数字通信原理常君明(清华大学出版社)第六章多路复课件

第六章多路复用技术第第6章章 多路复用技术多路复用技术在实际的通信系统中，经常需要在两地之间同时传送多路信号。当然可以采用每需要一个新的信道就建立一条单独的线路来传输一路信号，但显然这种方法大大浪费了传输系统的效率和宝贵资源。目前，通信系统所采用的传输介质，诸如同轴电缆、光纤、地面微波和卫星微波。每一种媒介都具有远远超过平均传输需求的承载能力。为了提高这些链路的传输效率，多路复用技术应运而生。多路复用技术就是能在一条线路上同时携带多个信号来高效地使用传输系统的技术。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、时分多路复用、波分多路复用和码分多路复用。时分多路复用又进一步划分为同步时分复用（时分复用）和异步时分复用（统计时分复用）。本章的重点是介绍这几种类型的复用技术。第6章 多路复用技术1第六章多路复用技术6.1多路复用概述多路复用概述在通信系统中，复用技术的使用极大地提高了信道的传输效率，取得了广泛地应用。多路复用就是一种将一些彼此无关的低速信号按照一定的方法和规则合并成一路复用信号，并在一条公用信道上进行数据传输，到达接收端后再进行分离的方法。多路复用技术被广泛使用的原因有两点：（1）数据传输速率越高，传输系统的性能价格比越高。对于给定的传输设备和传输介质，每的费用随传输设施数据率的提高而降低。同样地，随着数据率的提高，传输和接收设备的费用也相应地减少。（2）大多数通信设备要求达到的数据传输率并不是很高。图6.1为对设备的两种功能连接。在图.1（）中，每对设备都有自己的链路。如果每条链路的容量没有被充分利用，则部分容量将被浪费。在图.1（）中，每对设备之间的传输时复用的，对设备共享一条链路。6.1多路复用概述2第六章多路复用技术图6.1不复用和复用图6.1不复用和复用3第六章多路复用技术在复用系统中，个设备共享一条链路。图.1（）是复用系统的基本形式。左边的个设备将它们的传输信号输送到复用器，复用器将这些信号组合成一个单独的传输流（多合一）。在接收端，传输流被解复用器接收，并分解成原来的几个独立传输流（一分多），然后将它们传输到期望的接收设备。图.1（）表明一般的多路复用功能，包括复合、传输和分离3个过程。多路复用的理论依据是信号分割原理。实现信号分割的依据是信号之间的差别，这种差别可以体现在频率参量上，也可以体现在时间参量上。因此，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）和码分多址复用（CDMA）。时分多路复用又可分为同步时分复用（通常称为时分复用）和异步时分复用（通常也叫统计时分复用）。在频域内，只要各信号在频谱上不重叠，即可以在同一信道中传输，最后用滤波器将其分开，实现频分多路复用。同理，只要各路信号在时间上不重叠，就可以在同一信道内传输信号，解复用器端用门电路将复合信号分开，实现时分多路复用。而波分多路复用则把不同波长的信号复合在一起进行传送。在复用系统中，个设备共享一条链路。图.1（）是复用系统的4第六章多路复用技术6.2频分多路复用（频分多路复用（FDM）6.2.1频分多路复用概念频分多路复用概念频分多路复用是按照频率参量的差别来分割信号的。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FDM技术。在FDM中，将每个信号调制到不同的载波频率上，调制后的信号被组合成可以通过媒介传输的复合信号。同时要保证载波频率之间的间距足够大，即保证这些信号的带宽不会重叠，就可以实现在同一媒体上传送多路信号。图6.2为频分多路复用的一般情况。有个信号源输入到一个多路复用器上，复用器用不同的频率调制每一个信号。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）。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。