第六章-多路复用技术汇总课件

第六章第六章 多路复用技术多路复用技术 7/17/20241本章内容简介本章内容简介l多路复用技术可使多路信号在一个信道上进行传输。多路复用技术可使多路信号在一个信道上进行传输。v频分多路复用频分多路复用v时分多路复用时分多路复用v同步时分多路复用同步时分多路复用v统计时分多路复用统计时分多路复用v码分多路复用码分多路复用v波分多路复用波分多路复用v数字复接技术与数字复接技术与PDHPDHvSDHSDH7/17/20242多路复用概述多路复用概述l多路复用是指在一条物理信道上，同时传输多路信号而不相互干扰，且这些信号符合信号分割的技术原理。l信号分割信号分割是多路复用的基础。信号分割依据信号之间的差别，如频率、时间或者码型结构。l信号分割原理表明信号分割原理表明：对在线性信道上传输的多路复用信号实现有效分割的充分必要条件是相互线性无关。但是为了降低设备的复杂性，在实际应用中要求各路信号相互正交。7/17/20243信号的正交性信号的正交性则称则称f1(t)和和f2(t)互为正交。互为正交。假定有两个信号若假定有两个信号若f1(t)和和f2(t)，如果在区间，如果在区间(t1，t2)上满足上满足:7/17/202441、三角交函数集三角交函数集:常用正交函数集常用正交函数集(t0，t0+T)2、指数函数集指数函数集:(t0，t0+T)3、抽样函数集抽样函数集:(-，)7/17/20245信号的正交性信号的正交性l信道输出的多路复合信号是：信道输出的多路复合信号是：l所以，只要将各路信号与复合信号的乘积进行积分运算，所以，只要将各路信号与复合信号的乘积进行积分运算，即可实现正交信号的分割。即可实现正交信号的分割。l复用技术包括复合、传输和分离三个过程。信号的正交化复用技术包括复合、传输和分离三个过程。信号的正交化设计。设计。7/17/202466.1 频频分分多多路路复复用用（FDMFDM-frequency-frequency division division mutiplexingmutiplexing）线路的通频带分成多个子频带，分别分配给用户形成数据传输子通路，用户数据通过分配的子通路传输，当该用户没有数据传输时，别的用户不能使用，此通路保持空闲状态。FDM主要适用于传输模拟信号的频分制信道，主要用于电话、电报和电缆电视（CATV）。在数据通信中，需和调制解调技术结合使用。优点：多个用户共享一条传输线路资源。缺点：给每个用户预分配好子频带，各用户独占子频带，使得线路的传输能力不能充分利用。7/17/20247频分复用频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 57/17/202486.1 频分多路复用频分多路复用（FDM）频分多路复用示意图7/17/202496.1 频分多路复用频分多路复用（FDM）l考虑到大容量载波电话在传输中合群、分群的方便，现在对多路载波电路已经形成一套标准的等级。有基群、超群和主群等。主要针对其频带划分和信道容量。7/17/2024106.2 时分多路复用时分多路复用（TDM-time division-time division mutiplexingmutiplexing）lFDM：以频率作为分割信号的参量；采用模拟技术，对计算机通信不太合适。lTDM：以时间作为分割信号的参量；即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号所需的数据传输速率时即可采用TDM.7/17/2024116.2 时分多路复用时分多路复用（TDM-time division-time division mutiplexingmutiplexing）l固定时隙分配方式，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，时间上不重叠。每一时间片由复用的一个信号占有，在一条物理信道上传输多个数字信号。通过时分多路复用技术，多路低速数字信号可复用到一条高数据速率的信道。优点：多路低速数字信号可共享一条传输线路资源。缺点：时隙是预先分配的，且是固定的，每个用户独占时隙，时隙的利用率较低，线路的传输能力不能充分利用。7/17/202412时分复用时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧7/17/202413时分复用时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧7/17/202414时分复用时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧7/17/202415时分复用时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧7/17/2024166.2 时分多路复用时分多路复用（TDM）时分多路复用示意图7/17/2024176.2 时分多路复用时分多路复用（TDM）lTDMTDM基本原理：基本原理：其理论基础是基于抽样定理（其理论基础是基于抽样定理（Sampling Sampling TheoremTheorem）。