第八章 复用与多址技术

2022年9月30日星期五数字通信原理 多路复用技术和多址技术都是现代通信技术多路复用技术和多址技术都是现代通信技术中最重要和最基本的概念之一。它们的中最重要和最基本的概念之一。它们的基本原基本原理理相近，而相近，而应用目的应用目的不同不同。多路复用技术多路复用技术用于多路信号的用于多路信号的集中传输集中传输，多址多址技术技术则用于多路信号在一个网络系统中的则用于多路信号在一个网络系统中的选址选址通信通信。【例例】v复用复用单身聚会（集中）单身聚会（集中）v多址多址婚姻介绍（牵线）婚姻介绍（牵线）2022年9月30日星期五数字通信原理复用：复用：是指把多路信号复合在一起、共同占用是指把多路信号复合在一起、共同占用公用信道进行传输的技术。公用信道进行传输的技术。复接：复接：在发送端把信号在发送端把信号综合综合在一起的过程。在一起的过程。分接：分接：在接收端把综合的信号在接收端把综合的信号分开分开的过程。的过程。【说明】【说明】实际的通信系统是一个庞大的通信网，有实际的通信系统是一个庞大的通信网，有众众多多的用户信号需要的用户信号需要同时传送同时传送，因而需要采用复，因而需要采用复用技术，以实现用技术，以实现大容量的传输大容量的传输。2022年9月30日星期五数字通信原理复用的复用的主要问题主要问题，在于如何将多路信号，在于如何将多路信号综合综合在一起，在一起，并保持它们并保持它们各自的各自的“独立性独立性”，以便在接收端能将各，以便在接收端能将各路信号路信号完全分离完全分离出来。出来。复用的复用的理论基础理论基础，是，是信号正交分割技术信号正交分割技术，要求任意两，要求任意两路信号之间满足正交的关系。对于任意两路信号路信号之间满足正交的关系。对于任意两路信号f1(x)和和f2(x)，如满足，如满足2112()()0 xxf x fx dx 我们就说，我们就说，f1(x)和和f2(x)在在x的取值区间的取值区间(x1,x2)上上是正交的。是正交的。【例如】【例如】sint和和cost、sinmt和和sinnt在（在（t0，t0+T）上是）上是正交正交的。的。2022年9月30日星期五数字通信原理 常用的复用方式有常用的复用方式有频分多路复用频分多路复用（Frequency-division multiplexing FDM）时分多路复用时分多路复用（Time-division multiplexing TDM）码分多路复用码分多路复用（Code-division multiplexing CDM）等。等。2022年9月30日星期五数字通信原理所谓所谓频分复用频分复用，是指，是指信道信道的的可用频带可用频带被分为若被分为若干个干个互不交叠的频段互不交叠的频段，各信号各信号同时使用信道同时使用信道，但是但是占用不同的频段占用不同的频段。实现频分复用的实现频分复用的方法方法，是通过，是通过调制调制手段将信号手段将信号的的频谱搬移频谱搬移到不同的指定位置上。常用的调制到不同的指定位置上。常用的调制是是单边带调制单边带调制，这样可以有效地提高频带利用，这样可以有效地提高频带利用率。率。调制过程中采用调制过程中采用多级复接分接技术多级复接分接技术，可以大大，可以大大减少减少所使用的载波频率数量。所使用的载波频率数量。【例】【例】图图82是一个采用频分复用的两级复接分接原理是一个采用频分复用的两级复接分接原理图，所需载波频率由单级的图，所需载波频率由单级的mn减少为减少为m+n。2022年9月30日星期五数字通信原理LPF)(11tm11fLPF)(12tm12fLPF)(1tmnnf1LPF)(1tmm1mfLPF)(2tmm2mfLPF)(tmmn信道BPF21fLPF)(11tmLPF11f12fnf1LPF)(12tm)(1tmnBPF21fmf2mf2LPFLPFLPF1mf2mfmnfmnf)(1tmm)(2tmm)(tmmn2022年9月30日星期五数字通信原理频分复用的频分复用的优点优点是：信道利用率高，复用路数多，分是：信道利用率高，复用路数多，分路方便。路方便。