6.2频分多路复用（FDM）5第六章多路复用技术图6.2 频分多路复用（FDM）通道1解复用器频分复用器保护频带信号1输出端输入端通道2通道n信号2信号n信号1信号2信号n图6.2 频分多路复用（FDM）通道1解复用器频分复用器6第六章多路复用技术6.2.2频分多路复用原理频分多路复用原理频分多路复用技术是按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中，信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将对路信号分开，从而恢复所需要的信号。频分多路复用的原理见图6.3。图6.3 频分多路复用原理 6.2.2频分多路复用原理7第六章多路复用技术1.复用每一路信号先被载波调制器进行调制，接着将调制得到的模拟信号叠加起来，形成复合信号，然后通过传输媒介传送出去。每一路信号的频谱被搬移到了以为中心的位置上。为了实现这种机制，必须选择不同的合理载波频率，以使不同信号的带宽之间不会有重叠，否则就在接收端不能恢复原始信号。2.解复用在接收端，复合信号通过带通滤波器（每个滤波器也都以为中心），信号又被分割成多路状态，然后经解调器后恢复为原始多路信号。1.复用8第六章多路复用技术6.2.3 FMD性能评价性能评价1.优点频分多路复用优点是复用路数多，分路方便，多路信号可同时在信道中传输，充分利用了传输带宽，提高了系统效率。技术成熟，实现相对容易。频分多路复用常用于模拟通信系统中，特别是在有线和微波通信系统中应用非常广泛。2.缺点频分多路复用缺点是设备庞大、复杂，不易小型化；各路间不可避免会出现干扰；本身不提供差错控制功能，不易对性能进行监测。在实际的应用系统中，正逐渐被时分多路复用技术所取代。6.2.3 FMD性能评价9第六章多路复用技术6.2.4 FDM应用系统应用系统1.电话系统FDM做典型的应用时话音信号频分多路复用载波通信系统。通话用户发出的声音频率结构不完全相同，但频谱能量主要集中在Hz之间，滤波器将每个话音信号的带宽限制在Hz左右，当多个通道被复用在一起时，每个通道分配Hz的带宽，以使彼此频带间隔足够远，防止出现串音。2.有线电视FDM的另一个常见应用时有线电视传输。目前，有线电视系统的传输介质使用同轴电缆，其传输带宽大约为500Hz。一个电视频道大约只需要6Hz的传输带宽。因此，从理论上说，一条同轴电缆可以同时承载83个电视频道（实际上由于需要保护频带，要小于83这个理论值）。在实际应用中，因为没有那么多的电视频道可供接收，所以有线电视的同轴电缆经常有一部分频段被闲置。为了提高线路的使用效率，国外一些国家已经采用一种有线电视和宽带网相结合的线路，这样大大降低网络和有线电视的成本。6.2.4 FDM应用系统10第六章多路复用技术6.2.5波分多路复用（波分多路复用（WDM）波分多路复用（WDM）实际上是频分多路复用的一个变种，本质上是光频上的频分复用技术。它除了复用和解复用以及采用光纤作为传输介质之外，在概念上与频分多路复用FDM相同，但它比FDM更有效。在WDM中，两根光纤连到一个棱柱或光栅上，每根的能量处于不同的波段。两束光信号通过棱柱或光栅，合成到一根共享的光纤上，传送到远方的目的地，然后再将它们分解。波分多路复用并没有采用很多新的技术。由于每个信道有自己的波长（频率）范围，而且所有的范围都是分隔的，所以它们可以被多路复用到长距离的光纤上。与电子的FDM唯一区别就是：光纤系统使用的衍射光栅是完全无源的，因此及其可靠。WDM流行的原因是一根光纤上的能量常常仅仅有几Hz，因为现在不可能在光电介质间做更快的转换。而一根光纤的带宽大约是25000Hz，所以可以将很多信道复用到长距离光纤上。当然，前提是，所有的输入信道都应使用不同的波长。随着光纤技术的突破，光纤的价格越来越便宜，光纤的应用也越来越多。特别是随着网络走进千家万户，光纤的应用将更加普及。现在，很多城市以已经实现或部分实现光纤到户。不久的将来，双绞线会被光纤取代。那时，所有的本地回路都可以利用WDM连接到通向端局的光纤上。6.2.5波分多路复用（WDM）11第六章多路复用技术6.3时分多路复用（时分多路复用（TDM）6.3.1时分多路复用概念时分多路复用概念时分多路复用是以时间作为信号分隔的参量，即信号在时间位置上分开，但它们所占用的频带是重叠的。当传输介质所能达到的数据传输速率超过了传输信号所需要的数据传输速率时，利用每个信号在时间上的交叉，可以在一个传输通道上传输多路信号，实现信号的时分多路复用。