常通信，发送、接收端旋转开关K1，K2必须同频同相。同频是指K1，K2的旋转速度要完全相同，同相指的是发送端旋转开关K1连接第一路信号时，接收端旋转开关K2也必须连接第一路，否则接收端将收不到本路信号，要求发送、接收双方必须保持严格的同步。6.3.1时分复用原理41【例6-1】对10路带宽均为300～3

400Hz的模拟信号进行PCM时分复用传输。抽样速率为8

000Hz，抽样后进行8级量化，并编为自然二进制码，码元波形是宽度为τ的矩形脉冲，且占空比为1。试求传输此时分复用PCM信号所需的最小带宽。解：PCM时分复用信号的传输速率为Rb

=8

log2810kbit/s=

240kbit/s二进制基带系统的最大频带利用率为所以，传输此信号所需最小带宽为42内容提要时分复用原理时分复用的帧结构数字复接技术1236.3.2时分复用的帧结构43以PCM30/32路电话系统为例，来说明时分复用的帧结构，这样形成的PCM信号称为PCM一次群信号。时分多路复用的方式是用时隙来分割的，每一路信号分配一个时隙叫路时隙，帧同步码和信令码也各分配一个路时隙。PCM30/32系统的意思是整个系统共分为32个路时隙，其中30个路时隙用来传送30路话音信号，一个路时隙用来传送帧同步码，另一个路时隙用来传送信令码。次群以1.5Mbps为基础的系列以2Mbps为基础的系列日本体制（kbps）北美体制（kbps）欧洲体制（kbps）0次群6464641次群1554155420482次群6312631284483次群3206444736343684次群977281392641392645次群*2741765651486.3.2时分复用的帧结构446.3.2时分复用的帧结构45从图中可看出，PCM30/32路系统中一个复帧包含16帧，编号为F0帧、F1帧，…，F15帧，一复帧的时间为2ms。每一帧（每帧的时间为125

s）又包含有32个路时隙，其编号为TS0～TS31，每个路时隙的时间为3.9

s。每一路时隙包含有8个位时隙，每个位时隙的时间为0.488

s。根据抽样理论，每帧频率为8

000帧/s，帧周期为125s，所以PCM30/32路系统的总数码率是Rb

=8

000

(帧/s)

32

(路时隙/帧)

8

(bit/路时隙)

=2

048kbit/s

=

2.048

Mbit/s6.3.2时分复用的帧结构46【例6-2】6路独立信源的最高频率分别为1kHz、1kHz、2kHz、2kHz、3kHz、3kHz。若采用时分复用方式进行传输，每路信号均采用8位对数PCM编码。（1）设计该系统的帧结构和总时隙数，求每个时隙占有的时间宽度及码元宽度。（2）求信道最小传输带宽。解：（1）若选择抽样频率为6kHz，则每路信号都符合抽样定理的要求。不考虑帧同步码、信令码，帧结构如图6-16所示。每帧共6个时隙，每个时隙占有的时间宽度为27.8

s，码元宽度为3.5

s。（2）信息传输速率为Rb

=6

000

(帧/s)

6

(时隙/帧)

8

(bit/时隙)

=

288kbit/s信道最小传输带宽为：Bc

=

Rb/2=

144kHz47内容提要时分复用原理时分复用的帧结构数字复接技术1236.3.3数字复接技术48在时分制数字通信系统中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速宽带信道中传输。扩大数字通信容量有两种方法。一种方法是采用PCM30/32系统（基群或一次群）复用的方法。例如需要传送120路电话时，可将120路话音信号分别用8kHz抽样频率抽样，然后对每个抽样值编8位码，其数码率为8000