频分复用频分复用主要用于主要用于模拟系统，如长途有线载波传输系模拟系统，如长途有线载波传输系统、电视广播（图像、伴音、色度）、光纤通信系统统、电视广播（图像、伴音、色度）、光纤通信系统（针对光波波段的波分复用（针对光波波段的波分复用WDM）等。）等。频分复用中的频分复用中的问题问题，是各路信号之间会产生，是各路信号之间会产生相互干扰相互干扰，称为称为串扰串扰。v原因一原因一是由于已调信号的高频分量会是由于已调信号的高频分量会泄露泄露到通带之到通带之外外（带外辐射）（带外辐射）；v另一个原因另一个原因是非线性器件会产生是非线性器件会产生新的频率分量（谐新的频率分量（谐波干扰）波干扰）。v解决串扰的解决串扰的办法办法，一是一是在复接过程中应保持一定的在复接过程中应保持一定的缓冲带缓冲带，二是二是改善系统的改善系统的线性特性线性特性。2022年9月30日星期五数字通信原理规定取规定取4kHz4kHz作为一路语音信号的标准带宽；实际复用时一般采作为一路语音信号的标准带宽；实际复用时一般采用单边带调制。用单边带调制。1212个单边带频谱组成一个基群模块（个单边带频谱组成一个基群模块（12124=48kHz4=48kHz）；）；5 5个基群复接成一个超群；个基群复接成一个超群；5 5个超群复接成一个主群。个超群复接成一个主群。2022年9月30日星期五数字通信原理分群等级 容量（路数）带宽（KHz）工作频段（KHz）基群 超群 主群 超主群 12MHz 60MHz 12 60=5 x 12 300=5 x 60 900=3 x 300 2700=3 x 900 10800=12 x 900 48 240 1200 3600 10.8MHz 43.2MHz 60-108 312-552 812-2044 8516-12388 2022年9月30日星期五数字通信原理所谓所谓时分复用时分复用，是指在时域上，是指在时域上各信号各信号分别占有分别占有不同的时间片断不同的时间片断。在时分多路复用中，把时间分为若干在时分多路复用中，把时间分为若干均匀的时均匀的时间片断（时隙）间片断（时隙），将各路信号的传输时间分配，将各路信号的传输时间分配在不同的时隙内，使多路信号能够相互分开、在不同的时隙内，使多路信号能够相互分开、互不干扰，互不干扰，如图如图810所示所示。2022年9月30日星期五数字通信原理2022年9月30日星期五数字通信原理时分复用主要用于时分复用主要用于数字数字通信。通过时分复用，通信。通过时分复用，可以将可以将低速低速的数字信号的数字信号汇集成汇集成高速高速的数字流送的数字流送到干线上传输。与到干线上传输。与FDMFDM相比，相比，TDMTDM通常具有通常具有更高更高的复用效率，组合灵活，的复用效率，组合灵活，适合采用适合采用数字信号处数字信号处理理。缺点：缺点：在在TDMTDM系统中，给各路信号固定分配时系统中，给各路信号固定分配时隙存在着隙存在着利用率不高、信道浪费利用率不高、信道浪费的现象的现象（【例】某路通话停顿【例】某路通话停顿）。2022年9月30日星期五数字通信原理为克服这一缺点，可采用为克服这一缺点，可采用统计时分复用统计时分复用（STDM）技术，即实际物理信道以时隙划分，技术，即实际物理信道以时隙划分，分配给分配给到达并需要传输到达并需要传输的数据分组，而的数据分组，而不是不是固固定分配定分配给某一用户。给某一用户。在在STDM系统中，系统中，需要需要对数据打包、加上报头，对数据打包、加上报头，由相应的标记来保证连接和通信的畅通。由相应的标记来保证连接和通信的畅通。2022年9月30日星期五数字通信原理在时分复用系统中，由于各路信号是严格按照在时分复用系统中，由于各路信号是严格按照时间位置插入和取出的，因此需要可靠的时间位置插入和取出的，因此需要可靠的时钟时钟同步技术同步技术作保证。作保证。根据同步时钟形成方式的不同，分为根据同步时钟形成方式的不同，分为同步复接同步复接和和异步复接（准同步复接）异步复接（准同步复接）。同步复接同步复接指的是指的是各路信号采用各路信号采用统一时钟频率统一时钟频率，异步复接异步复接是指各是指各路信号所用的路信号所用的时钟频率时钟频率存在存在一定的容差一定的容差，需经，需经码速调整码速调整到到统一统一的时钟频率后再进行复接。