这种时间的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。时分多路复用的概念图如图6.4所示。图6.4中有路信号连接到时分多路复用器，复用器按照一定的次序轮流给每个信号分配一段使用公共信道的时间。当轮到某个信号使用信道时，该信号就与公共信道逻辑上连接起来，而其他信号与信道的逻辑关系暂时被切断。待指定的信号占用信道的时间一到，则时分多路复用器就将信道切换给下一个被指定的信号。依次类推，一直轮流到最后一个信号然后重新开始。在接收端，时分多路复用器也是按照一定的顺序轮流接通各路输出。6.3时分多路复用（TDM）12第六章多路复用技术图6.4 时分多路复用解复用器频分复用器信号1输出端输入端 信号1信号2信号n时隙1信号n.信号2时隙n时隙2图6.4 时分多路复用解复用器频分复用器信号1输出端输入端13第六章多路复用技术时分复用根据发送端与接收端时钟提取时间情况，可分为同步时分复用和统计时分复用（异步时分复用）两种。这里的同步是指复用器在给定的周期时间内为每个设备都分配完全一样的时间片，不管该设备有没有数据要传输。时间片的一个完整循环叫一帧，一帧中两个相邻的时间片的时间间隔称为时隙。时分复用在不作特别说明的情况下，一般是指同步时分多路复用。本节首先介绍同步时分复用。时分复用根据发送端与接收端时钟提取时间情况，可分为同步时分复14第六章多路复用技术6.3.2 TDM基本原理基本原理1.基本原理抽样定位为时分多路复用提供了理论依据，因为抽样定理使得在时间上离散的抽样脉冲值代替基带信号成为可能。抽样定理告诉我们，一个频带限制在0的时间连续信号，可以用时间上离散的采样值来传输，采样值中包含由的全部信息，当采样频率 时，可以从已采样的输出信号中用一个带宽为 的理想低通滤波器不失真地恢复出原始信号。由于单路采样信号在时间上离散的相邻脉冲间有很大的空隙，在空隙中就可以插入若干路其他采样信号，只要各路采样信号在时间上不重叠并能区分开。因此，就可以在一条信道中同时传递多个传输信号，达到了多路复用的目的。时分多路复用TDM原理如图6.5所示。6.3.2 TDM基本原理15第六章多路复用技术图6.5 时分复用原理图 图6.5 时分复用原理图 16第六章多路复用技术由图6.5可知，各路信号首先通过相应的低通滤波器使之变为带限信号，然后送到采样电子开关，电子开关以每秒将各路信号依次采样一次，这样个样值按先后顺序错开插入采样间隔之内，最后得到复用信号是个采样信号之和。在接收端，合成的多路复用信号由与发送端同步的分路转换开关区分不同路的信号，把各路信号的采样脉冲序列分离出来，再用低通滤波器恢复出各路原始信号。由图6.5可知，各路信号首先通过相应的低通滤波器使之变为带限17第六章多路复用技术2.基本概念（1）帧TDM在传送信号时，将通信时间分成一定长度的帧，每一个帧又分为若干个时间片，每个时间片被分配来传输一条特定输入线路的数据，如果所有设备以相同的速率发送数据，每个设备就在每帧内获得一个时间片。一帧正是由时间片的完整循环组成的。同步时分复用的每一个时间片是预先分配给数据源的，而且是固定的。各个帧的某一时间片组成了某个设备的传输通道。图6.6中可以看到4条输入线路通过同步时分复用器用到单条通道上，所有的输入数据率相同，因此每帧的时间片数等于输入线路的数目。2.基本概念18第六章多路复用技术图6.6 时分复用帧的传输4路输入信号每帧含有4个时间片帧1时分复用器信号1输入端信号2信号3信号4.4 3 2 14 3 2 14 3 2 1帧2帧n.图6.6 时分复用帧的传输4路输入信号每帧含有4个时间片帧119第六章多路复用技术（2）交错可以把同步时分复用器想象成高速旋转的开关，当开关转动到某个设备时，该设备就有机会向公共通道传输规定大小的数据。开关以固定的速率和固定的顺序在设备间移动，这个过程称为交错。交错可以以比特进行、字符进行或码组进行。（3）帧比特定位在同步时分复用技术中，每一帧内时间片的顺序是固定的。复用器接收数据的信息就告诉解复用器如何对每个时间片进行传输定向。因此，帧中可以不需要地址信息。在每一帧的开始附加一个或多个同步比特，以便于解复用器根据复用信息进行同步，从而正确的分离各时间片。