8

120

=

7

680kbit/s。由于每帧时间为125

s，每个路时隙的时间只有1

s左右，这样每个抽样值编8位码的时间只有1

s时间，其编码速度非常高，对编码电路及元器件的速度和精度要求很高，实现起来非常困难。但这种方法从原理上讲是可行的，这种对120路话音信号直接编码复用的方法称PCM复用。另一种方法是将几个，例如4个经PCM复用后的数字信号再进行时分复用，形成更多路的数字通信系统。显然，经过数字复用后的信号的数码率提高了，但是对每一个基群编码速度没有提高，实现起来容易，目前广泛采用这种方法提高通信容量。由于数字复用采用数字复接的方法来实现，又称数字复接技术。1．数字复接的概念6.3.3数字复接技术49数字复接系统由数字复接器和数字分接器组成，如图6-17所示。数字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数字信号设备，它由定时、码速调整和复接单元等组成。数字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，它由帧同步、定时、数字分接和码速恢复等单元组成。1．数字复接的概念图6-17数字复接系统方框图6.3.3数字复接技术50定时单元给设备提供一个统一的基准时钟。码速调整单元是把速率不同的各支路信号，调整成与复接设备定时完全同步的数字信号，以便由复接单元把各个支路信号复接成一个数字流。在复接时还需要插入帧同步信号，以便接收端正确接收各支路信号。分接设备的定时单元是由接收信号中提取时钟，并分送给各支路进行分接用。1．数字复接的概念图6-17数字复接系统方框图6.3.3数字复接技术51目前广泛使用的是分别以1

544kbit/s（T1）和2

048kbit/s（E1）为代表的两套准同步数字系列（PDH），CCITT已推荐了两类数字速率系列和复接等级，两类数字速率系列和数字复接等级分别如表6-1和图6-18所示。2．数字复接等级群号一次群二次群三次群四次群数码率（Mbit/s）1.544（T1）6.31232.06497.728话路数2424

4=9696

5=480480

3=1440数码率（Mbit/s）2.048(E1)8.44834.368139.264话路数3030

4=120120

4=480480

4=1920表6-1 两类数字速率系列6.3.3数字复接技术522．数字复接等级图6-18数字复接等级示意图6.3.3数字复接技术53随着数字通信业务的不断发展，未实现标准化的准同步数字系列（PDH）逐渐成为实现数字通信的重要阻碍。为此，CCITT于1988年通过了同步数字系列（SDH），采用同步转移模式（STM），它的第一级速率为155.52kbit/s（STM-1），而其他高级速率是在第一级速率基础上采用同步复接实现，解决了准同步数字系列的非标准化及其他一些缺点。SDH的优点同步复用强大的网络管理能力统一的光接口及复用标准2．数字复接等级6.3.3数字复接技术54数字复接的方法主要有按位复接、按字复接和按帧复接三种。按位复接又叫比特复接，即复接时每支路依次复接一个比特。图6-19（a）所示是4个PCM30/32系统TS1时隙（CH1话路）的码字情况。图6-19（b）所示是按位复接后的二次群中各支路数码排列情况。按位复接方法简单易行，设备也简单，存储器容量小，目前被广泛采用，其缺点是对信号交换不利。3．数字复接方法与分类图6-19按位复接与按字复接示意图6.3.3数字复接技术55图6-19（c）是按字复接，对PCM30/32系统来说，一个码字有8位码，它是将8位码先储存起来，按规定时间四个支路轮流复接，这种方法有利于数字电话交换，但要求有较大的存储容量。按帧复接是每次复接一个支路的一帧（一帧含有256个比特），这种方法的优点是复接时不破坏原来的帧结构，有利于交换，但要求更大的存储容量。3．数字复接方法与分类图6-19按位复接与按字复接示意图6.3.3数字复接技术56几个低次群数字信号复接成一个高次群数字信号时，如果各个低次群，例如PCM30/32系统的时钟是各自产生的，即使它们的标称数码率相同，都是2048kbit/s，但它们的瞬时数码率也可能是不同的。各个支路的晶体振荡器的振荡频率不可能完全相同（CCITT规定PCM30/32系统的瞬时数码率在2

