1、第7章 多路复用,通信系统中，经常需要在异地之间同时传送多路信号，一般采用两种方式，一是近距离多路信号传输，采用多路低速传输介质分别传输多路信号；二是远距离多路信号传输，采用一条高速传输介质传输多路信号。由于远距离通信中布线问题的限制等，采用一条传输介质来传输多路信号的方式表现出了其固有的优点。本章主要讲述多路复用的基本原理，介绍常见的FDM、TDM和WDM复用方式。,第7章 多路复用,7.1 多路复用概述 7.2 频分多路复用 7.3 时分多路复用TDM 7.4 波分多路复用WDM 本章小结,7.1 多路复用概述,在数据通信系统中,传输媒体的带宽往往超过传输单一信号的需求,为了有效地利用通信
2、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,它相当于将一条物理信道划分为几条逻辑信道，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。图7-1描绘了多路复用的基本原理。,图7-1 多路复用基本原理,通路指的是一条物理链路，它由多条通道组成。通道指的是通路中用来完成一路信号传输的单位。信道（channel)指的是指以传输媒介为基础的信号通道。一条通路可以有多条通道。多路复用指的是将要传送的多路信息，各自分成大小相同的若干小块，发送信息时，按一定的顺序轮流发送一小块，然后再轮流发送下一小块。重
3、复循环，直到发送完毕。应用多路复用技术，可以在用户传输较多信息时,把多个低速信道通过一个多路复用器组合成一个高速信道，以此来提高信道的利用率。,多路复用技术的理论依据是信号分割原理。信号分割的依据在于信号之间的差别。这种差别可以体现在频率、时间或波形等参量上。信道多路复用的理论基础是信号分割原理。信号分割的依据在于信号之间的差别。按照频率参量的差别来分割信号的多路复用称为频分多路复用FDM；按照时间参量上的差别来分割信号的多路复用称为时分多路复用TDM；根据码型(波形)结构的不同来实现信号分割的多路复用称为码分多路复用CDMA；此外波分多路复用WDM等形式。,7.2 频分多路复用,频分多路复用
4、FDM（Frequency Division Multiplexing），指的是按照频率参量的差别来分割信号的复用方式。FDM的基本原理是若干通信信道共用一条传输线路的频谱。在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下,可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道,每个子信道传输一路信号。FDM将传输频带分成N部分后，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就有N对话路信息传送，而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。图7-2给出了FDM的一般情况。在该图中,有4个信号源输入到一个多路复用器上,复用器用不同的频率(f1,f2,f3,f
5、4)调制每一个信号。每个调制后的信号都需要一个以它的载波频率为中心的带宽，称之为通道（信道）。,图7-2 频分多路复用,FDM的每个信道分别占用永久分配给它的一个频段，为了防止信号间的相互干扰，在每一条通道间使用保护频带进行隔离。保护频带是一些无用的频谱区。若介质频宽为f，若均分为n给子信道，则每个信道的最大带宽为f/n。考虑保护带宽，则每个信道的可用带宽都小于f/n。信道1的频谱在0f/n之间，信道2的频谱在f/n2f/n之间，依次类推。例如，在载波电话中，语音信号的频谱为300Hz3400Hz，因而，分配给每条语音话路4k的带宽。,7.2.1 FDM基本原理图7-3示出了一个频分复用电话系