（4）比特填充在比特填充中，复用器通过在设备的数据源流中，插入附加的比特来强制的将各个设备之间的速率关系调整为整数倍的关系。由于不同数据源的传输效率不一定相同，因此，不同传输速率的数据源可以分配不同长度的时间片。当设备之间的传输速率不是整数倍时，通过比特填充技术可以把它们变成好像是整数倍的关系。（2）交错20第六章多路复用技术3.TDM数据复用方式（1）比特交错法在每一个时间片内仅含有一个比特。复用器分别依次取出各路输入信号的第一比特，第二比特直到填满整个帧。但当复用器在取出第二路信号和第三路信号的第1位比特时，第一路信号的第2位比特和第二路信号的第2位比特已经不断地传来。而这些数据等到最后一路信号的第1位比特复用完毕后才能复接。因此，需要把这些信号暂时存储在缓冲器中。比特交错法的特点：复用所需缓冲存储器的容量大，复用设备简单，是目前使用较多的交错技术。3.TDM数据复用方式21第六章多路复用技术（2）字符交错法字符交错法以一个字符为单位进行复用。字符交错技术主要用于异步数据源。（3）码组交错法码组交错法按某一码元长度为单位进行复用，即在每个时间片中取出某支路的一个码字。码组交错法的特点：按码字复接方式的误码率低于按比特复接方式，从而提高传输信号的保真度。按码字复接方式循环周期大，需要容量较大的缓冲器。在数字程控交换机和高速同步数字序列（SDH）复接时都采用按码字复接的方式。（2）字符交错法22第六章多路复用技术6.3.3 TDM工作特点工作特点1.通信双方是按照预先指定的时间片进行数据传输的，而且这种时间关系是固定不变的。2.就某一瞬时来看公用信道上传送的仅是某一对设备之间的信号，就某一段时间而言，公共信道上传送着按时间分割的多路复用信号。3.与FDM相比，TDM更适合于传输数字信号。只要时分多路复用器的扫描操作适当，并采取必要的缓冲措施、合理分配时间片，就能保证多路通信的正常进行。6.3.3 TDM工作特点23第六章多路复用技术6.4统计时分复用（统计时分复用（STDM）6.4.1 统计时分复用概念统计时分复用概念在同步时分多路复用系统的每一帧中，以固定分配时间片的方式，给每一个输入设备分配一个固定的时隙，输入数据复用以后在单一的公共信道上传输，复用信道的传输速率等于各低速通路的速率之和。这样，无论用户有没有要发送的信息，都要分配给它一个固定的时隙。也就是说，如果某设备没有运行，其所分配的时隙处于空闲状态，也不能为其他设备所利用，白白浪费系统资源。为了提高时隙的利用率，采用按需分配时隙技术，即动态地分配所需要时隙，以避免每帧中出现空闲时隙的现象。此时，复用器传输的数据都来自正是工作的设备。与预分配方式相反，每一个时间片都可以被所连接的任何一个有数据发送的输入线路所使用。这种动态分配时隙的工作方式称为统计时分多路复用（STDM）、异步TDM、智能TDM。6.4统计时分复用（STDM）24第六章多路复用技术6.4.2 STDM基本原理基本原理在统计时分复用系统中，复用器一侧连接低速输入线路，每一条低速线路都有一个与之相联系的缓冲区，另一侧连接高速复用线路。复用器扫描各个输入信号，输入设备有数据传送就分配时间片，没有数据传送则继续扫描下一条线路而不分配时间片。循环往复直到扫描完所有的输入线路。将输入数据组成STDM帧，由于每条输入线路并非一直有数据输入，STDM帧的时隙数，通常总小于各条低速线路的总和，复用线路的数据传输速率也可能低于各输入线路的数据速率之和。也就是说，在相同的链路上，STDM技术比TDM技术支持的输入设备要多。图6.7中，可以看到4条输入线路通过STDM时分复用器用到单条通道上，每帧的时间片数3小于输入线路的数目4。6.4.2 STDM基本原理25第六章多路复用技术图6.7 统计时分复用帧的传输 4路输入信号每帧含有3个时间片帧1统计时分复用器信号1输入端信号2信号3信号4.3 2 1帧2帧n.3 2 13 2 1图6.7 统计时分复用帧的传输 4路输入信号每帧含有3个时间26第六章多路复用技术对于输入而言，复用器的功能就是扫描输入缓冲区，搜集数据直到一个帧被填满，然后就发送这个帧。如果没有足够数据来将帧内所有的时间片填满，该帧就以半填充方式传输。在输出时，复用器收到一个帧，并将时隙数据分发给合适的输出缓冲区。