的时钟频率后再进行复接。2022年9月30日星期五数字通信原理是指各路信号码元在是指各路信号码元在频率上和时间上频率上和时间上都是都是相互相互重叠的重叠的（即使用相同的载波频率、占用相同的（即使用相同的载波频率、占用相同的频带、发射时间任意），但代表每个码元的频带、发射时间任意），但代表每个码元的码码组组是是正交的正交的。正交矩阵正交矩阵2022年9月30日星期五数字通信原理多址技术多址技术广泛应用于广泛应用于无线无线通信，它是指把处于通信，它是指把处于不同地址不同地址（如手机号码）的多个用户接入一个（如手机号码）的多个用户接入一个公共传输媒质，使公共传输媒质，使多对用户多对用户同时进行通信同时进行通信的技的技术。术。多址通信的多址通信的目的目的，是为了实现多用户系统中的，是为了实现多用户系统中的指定连接。指定连接。目前已应用的多址技术，主要有频分多址目前已应用的多址技术，主要有频分多址（FDMA）、时分多址、时分多址（TDMA）和码分多址和码分多址（CDMA）等。等。2022年9月30日星期五数字通信原理在在频分多址频分多址中，中，不同地址不同地址的用户的用户占用占用不同的频不同的频率率（即采用不同的载波频率），通过（即采用不同的载波频率），通过滤波器滤波器选选取信号并抑制无用干扰，各信道可同时使用。取信号并抑制无用干扰，各信道可同时使用。频分多址技术比较成熟，频分多址技术比较成熟，早期的模拟移动电话早期的模拟移动电话系统均使用这种方式。因为各个用户使用不同系统均使用这种方式。因为各个用户使用不同频率的信道，所以频率的信道，所以用户容量有限用户容量有限。2022年9月30日星期五数字通信原理在在时分多址时分多址中，中，不同地址不同地址的用户占用的用户占用同一频带同一频带的的同一载波同一载波，但占用的，但占用的时间不同时间不同。各用户只在。各用户只在规定的时隙内（一个时隙称为一帧）以突发的规定的时隙内（一个时隙称为一帧）以突发的形式发射它的已调信号，各用户信号在时间上形式发射它的已调信号，各用户信号在时间上是严格依次排列、互不重叠的。是严格依次排列、互不重叠的。时分多址时分多址通信系统是一种通信系统是一种数字数字传输系统，传输系统，现在现在的移动通信系统的移动通信系统多数都采用这种多址技术。显多数都采用这种多址技术。显然，在可用频段数相同的情况下，采用时分多然，在可用频段数相同的情况下，采用时分多址技术比频分多址技术能容纳址技术比频分多址技术能容纳更多更多的用户。的用户。但时分多址通信系统但时分多址通信系统需要需要精确定时和同步精确定时和同步，以，以保证各用户发送的信号不会发生重叠。保证各用户发送的信号不会发生重叠。2022年9月30日星期五数字通信原理在在码分多址码分多址中，中，不同地址不同地址的用户的用户均占用均占用信道的信道的全部带宽和时间全部带宽和时间，但是每个用户都被分配给一，但是每个用户都被分配给一个个唯一的、互不相关唯一的、互不相关的的“码序列码序列”。发送时发送时使用该使用该“码序列码序列”对基带信号进行对基带信号进行调制调制，接收机接收机采用相关采用相关检测器检测器将具有将具有特定码型特定码型的用户的用户信号信号解调解调出来，而其他不相关的信号相当于出来，而其他不相关的信号相当于“背景噪声背景噪声”。码分多址以码分多址以扩频通信技术扩频通信技术为基础，可容纳比时为基础，可容纳比时分多址系统分多址系统还要多还要多的用户，且的用户，且具有具有低功率、软低功率、软切换、抗干扰能力强等切换、抗干扰能力强等优点优点。2022年9月30日星期五数字通信原理扩频技术扩频技术是将需传送的具有一定带宽的信号是将需传送的具有一定带宽的信号,用一个带宽用一个带宽远大于远大于该信号带宽的高速伪随机码该信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的进行调制，使原数据信号的带宽被扩展带宽被扩展，再经，再经载波调制并发送出去。载波调制并发送出去。