因为抽样定理使得时间上离散的抽样脉冲值）。因为抽样定理使得时间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能。代替基带信号成为可能。l抽样定理抽样定理：一个频带限制在（一个频带限制在（0,f0,fmaxmax）内的）内的时间连续信时间连续信号号m(tm(t),),如果以不低于如果以不低于2f2fmaxmax的速率进行抽样，则的速率进行抽样，则m(tm(t)可由可由抽样值完全确定。即：抽样值完全确定。即：l若fs=2fmax（fs代表采样频率 fmax为最高频率）l则理论上就有一种方法能用采样后的离散信号完全无失真地恢复原来的信号7/17/2024186.2 时分多路复用时分多路复用（TDM）l关键问题：关键问题：l收发双方的同步l复用器中的电子开关是关键部件lTDMTDM工作特点：工作特点：l通信双方是按照预先指定的时间进行数据传输的而且这种时间关系是固定不变的 l某一时刻而言，信道上仅传送一对设备之间的信号而不是多路复用信号l某一时间段而言，信道上传送多路复用信号7/17/2024196.2 时分多路复用时分多路复用（TDM）l帧：帧：TDMTDM传送信号时，将通信时间分成一定长度的传送信号时，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。个时间片组成。l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；l在具有在具有N N路输入系统中，路输入系统中，每个帧至少含有每个帧至少含有N N个时间个时间片片。7/17/2024206.2 时分多路复用时分多路复用（TDM）时分多路复用器S4S3S2S11234123412344路输入信号路输入信号每帧含有每帧含有4个时间片个时间片帧帧n帧帧2帧帧17/17/2024216.2 时分多路复用时分多路复用（TDM）l交错：交错：同步时分多路复用器关键部件是高速的电子开关；同步时分多路复用器关键部件是高速的电子开关；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输规定大小规定大小的数据。的数据。开关的这种以固定的速率和固定的顺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序在设备间的移动过程就称作交错交错；l交错可以按交错可以按 bit/byte/Data blockbit/byte/Data blockl数据复用按照交错的长度可以分为：比特交错法，字符交数据复用按照交错的长度可以分为：比特交错法，字符交错法和码组交错法。最常用的是字符交错。错法和码组交错法。最常用的是字符交错。7/17/2024226.2 时分多路复用时分多路复用（TDM）低通滤波器1低通滤波器2低通滤波器n1低通滤波器n基带信号m1(t)m2(t)mn-1(t)mn(t)信道m1mmn-1mn发送端接收端时分复用系统示意图(t)(t)(t)(t)同步同步7/17/2024236.2 时分多路复用时分多路复用（TDM）l字符交错法l帧结构：lSF帧同步头,控制信号序列CSS，Mi代表第M路信号中的第i个符号SFCSSAiMi7/17/2024246.2 时分多路复用时分多路复用（TDM）lTDMTDM最典型的例子就是广泛应用于脉冲编码调制的最典型的例子就是广泛应用于脉冲编码调制的技术技术 PCM(PulsePCM(Pulse Coded Modulation)Coded Modulation)lPCMPCM电话系统是时分多路电话系统是时分多路PCMPCM系统的一种最重要的系统的一种最重要的应用。应用。l现在现在PCMPCM没有统一的标准，各个国家使用了各种互没有统一的标准，各个国家使用了各种互不兼容的方法。不兼容的方法。l北美和日本的技术：北美和日本的技术：T1T1线路（线路（2424）lITU-TITU-T推荐的推荐的TDMTDM标准：标准：E1E1线路（线路（3030）7/17/2024257/17/2024266.2 时分多路复用时分多路复用（TDM）l语音信号语音信号300HZ3400HZ300HZ3400HZ，一般取，一般取4000HZ4000HZl根据抽样定理，抽样周期根据抽样定理，抽样周期T=1/8000HZ=0.125usT=1/8000HZ=0.125usl复用后形成的帧应保证至少复用后形成的帧应保证至少125us125us轮流传送一次轮流传送一次l基群的传码率为基群的传码率为:8000*32*8=2.048Mbps,:8000*32*8=2.048Mbps,称为称为E1E1速速率。