对于输入而言，复用器的功能就是扫描输入缓冲区，搜集数据直到一27第六章多路复用技术6.4.3 STDM帧帧1.STDM帧结构在整体的帧格式中，统计复用帧中有每帧一源的格式和每帧多源的格式（见图6.8）。（1）每帧一源的格式帧中只包含一个数据源的数据及其地址信息。（2）每帧多源的格式帧中包含多个数据源的数据及其地址信息。使用相对寻址的方法可以减少地址字段，每个地址表示的是当前数据源相对于前一个数据源的编号，以数据源的总数为模。字段长度中数值表示字节数，这样可以减少地址字段和字段的长度。6.4.3 STDM帧28第六章多路复用技术图6.8 统计时分复用帧格式 标志 地址 控制 统计复用子帧 帧校验FCS 标志 地址 数据 地址 长度 数据.统计复用子帧每帧多源 统计复用子帧每帧一源 地址 长度 数据图6.8 统计时分复用帧格式 标志 地址 控制 统计复29第六章多路复用技术2.STDM帧确定方法（1）帧长不固定，帧数固定。每一帧的长度（帧内时间片的数目）可以是不固定的，同时时间片的位置也不再是固定不变的。但当系统确定后，帧的数量就固定了，即帧数等于路数。为了在接收端要正确分离各路数据，每一路时隙必须带有地址信息。数据中同时包含数据和地址，所以STDM的每个时隙都存在额外开销。（2）帧长固定，帧数不固定。帧长度是根据给定时刻进行发送的输入线路数的统计结果决定的。2.STDM帧确定方法30第六章多路复用技术6.4.4 STDM性能性能在STDM系统中，复用器的输出速率可以比输入速率之和低，但必须在复用器中增加缓冲存储器以临时存放超过复用器链路容量的输入部分，以减少成本。人们常常希望使用尽可能小的缓冲器和尽可能低的复用链路数据率，但缓冲器的数量和复用链路的数据率两者之间，一方的减少会引起另一方的增加，因此对两者之间要进行合理的选择。6.4.4 STDM性能31第六章多路复用技术6.4.5 STDM实例实例如图6.9中所示是采用统计时分复用技术共享一条链路的5台输入设备。在本例中，帧的大小是3个时间片。图6.9说明了统计时分复用器如何管理四种情况下的数据传输。复用器按照从1到5的顺序扫描输入设备，发现有待发送的数据就填入帧内。图6.9统计时分复用帧实例6.4.5 STDM实例32第六章多路复用技术CCC(a)情况一：两条输入线路发送数据统计时分复用器1输入端AAAAA A AC A CA C A2345AAAAA(b)情况二：三条输入线路发送数据统计时分复用器1输入端E C AE C AA C A2345CCCCEEEE C A(c)情况三：四条输入线路发送数据统计时分复用器1输入端C A EE D CD C A2345CCCCEEEA E DAAAAADDDD C A统计时分复用器(d)情况四：五条输入线路发送数据1输入端C B AE D CD C B2345CCCCEEEA C AAAAAADDDE A EBBBA E D帧1帧6帧4帧2帧3帧5CCC(a)情况一：两条输入线路发送数据统计时分复用器1输入33第六章多路复用技术1.第一种情况5条输入线路只有2条有数据发送。复用器对设备1到设备5扫描时，第一次扫描结束后，一帧并没有填满（只含有设备1和设备3的数据）。此时，并不发送该帧而是继续进行第二次扫描，回到设备1第二部分数据，将该帧填满后才发送出去。然后继续扫描到设备3的第二部分数据并将其填入下一个数据帧，再回到顶端的设备1继续填充，以此类推。前两帧被数据填满后，只剩下设备1有数据传输了，此时复用器取出设备1的字符A，然后扫描其他的输入线路，没有发现任何数据。再回到设备1将最后一个字符A填入帧中，再也没有可以发生的数据。于是复用器将只填充了两个时间片的帧发送出去。1.第一种情况34第六章多路复用技术2.第二种情况3条活跃的输入线路分别对应每帧内的3个时间片。对于最初的3帧，输入信号对称分布在所有的通信设备上。但到了第4帧，设备5结束了自身的数据传输，但设备1和设备3仍然有两个字符待发送。复用器先取出设备1中字符A和设备3的字符C，然后扫描剩下的输入线路，但没有发现任何数据，于是又回到了设备1中取出最后一个字符C。此时再也没有数据可以用来填充了。此情况如果采用同步TDM技术，将需要发送5个数据帧，每帧5个时间片，总计25个时间片。