6、统的组成框图。图中，复用的信号共有路，每路信号首先通过低通滤波器（LPF），以限制各路信号的最高频率 。图中的调制器由相乘器和边带滤波器（SBF）构成。在选择载频时，既应考虑到边带频谱的宽度，还应留有一定的防护频带 ，以防止邻路信号间相互干扰，即,（7-1）,式中， 和 分别为第i路和第（i+1）路的载波频率。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，这对提高信道复用率不利。因此，实际中应尽量提高边带滤波技术，以使 尽量缩小。目前，按CCITT标准，防护频带间隔应为900Hz。,图7-3 频分复用系统组成框图,经过频分多路复用器复用的各路信号，在频率位置
7、上被分开了，因此，可以通过相加器将它们合并成适合信道内传输的复用信号，其频谱结构如图7-4所示。图中，各路信号具有相同的 ，但它们的频谱结构可能不同。n路单边带信号的总频带宽度为,（7-2）,式中， 为一路信号占用的带宽。,图7-4 FDM的频谱结构,合并后的复用信号，原则上可以在信道中传输，但有时为了更好地利用信道的传输特性，还可以再进行一次调制。解复用过程是复用过程的逆过程。在接收端，可利用相应的带通滤波器（BPF）来区分开各路信号的频谱。然后，再通过各自的相干解调器便可恢复各路调制信号。解复用器采用滤波器将复合信号分解成各个独立信号。然后，每个信号再被送往解调器将它们与载波信号分离。最后
8、将传输信号送给接收方处理。图7-5显示了解复用过程。,FDM解复用过程,频分复用系统的最大优点是系统效率较高，充分利用传输媒介带宽，技术也比较成熟；因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。,频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。FDM对于信道的非线性失真具有较高的要求，因为非线性失真会造成严重的串音和交叉调制干扰；FDM本身不提供差错控制。FDM所需载波量大，所需高备随输入信号的增多而增多，设备繁杂，不易小型化。,7.2.2 FDM的应用频分多路复用多用于模拟信号的传输。它的应用中最
9、常见的是模拟电话系统和有线电视传输系统。 1.模拟电话系统FDM模拟电话系统中，采用的传输介质为双绞线。滤波器将每个话音通道的带宽限制在3000Hz左右。,当多个通道被复用在一起时，每个通道分配4000Hz的带宽，以便彼此频带间隔足够远，防止出现串音。图7-6说明了如何使用FDM将3个话音通道复用在一起。每个话音信号的频率范围都是很相近的。在复用器中，这些相似的信号被调制到不同的载波频率（f1，f2，f3）上。然后，将调制后的信号合成为一个复用信号并通过宽频带的传输媒介传送出去。,图7-6 FDM模拟电话复用系统,解复用过程是复用过程的逆过程。解复用器采用滤波器将复合信号分解成各个独立信号。然
10、后，每个信号再被送往解调器将它们与载波信号分离。最后将传输信号送给接收方处理。图7-7显示了解复用的过程。,图7-7 FDM模拟电话解复用系统,2.有线电视传输系统FDM的另一个常见应用是有线电视传输系统。目前，有线电视系统中使用同轴电缆作为传输媒介，同轴电缆的传输带宽大约为500MHz。一个模拟电视频道大约需要6MHz的传输带宽。因此从理论上讲，一条同轴电缆可以同时承载83个电视频道。,7.3 时分多路复用TDM,在数字通信系统内通常使用时分多路复用技术，即TDM技术。TDM以时间作为分割信号的参量，信号在时间位置上分开但它们能占用的频带是重叠的。当传输信道所能达到的数据传输速率超过了传输信
11、号所需的数据传输速率时即可采用TDM。,TDM的理论基础是抽样定理。抽样定理使连续(模拟)的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲值所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙，利用这种空隙便可以传输其他信号的抽样值。因此，这就有可能沿一条信道同时传送若干个基带信号。关于抽样定理的相关知识在前面章节已经详细阐述。,7.3.1 TDM复用原理 TDM的复用过程可以由图7-8所示。如图中3路信号通过一个高速旋转的开关轮转来使用公共信道。各路信号首先通过相应的低通滤波器，使输入信号变为带限信号。然后再送到抽样开关(或转换开关)，转换开关(电子开关)每 秒将各路信号依次抽