还有率。还有T1T1速率速率,1.544Mbps,1.544Mbps7/17/2024276.3 统计时分多路复用统计时分多路复用（STDMstatic）l 据用户实际需要动态地分配线路资源，因此也叫动态时分多路复用或异步时分多路复用。也就是当某一路用户有数据要传输时才给它分配资源，提高线路利用率。优点：线路传输的利用率高 适于计算机通信中突发性或断续性的数据传输 缺点：每个时隙都要添加地址段7/17/2024286.3 统计时分多路复用统计时分多路复用（STDM）TDM与STDM复用原理的基本差别示意图7/17/2024296.3 统计时分多路复用统计时分多路复用（STDM）l衡量STDM复用器性能的参数lN：输入数据源的数目lR：每个源的数据率（bps）lM：复用链路的有效容量（bps）l：每个源传输数据所占的时间与通信总时间的比值，一般有0 1lK=M/NR:复用链路容量对最大输入总量之比。=K=17/17/2024306.4 波分多路复用波分多路复用（WDM）l光纤中使用的复用方式l在发送端将不同波长的信号组合起来（复用），送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），恢复出原信号后送入不同的终端。l构成形式：WDM系统基本构成主要有两种形式：即双纤单向传输和单纤双向传输。7/17/2024316.4 波分多路复用波分多路复用（WDM）双纤单向传输示意图7/17/202432单纤双向传输示意图7/17/202433 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 6.4 波分复用波分复用 WDM l波分复用就是光的频分复用波分复用就是光的频分复用l单模光纤单模光纤2.5Gbit/sWDM 2 2.5Gbit/sDWDM 8 2.5Gbit/s 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器7/17/2024346.4 波分多路复用波分多路复用（WDM）WDM技术的主要特点如下：（1）充分利用了光纤的巨大带宽资源，传输容量增加几十倍。（2）各波长相互独立，可传输特性不同的信号，完成各种业务信号的综合和分离，实现多媒体信号的混合传输。（3）WDM技术使N个波长复用起来在单根光纤中传输，并且可以实现单根光纤的双向传输，以节省大量的线路投资。（4）WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。（5）充分利用成熟的TDM技术，且对光纤色散无过高要求。（6）WDM的信道对数据格式是透明的，是理想的扩容手段。（7）可实现组网的灵活性、经济性和可靠性，并可组成全光网。7/17/2024356.5 码分多址复用码分多址复用 CDMA l常用的名词是码分多址常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)l各用户使用经过特殊挑选的不同码型各用户使用经过特殊挑选的不同码型彼此不干扰彼此不干扰l频带和时间重叠共用频带和时间重叠共用l优点：优点：v抗干扰v隐蔽（频谱类于白噪声）v容量大GSM的几倍（Global System for Mobile communications，全球数字移动电话系统）v发射功率低7/17/2024366.5 码分复用码分复用 码片序列码片序列(chip sequence)l每一个比特时间划分为每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片个短的间隔，称为码片(chip)。l每个站被指派一个唯一的每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。码片序列。l如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。l如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。l例如，例如，S 站的站的 8 bit 码片序列是码片序列是 00011011。l发送比特 1 时，就发送序列 00011011，l发送比特 0 时，就发送序列 11100100。lS 站的码片序列：站的码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)l每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相须互相正交正交(orthogonal)。l在实用的系统中是使用在实用的系统中是使用伪随机码序列伪随机码序列。