接收端接收端使用完全相同的使用完全相同的伪随机码，与接收的宽带信号作伪随机码，与接收的宽带信号作相关处理相关处理，把，把宽带信号换成宽带信号换成原来的窄带信号原来的窄带信号，以实现信息通，以实现信息通信。信。香农信道容量公式香农信道容量公式 在在信道容量一定信道容量一定的情况下，的情况下，增加带宽增加带宽，对，对信噪信噪比比的的要求下降要求下降。2log(1)SCBNg2022年9月30日星期五数字通信原理空分多址技术空分多址技术是利用是利用空间分割空间分割构成不同的信道。构成不同的信道。【例例】在一颗卫星上使用在一颗卫星上使用多个天线多个天线，各个天线的波，各个天线的波束射向地球表面的束射向地球表面的不同区域不同区域。地面上不同地区。地面上不同地区的地球站，它们在同一时间、即使使用相同的的地球站，它们在同一时间、即使使用相同的频率进行工作，之间也不会形成干扰。频率进行工作，之间也不会形成干扰。2022年9月30日星期五数字通信原理在实际应用中，在实际应用中，多址技术多址技术常与常与多路复用技术多路复用技术混混合使用合使用，时分多址时分多址与与频分多址频分多址技术也常技术也常混合使混合使用用。例如，例如，GSM系统就是系统就是TDMA与与FDMA混合混合使用使用的。的。2022年9月30日星期五数字通信原理GSMGlobal System for Mobile Communications，全球移动通讯系统全球移动通讯系统，俗称，俗称“全球全球通通”。是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是。是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第第二代二代移动通信技术移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。就能行遍全球。目前，中国移动、中国联通各拥有一个目前，中国移动、中国联通各拥有一个GSM网，为世网，为世界最大的移动通信网络。界最大的移动通信网络。GSM系统包括系统包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及及 GSM-1900：1900MHz等几个频段。等几个频段。在在GSM900系统中，将若干个小区组成一个区群，每系统中，将若干个小区组成一个区群，每一个区群一个区群所分配的所分配的载频是不重复的载频是不重复的（FDMA），每个每个载频载频又划分为又划分为8个时隙个时隙（TDMA）。2022年9月30日星期五数字通信原理同步同步：发送端和接收端要有统一的时间标准，使：发送端和接收端要有统一的时间标准，使“步调一致步调一致”或或“节拍一致节拍一致”，是数字通信的前提；，是数字通信的前提；v载波同步载波同步：在数字调制系统中，当采用：在数字调制系统中，当采用相干解调相干解调（又称同（又称同步检测）时，接收端必须获得一个与发端载波步检测）时，接收端必须获得一个与发端载波同频同相同频同相的的载波；载波；v位同步位同步：又称码元同步，使：又称码元同步，使码元判决码元判决时钟的周期和相位都时钟的周期和相位都准确的与发端一致，否则误码率会大大增加；准确的与发端一致，否则误码率会大大增加；v群（帧）同步群（帧）同步：数字通信中的消息数字流总是由若干码元：数字通信中的消息数字流总是由若干码元组成组成“字字”，若干，若干“字字”又组成又组成“句句”，接收时需要知道，接收时需要知道“字字”、“句句”的起止时刻的起止时刻。在接收端产生与。在接收端产生与“字字”、“句句”起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程，称为起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程，称为“字字”同步或同步或“句句”同步，统称为群同步（帧同步）。同步，统称为群同步（帧同步）。v网同步网同步：为了保证通信网络中各用户之间可靠地进行数据：为了保证通信网络中各用户之间可靠地进行数据交换，应该使整个通信网内有一个交换，应该使整个通信网内有一个统一的时间标准统一的时间标准，这就，这就是网同步。是网同步。