12、样一次，这样3个抽样值按先后顺序错开纳入抽样间隔 之内。合成的复用信号是3个抽样消息之和。,由各个消息构成单一抽样的一组脉冲叫做一帧，一帧中相邻两个抽样脉冲之间的时间间隔叫做时隙，未能被抽样脉冲占用的时隙部分称为防护时间。,图7-8 时分复用原理,多路复用信号可以直接送入信道传输，或者加到调制器上变换成适于信道传输的形式后再送入信道传输。在接收端，合成的时分复用信号由分路开关依次送入各路相应的重建低通滤波器，恢复出原来的连续信号。在TDM中，发送端的转换开关和接收端的分路开关必须同步。所以在发端和收端都设有时钟脉冲序列来稳定开关时间，以保证两个时钟序列合拍。,TDM是按照时间片的轮转来共同使用
13、一个公共信道，所以在对TDM系统进行分析的时候，通常考查如下几个基本概念。 1.帧TDM传送信号时，将通信时间分成一定长度的帧。每一帧又被分成若干时间片。即一帧由若干个时间片组成。帧中的每个时间片是预先分配给某个数据源的，且这种关系固定不变。不论有无数据需要发送，所有数据源的时间片都会被占有 .,在具有N路输入系统中，每个帧至少含有N个时间片。分配给某一设备的时间片在一帧中的位置是固定的，这些就构成了该设备的传输通道。如图7-9显示的是4路信号进行的多路复用系统，其中一帧由4个时间片构成，并且时间片在帧中的位置时固定的。,图7-9 TDM帧的格式,2.交错同步时分多路复用器关键部件是高速的电子
14、开关，当开关移动到某个设备前，该设备就有机会向公共通路传输规定大小的数据。开关的这种以固定的速率和固定的顺序在设备间的移动过程就称作交错。交错可以按比特，字节和数据块分配，实际上交错就是指一个时间片的信息量。,3.帧定位比特在每帧的开始附加一个或多个同步比特，以便于解复用器根据输入信息进行同步，从而精确地分离各时间片。控制信息使用的是可以识别的比特模式：101010 4.比特填充同步不同传输速率的数据源，使得不同数据源间速率匹配（近似呈整数倍关系），主要是通过复用器在设备的数据流中插入附加的比特。,7.3.2 TDM数据复用方式根据每个时间片中存放的内容不同，在时分多路复用器中，数据复用方式分
15、为三种，即比特交错法、字符交错法和码组交错法。,1.比特交错法比特交错技术主要用于同步的数据源，它的每个时间片仅含有某个数据源的一个比特。这种方式按照被复用的支路顺序和各支路中各自的比特顺序每次仅复用一个比特的数据比特交错时分复用器在高速传送的数据信号集合帧里，每一个时隙仅传送一个低速信道的1比特数据或传送1比特帧同步信息。,2.字符交错法字符交错法主要用于异步的数据源,字符交错是以一个字符为单位进行复用。即它的每个时间片包含某个数据源的一个字符数据或同步信息。每个时间片传输1路信号中的1个字符（数据/同步信息），典型状况下每个字符的起始位和停止位在传输之前被清除。字符交错法适合于异步的数据源
16、，但缓存容量与比特交错技术相比较大。,3.码组交错法码组交错法按某一码字长度（若干比特）为单位进行复用，即每个时间片包含某个数据源的一个码字（可能是一个比特，一个字符或更多比特），每个时间片传输一个码字/子帧，与比特交错技术相比误码率较低。,例7-1 五个信源通过同步TDM复用在一起。每个信源每秒产生 100个字符。假设采用字符交错技术而且每帧需要一个比特同步。帧速率是多少？通路上的比特率是多少？并求出该系统的传输效率。解：（1）已知每个信源每秒产生 100个字符，而每一帧容纳每个信源的一个字符，由此可知该系统的帧速率是100帧/秒。,（2）如果假设每个字符为8位，因此每帧有85=40位，再加