但是，其中只有12个时间片中有数据传输，使线路有超过一半的时间处于空闲的状态。图6.9中显示的STDM方式，没有一个时间片是空闲的，在整个传输时间内，使用了链路的整个容量。2.第二种情况35第六章多路复用技术3.第三种情况有数据发送的线路比每帧时间片的数量多一个。该情况下有4条输入线路发送数据。此时，当复用器对设备1到设备5进行扫描时，还没有扫描完所有输入线路，一帧就填满了。因此，第1帧有设备1、设备3和设备4的数据，没有设备5的数据。该帧发送后，复用器继续扫描，将设备5中的第一部分数据填入下一帧的第1个时间片。此时，第一轮扫描结束，然后回到线路顶端的设备1中的数据开始第二轮扫描任务。复用器将设备1中的第二部分数据填入第2帧的第2时间片内，设备3中的数据填入第3个时间片由此可见，当活跃线路的数目不等于帧内时间片的数量时，时间片不是对称填充的。4.第四种情况在此情况下，数据帧类似第三种情况的方法进行填充。这里不再赘述。3.第三种情况36第六章多路复用技术6.5码分多路复用（码分多路复用（CDMA）6.5.1 码分多路复用概念码分多路复用概念码分多路复用（CDMA）是另一种共享信道的方法，是一种全新的技术，它的技术基础是直接序列扩频技术。在CDMA系统中，发送端用互不相干、相互正交（准正交）的地址去调制所要发送的信号，为每路信号分配了各自特定的地址码，然后利用同一信道来传输信息。码分复用的信号在频率、时间和空间上都可能重叠。也就是说，每路信号有自己的地址码，地址码彼此之间互相独立，互不影响，这个地址码用于区别每路信号。在接收端则利用码型的正交性，对接收的信号进行相关检测，通过地址从混合复用的信号中选出相应信号。其他使用不同码型的信号因为和接收端本地产生码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入噪声或干扰，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。无论正向传输还是反向传输，除了传输业务之外，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CDMA通信系统既不划分频道也不划分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分，这样的信道属于逻辑信道。逻辑信道无论从频域来看还是从时域来看都是相互重叠的，或者说它们都占有相同的频段和时间。6.5码分多路复用（CDMA）37第六章多路复用技术6.5.2 CDMA 系统特点系统特点1.优点（1）多用户共享同一频率。（2）通信容量大。从理论上讲，信道容量完全由信道特性决定，但实际的系统很难达到理想的情况，因而，不同的多址方式可能有不同的信道容量。CDMA是干扰限制性系统，任何干扰的减少都直接转化为系统容量的提高。（3）容量的软件性。在CDMA系统中，用户数不固定，多增加用户只会使通信质量微降，不会出现阻塞现象。这和FDMA和TDMA系统中用户数固定是不同的。（4）因为信号被扩展在一个较宽的频谱上，可以减少多径衰落。（5）数据传输速率高。（6）低信号功率谱密度。它带来最大好处是有较强的抗窄带干扰能力，这使本系统和其他系统共用频段成为可能，使有限的频谱资源得到更充分的利用。6.5.2 CDMA 系统特点38第六章多路复用技术2.缺点（1）非同步CDMA网中不同用户的扩频序列不完全正交，会引起各用户间的相互干扰-多址干扰（MAI）。（2）“远-近”效应。所谓“远-近”效应就是由于移动用户所在的位置处于动态变化中，基站接收到的各用户信号功率可能相差很大，即使各用户到基站距离相等，深衰落的存在会使到达基站的信号各不相同，强信号对弱信号有明显的抑制作用，会使弱信号的接收性能很差，甚至无法通信。2.缺点39第六章多路复用技术6.5.3 CDMA的应用的应用CDMA最初用于军事通信，因为该系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。CDMA技术主要用在无线电通信系统。目前，面对全球范围内对移动通信和个人通信日益增长的需要，CDMA通信系统越来越显示出独有的优越性。