7/17/2024376.5 码分复用码分复用 码片序列的正交关系码片序列的正交关系 l令向量令向量 S 表示站表示站 S 的的码片向量码片向量，令，令 T 表示其他任何表示其他任何站的码片向量。站的码片向量。l两个不同站的码片序列正交，就是向量两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和和T 的规格的规格化化内积内积(inner product)都是都是 0：(3-4)l令向量令向量 S 为为(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量向量 T 为为(1 1+1 1+1+1+1 1)。l把向量把向量 S 和和 T 的各分量值代入的各分量值代入(3-4)式就可看出这式就可看出这两个码片序列是正交的。两个码片序列是正交的。7/17/202438l任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是都是1。l一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是是 1。6.5 码分复用码分复用 码片序列的正交关系特性码片序列的正交关系特性 7/17/202439l*实际上是用m比特来表示1比特，各站的比特由此可分辩。l扩频通信：频带为原来m倍l码片向量的内积：ST=Si Ti/ml各站的码片序列互相正交：ST=0，ST反=0l且有：SS=1，SS反=-1l多站通信同步：所有码片序列同时起止。l当x站接收S信号时，便用S的码片向量与接收的一比特混合信号求内积，结果剩下的仅仅是S信号：发1时内积结果是+1，发0时内积结果是-1。6.5 码分复用码分复用 码片序列的正交关系特性码片序列的正交关系特性 7/17/2024406.5 码分复用码分复用CDMA 的工作原理的工作原理 7/17/202441CDMA例例7/17/2024427/17/2024437/17/2024446.6 数字复接与准同步数字复接体系（数字复接与准同步数字复接体系（PDH）l l数字复接的基本概念数字复接的基本概念数字复接的基本概念数字复接的基本概念l l同步复接与异步复接同步复接与异步复接同步复接与异步复接同步复接与异步复接l lPCMPCM零次群和零次群和零次群和零次群和PCMPCM高次群高次群高次群高次群7/17/2024456.6.1 数字复接的基本概念数字复接的基本概念l为了扩大数字通信的容量，可以采用两种办法：为了扩大数字通信的容量，可以采用两种办法：l第一种是数字复用，通常指时分多路复用l第二种是数字复接技术7/17/2024466.6.1 数字复接的基本概念数字复接的基本概念l采用时分复用的方式能扩大的容量十分有限，传送120路电话，就需要对120路信号分别进行8kHZ抽样，每个抽样值8位编码，传码率为8000*120*8=7680kb/s，每个抽样值的编码时间只有1us，这要求有非常高的编码速率，对电路及元、器件的精度要求高，实现困难。l将几个PCM复用后的信号再进行时分复用，经过数字复用后的数码率提高了（不需要PCM），但是对于每一个基群的编码速度没有提高，实现容易，使用广泛7/17/2024476.6.1 数字复接的基本概念数字复接的基本概念数字复接：数字复接：若干路低速数字信号流（低次群）合并成高 速数字信号流（高次群）技术难度集中到骨干网上技术难度集中到骨干网上7/17/2024486.6.2 数字复接系统构成数字复接系统构成调整调整：复接前须使各低次群数码速率互相同步，同时使其符合高：复接前须使各低次群数码速率互相同步，同时使其符合高次群帧结构的要求。次群帧结构的要求。同步同步:分接器的定时单元须由接收到的时钟信号驱动分接器的定时单元须由接收到的时钟信号驱动,并与复接器并与复接器的基准时间信号保持同步的基准时间信号保持同步(频率、相位频率、相位)。7/17/202449l按位复接按位复接 按位复接是每次按位复接是每次复接各低次群（也复接各低次群（也称为支路）的一位称为支路）的一位码形成高次群。码形成高次群。l按字复接按字复接 按字复接是每次按字复接是每次复接各低次群（支复接各低次群（支路）的一个码字形路）的一个码字形成高次群。成高次群。PCMPCMl按帧复接按帧复接6.6.3 数字复接的分类数字复接的分类7/17/2024506.6.3 数字复接的分类数字复接的分类a.a.同步复接同步复接 用统一的主时钟来控制被复接用统一的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次的几个低次群，使这几个低次群的数码率（简称码速）统一群的数码率（简称码速）统一在主时钟的频率上（这样就使在主时钟的频率上（这样就使几个低次群系统达到同步的目几个低次群系统达到同步的目的），可直接复接（复接前不的），可直接复接（复接前不必进行码速调整）。必进行码速调整）。需需相位调整相位调整 b.b.