17、上每帧有一位帧定位比特，所以每帧的长度为41位。由此可计算出通路上的比特率是41位/帧100帧/秒=4100bps。（3）要想计算传输效率，已知通路上的比特率为=4100bps，而各通道上传输有用数据的总合为81005=4000bps。由此可计算出该系统的效率为97.6%。,例7-2 在GSM通信系统中，采用TDM多路复用方式，系统的总带宽25MHz，一个信道的带宽为200KHz，可以分配给8个用户使用，该系统中未设保护频带，求系统可以容纳的总用户的数量。解：Bc200/825KHzN25106 /25 1031000,例7-3 GSM系统每帧包括8个时隙的帧结构，每时隙包括156.25比特，
18、数据发送速率为270.833kbps，求：（1）比特周期Tb；（2）时隙周期Tslot；（3）帧长Tf；（4）收发时间间隔。解：Tb1/270.833kbps3.692sTslot Tb 156.250.577msTfTslot84.615ms收发间隔为帧长。,例7-4 标准的GSM时隙有6个尾比特，8.25个保护比特，26个训练比特和2组58比特业务码组成，求出帧效率。解：时隙总比特156.25比特帧总比特8156.251250比特帧总开销8（68.2526）322帧效率Pf（1322/1250）100 74.24%,7.3.3 统计时分多路复用STDM同步TDM方式中，帧中时间片与用户一一
19、对应，用户没有数据发送时也占用这个时间片，因而浪费资源。为了提高时隙的利用率，可以采用按需分配时隙的技术，以避免每帧中出现空闲时隙的现象，即每一个时间片都可被所连接的任何一个有数据发送的输入线路所使用。以这种动态分配时隙方式工作的技术称为统计时分多路复用(STDM)或称异步TDM（ATDM）或智能TDM（ITDM）。ATM技术中的传输就是这种方式。,STDM系统复用器（解复用器）的一侧与几条低速线路相连，另一侧是高速复用线路；每条低速线路都有一个与之相联系的I/O缓冲区。在发送端，复用器首先扫描各条低速线路（输入缓冲区），将输入数据组织成STDM帧；STDM帧长度可以是固定的也可以是不固定的；
20、时间片位置也可以是不固定的；所以每帧不仅包含数据，还有地址信息（每个时间片所对应数据都带地址）。在接收端，解复用器根据STDM帧结构将时隙数据分发给合适的输出缓冲区，直到输出设备。,STDM所使用的帧结构对系统性能有一定的影响，一般应尽量减少用于管理的附加信息，将额外开销比特压缩到最小，以改善吞吐能力。通常STDM系统使用诸如HDLC规程的通信协议。如果使用HDLC帧，那么数据帧中必须含有复用操作的控制位。STDM常见的有两种帧格式。,1.每帧一源格式帧中只包含一个数据源的数据及其地址信息。数据字段的长度是可变的，并且数据字段的结束就标志着整个帧的结束。在负荷不重的情况下这种机制的表现良好，但
21、在负荷较重时效率就很低。,2.每帧多源格式这种方法允许在一个帧中压缩多个数据。此时，除了需要指明数据源的地址外，还需要给出数据字长，因此改进地址和数据字长的标志方法可使这种方法更加有效。使用相对寻址的方法就可以减少地址字段。,7.4 波分多路复用WDM,波分多路复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）是20世纪末的新技术，用于提高光纤的利用率，主要用于全光纤网组成的通信系统。它将是计算机网络系统今后的主要通信传输复用技术之一。,WDM是将一条单纤转换为多条“虚纤”，每条“虚纤”工作在不同的波长上。它是利用不同波长的光在一条光纤上同时传输多路信号，主要用于光
22、纤通信。波分多路复用技术实际上是在光纤信道上使用频分多路复用的一个变种。频率不同，对应的光的波长就不同，它利用了光具有不同的波长的特征。光信号用波长而不是频率来表示所使用的光载波。WDM和FDM不同之处是光波频率很高。,但是WDM与FDM使用的技术原理是一样的，只要每个信道使用的频率范围各不相同，就可以使用波分多路复用技术，将光纤信道分为多个波段，每个波段传输一种波长的光信号，这样在一根共享光纤上可同时传输多个不同波长的光信号。,1.基本原理波分多路复用在发送端，利用波分多路复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上。在接收方，采用波分复用设备分离不同波长的光信号。发送端的