048kbit/s

100bit/s），几个低次群复接后的数码就会产生重叠或错位，如图6-20（b）所示。这样复接合成后的数字信号流，在接收端是无法分接恢复成原来的低次群信号的。因此，数码率不同的低次群信号是不能直接复接的。为此，在复接前要使各低次群的数码率同步，同时使复接后的数码率符合高次群帧结构的要求。所以，将几个低次群复接成高次群时，必须采取适当的措施，以调整各低次群系统的数码率使其同步，这种同步是系统与系统之间的同步，称系统同步。4．数字复接中的码速调整6.3.3数字复接技术574．数字复接中的码速调整图6-20低次群复接示意图6.3.3数字复接技术58系统同步的方法有两种，即同步复接和异步复接。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，使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，这样就达到系统同步的目的。这种同步方法的缺点是主时钟一旦出现故障，相关的通信系统将全部中断。它只限于在局部区域内使用。异步复接是各低次群使用各自的时钟。这样，各低次群的时钟速率就不一定相等，因而在复接时先要进行码速调整，使各低次群同步后再复接。不论同步复接或异步复接，都需要码速变换。虽然同步复接时各低次群的数码率完全一致，但复接后的码序列中还要加入帧同步码、对端告警码等码元，这样数码率就要增加，因此需要码速变换。4．数字复接中的码速调整6.3.3数字复接技术59数字复接的码速调整主要有三种类型：正码速调整、正/负码速调整和正/零/负码速调整。这三种方式中，正码速调整方式的性能虽是三种方式中最差的，但能在大部分应用场合下满足性能要求，而这种方式的设备最简单，成本低，所以应用最广泛。因此，本节主要以正码速调整方式来说明码速调整的原理及实现方法。4．数字复接中的码速调整6.3.3数字复接技术60

CCITT规定以2

048kbit/s为一次群的数码率PCM二次群的数码率为8

448kbit/s。按理说，PCM二次群的数码率是4×2048kbit/s

=

8192kbit/s。当考虑到4个PCM一次群在复接时插入了帧同步码、告警码、插入码和插入标志码等码元，这些码元的插入，使每个基群的数码率由2048kbit/s调整到2112kbit/s，这样4×2112kbit/s

=

8448kbit/s。码速调整后的速率高于调整前的速率，称正码速调整。正码速调整方框图如图6-21所示。每一个参与复接的数码流都必须经过一个码速调整装置，将瞬时数码率不同的数码流调整到相同的、较高的数码率，然后再进行复接。码速调整装置的主体是缓冲存储器，还包括一些必要的控制电路、输入支路的数码率fl

=

2.048Mbit/s±100bit/s，输出数码率为fm=2.112Mbit/s。所谓正码速调整就是因为fm>fi而得名的。假定缓存器中的信息原来处于半满状态，随着时间的推移，由于读出时钟大于写入时钟，缓存器中的信息势必越来越少，如果不采取特别措施，终将导致缓存器中的信息被取空，再读出的信息将是虚假的信息。4．数字复接中的码速调整图6-21正码速调整方框图6.3.3数字复接技术614．数字复接中的码速调整6.3.3数字复接技术62为了防止缓存器的信息被取空，需要采取一些措施。一旦缓存器中的信息比特数降到规定数量时，就发出控制信号，这时控制门关闭，读出时钟被扣除一个比特。由于没有读出时钟，缓存器中的信息就不能读出去，而这时信息仍往缓存器存入，因此缓存器中的信息就增加一个比特。如此重复下去，就可将数码流通过缓冲存储器传送出去，而输出信码的速率则增加为fl。图6-22中某支路输入码速率为fl，在写入时钟作用下，将信码写入缓存器，读出时钟频率是fm，由于fm>fl，所以缓存器是处于慢写快读的状态，最后将会出现“取空”现象。如果在设计电路时加入一控制门，当缓冲存储器中的信息尚未“取空”而快要“取空”时，就让它停读一次。同时插入一个脉冲（这是非信息码），以提高码速率，如图6-22①、②所示。从图中可以看出，输入信码是以fl的速率写入缓存器，而读出脉冲是以速率fm读出，如图中箭头所示。由于读、写时间差（相位差）越来越小，到第6个脉冲到来时，fm与fl几乎同时出现，这将出现没有写入都要求读出信息的情况从而造成“取空”现象。为了防止“取空”，这时就停读一次，同时插入一个脉冲，如图中虚线所示。插入脉冲在何时插入是根据缓存器的储存状态来决定的，可通过插入脉冲控制电路来完成。储存状态的检测可通过相位比较器来完成。4．数字复接中的码速调整6.3.3数字复接技术63在接收端，分接器先将高次群信码进行分接，分接后的各支路信码分别写入各自的缓存器。为了去掉发送端插