异步复接异步复接 各自独立时钟；须频率相位调各自独立时钟；须频率相位调整。整。c.c.准同步复接准同步复接 各路信号由不同的时钟控制，允各路信号由不同的时钟控制，允许在一定的范围内有偏差。需许在一定的范围内有偏差。需要进行码速调整。要进行码速调整。7/17/2024516.6.4 准同步数字复接系列准同步数字复接系列PDHlCCITTCCITT推荐的两类准同步数字复接：推荐的两类准同步数字复接：PlesiochronousPlesiochronous Digital Hierarchy Digital Hierarchy 两种规格：两种规格：PCM24PCM24路路1.544Mbps1.544Mbps、PCM30PCM303232路路2.048Mbps2.048Mbps7/17/202452lITU-T G.742推荐的正码速调整异步复接二次群帧结构如图所示。帧周期为100.38s,帧长为848bit。（最少）有4205820bit为信息码（四个一次群码速变换之前的码元，不包括插入的码元），（最多）28bit的插入码。复接二次群帧结构复接二次群帧结构 8.448Mbps7/17/202453PCM零次群和零次群和PCM高次群高次群一、一、PCMPCM零次群零次群PCMPCM通信最基本的传送单位是通信最基本的传送单位是64kbit64kbits s，即一路话音的编码，因此它是零次的。即一路话音的编码，因此它是零次的。二、二、PCMPCM子群子群速率介于速率介于64kbit64kbits s和和2048kbit2048kbits s之间的信号称为子群。子群速率主要考虑到之间的信号称为子群。子群速率主要考虑到下列因素。下列因素。（1 1）与某些传输介质相匹配。与某些传输介质相匹配。（2 2）与某些业务种类相匹配。与某些业务种类相匹配。（3 3）复接速率与其它等级相配合并有一定的规则性。复接速率与其它等级相配合并有一定的规则性。PCMPCM子群还可用于用户环路和小容量的特殊通信需要。子群还可用于用户环路和小容量的特殊通信需要。三、三、PCMPCM高次群高次群 n n次群由若干路次群由若干路n-1n-1次群合成。次群合成。比二次群更高的等级有比二次群更高的等级有PCMPCM三次群、四次群、五次群等。三次群、四次群、五次群等。7/17/202454PCM复复接接等等级级7/17/202455一、PDH的弱点(1)只有地区性数字信号速率和帧结构标准而无世界性标准。(2)没有世界性的标准光接口规范，各厂家专用光接口。(3)低等级信号（如2048kbits，1544kbits）采用同步复用，多数等级信号采用异步复用，靠塞入额外比特复用。(4)复接方式大多采用按位复接，虽然节省了复接所需的缓冲存储器容量，但不利于以字节为单位的现代信息交换。(5)复用信号结构中用于网络运行、管理维护的比特很少，主要靠人工数字交叉连接和停业检测，不能适应电信网要求。(6)点对点传输基础的复用结构缺乏灵活性，数字通道设备利用率很低。6.7 SDH 7/17/202456lITU-T ITU-T 以美国标准以美国标准 SONETSONET（同步光纤网络）同步光纤网络）为基础，制订出国为基础，制订出国际标准同步数字系列际标准同步数字系列 SDH(SynchronousSDH(Synchronous Digital Hierarchy)Digital Hierarchy)。l一般可认为一般可认为 SDH SDH 与与 SONET SONET 是同义词是同义词lSDH SDH 的基本速率为的基本速率为 155.52 Mb/s155.52 Mb/s。6.7 SDH 7/17/202457SDH的特点：（1）世界统一的数字信号速率和帧结构标准。（2）同步复用方式和灵活复用映射结构，净负荷与网络同步。（3）SDH帧结构中有丰富的开销比特（约占信号的5），使网络运行、管理、维护能力大大加强。（4）将标准的光接口综合进各种不同的网络单元，减少了将传输和复用分开的需要，从而简化了硬件，缓解了布线拥挤。（5）SDH与现有的PDH网络完全兼容，即可兼容PDH的各种速率，同时还能方便地容纳各种新业务信号。（6）SDH的信号结构设计考虑了网络传输和交换的最佳性。6.7 SDH 7/17/2024586.7.2 同步数字系列同步数字系列 SDH-帧结构帧结构 STM-N由由270N列列9行组成，帧周期为行组成，帧周期为125s(即一帧的时间即一帧的时间)。STM-1:帧长帧长27092430byte，Rb=2709812510-6=155.520Mbits1.段开销区域段开销区域 SOH,Section Overhead 保证信息正常传送保证信息正常传送 网络运行管理维护网络运行管理维护2.净负荷区域净负荷区域Pay1oad 存放各种信息负载存放各种信息负载3.管理单元指针区域管理单元指针区域 AU-PTR 指明信息净指明信息净 负荷第一个字节在负荷第一个字节在 STM帧中位置帧中位置7/17/202459