23、波分复用设备叫合波器，接收端的波分复用设备叫分波器。WDM复用原理如图710所示。,图7-10 波分多路复用原理,波分多路复用使用无源的衍射光栅来实现不同光波的合成和分解。即在发送端两根光纤连接到一个棱柱(或更可能是衍射光栅）上，每根光纤的能量处于不同的波段，合成到一根共享的光纤上，传送到远方的目的地，在接收端利用相同的设备将各路光波分解开来，如图7-11所示。,图7-11 波分多路复用过程,2.WDM的3种结构（1）光多路复用单向单纤传输系统在这种系统中，发送端将载有各种信息的、不同波长的已调光信号1，2，n通过复用器（Multiplexer）组合在一起，在一条光纤中单向传输，由于各信号是通
24、过不同光波长携带的,所以彼此之间不会混淆。,接收端使用解复用器（Demultiplexer）将不同波长的信号分开，从而完成信号传输的任务。光多路复用单向单纤传输系统结构，如图7-12所示，图中T（Tranfer）为光发送器，R（Receptor）为光接收器。,图7-12 单向单纤传输系统,在单向传输结构中,WDM通信可以很容易地扩大系统的传输容量,总的传输容量为每个不同波长信道传输容量之和。如果每个信道的传输容量相同,则一个具有n个不同波长信道的系统总容量为一般光纤通信系统的n倍。这种传输容量的扩容并不改变原有的光纤设施。,(2)光双向单纤传输系统在一根光纤中实现两个方向信号的同时传输,两个方
25、向信号分别由不同的波长承载,实现彼此的通信联络,这种结构也称为单纤全双工通信系统。光多路复用双向单纤传输结构如图7-13所示。,图7-13 双向单纤传输系统,(3)光分路插入传输系统在这种系统中，两端都需要一组复用/解复用器MD，复用器将光信号3，4插接到光纤中，解复用器将光信号1，2从光纤信号中分接出来，通过不同波长光信号的合流与分流实现信息的上、下通路。光分路插入传输系统，如图7-14所示。,图7-14 光分路插入传输系统,本章小结,信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，共享信道资源。信道复用原则是不同信息源产生信息的速率之和应小于主信道容量。 多路复用技术是用一条高速线路传送
26、多条低速线路的数据，从而可充分利用通信线路的传输容量，提高传输介质的利用率。,通路是指一条物理链路。通道则是指通路中用来完成一路信号传输的单位，也可以称其为信道。一条通路可以有多条通道。 根据信号分割技术的不同，多路复用可以分为频分多路复用FDM，时分多路复用TDM，波分多路复用WDM。,频分多路复用(FDMA)是模拟通信中广泛使用的传输方式，它的基本原理是利用调制手段和滤波技术使多路信号以频率分割的方式同时在同一条线路上互不干扰地传输。 时分多路复用分为同步时分多路复用和异步时分多路复用两种。同步时分复用采用固定时间片分配方式；异步时分复用动态地按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙。,
27、时分多路复用（TDMA）是现代数字通信中主要采用的传输方式，它是指在同一条信道上，多路信号以时间分割的方式互不干扰地传输。时分复用能正常进行的关键是收发双方同步工作，否则通信将无法进行。 同步时分多路复用又叫静态时分多路复用，它的时间片是预先为每个传输信号分配好了的，是固定不变的。,统计时分多路复用是比同步时分多路复用复杂得多，也有效得多的复用方式，它只对有数据要传输的输入部分进行分配时间片，因此线路的利用效率更高。 波分多路复用技术是在光纤信道上使用频分多路复用的一个变种，它是利用不同波长的光在一条光纤上同时传输多路信号，主要用于光纤通信。 波分多路复用系统有3种基本结构，即光多路复用单向单纤传输系统、光双向单纤传输系统、光分路插入传输系统。,