它将是今后无线通信中最主要的多址手段，应用范围已涉及数字蜂窝移动通信、卫星通信、微蜂窝系统、一点多址微波通信和无线接入网等领域。CDMA是第三代移动通信的主要体制，窄带CDMA能满足语音和一般数据传输的要求，而宽带CDMA可满足多媒体通信的要求。同时也是全球个人通信的一种主要多址通信方式。当前，在笔记本电脑、个人数字助理（PDA）以及掌上电脑（HPC）等具有移动性通信的设备都采用CDMA技术。在第9章中，本书将对CDMA移动通信系统做详细讲解。6.5.3 CDMA的应用40第六章多路复用技术6.6多路复用实例多路复用实例多路复用技术可以使多路信号通过单一的传输介质发送数据，极大地提高了传输效率。但是在实际应用中，需要根据不同情况下的数据传送选择一种合适的复用方式。6.6.1时分复用技术和频分复用技术的比较时分复用技术和频分复用技术的比较不同的数据通信系统应选择不同的复用技术，频分复用技术多用于模拟数据通信系统，时分复用技术多用于数字通信系统。6.6多路复用实例41第六章多路复用技术1.复用原理比较FDM是用频分来区分同一通道上同时传输的各路信号，各信号在频域上是分开的，而在时域上是混叠的。TDM是在时间上区分同一通道上依次传输的各路信号，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠的。2.设备复杂性比较（1）从复用部分看，FDM设备相对简单，TDM设备较为复杂。（2）从分路部分看，TDM信号的复用和分路都是采用数字电路来实现，便于大规模集成，有利于小型化和降低成本。通用性和一致性较好，比FDM的滤波器简单、可靠。3.性能比较（1）FDM的主要优点在于系统效率高，充分利用了传输媒介的带宽。但设备繁杂，不易型化。而TDM系统中各路间串音比FDM要小。（2）TDM技术抗干扰能力强，信号可再生，便于进行加密，适合光纤传输，易于和程控交换机结合，构成综合业务数字网。4.具体应用比较（1）低速设备较少时，频分复用设备比时分复用设备便宜。（2）因为频分复用需要保护带，频分复用可达到集合比特速率小于时分复用的集合比特率。（3）时分复用比频分复用灵活，同一时分复用对不同速率的终端可任意组合复用。（4）时分复用使用先进的监控系统和诊断系统，便于维护管理。1.复用原理比较42第六章多路复用技术6.6.2 时分复用与统计时分复用的比较时分复用与统计时分复用的比较1.时间片比较像时分复用一样，统计时分复用允许将许多低速的输入线路复用到一条较高速的线路上。在时分复用系统中，如果有条输入线路，帧内至少有个固定的时间片。在统计时分复用系统中，如果有条输入线路，帧内至少有个固定的时间片，其中小于。2.效率比较时分复用技术既便宜又可靠，并能降低通信费用。但是，它的通信效率较低。从几个典型的TDM系统实际运行中收集到得数据表明：在通信过程中，实际用于传输有效信息的时间占用了可用时间的5%。实际统计表明，与时分复用器相连接的用户终端设备连续地以最大速率发送数据的情况较少，所以用户终端同时处于繁忙的情况更少，有很多用户往往总是间断地发送信息。因此，在固定分配时间片的TDM方式中，时隙的利用率较低。与TDM比，由于STDM系统采取了动态分配时间片的方法，因而具有较高的传输效率。但是这种方法也存在一定的困难。一方面，由于数据到达复用器的速率可能会超过复用器把数据发送到链路的速率。这种情况下，就需要一个缓冲区缓存数据。另一方面，由于解复用器无法判断时间片和输出线路的对应关系，所以每个时间片必须携带一个地址来告诉解复用器如何为其中的数据定向。在每个时间片内的地址增加了STDM系统的开销，并在一定程度上影响了它的潜在效率。6.6.2 时分复用与统计时分复用的比较43第六章多路复用技术3.复用过程比较图6.10对传统TDM和STDM做了对比。图中有4个数据源，并在4个不同的时刻出现数据。在使用传统TDM时，每个数据源都在TDM帧中占有固定位置的时间片。如图6.10所示，在复用器传输的第一帧里，只有数据源A和C占有时间片，其他时间片处于空闲状态。第二帧只有数据源D占有时间片；第三帧只有数据源B和C占有时间片。第四帧则只有数据源A和B占有时间片。与此不同的是STDM使用了动态分配时隙的方法，根据需要传送数据的线路数目来确定时间片的数量。因此，第一帧包含两个时间片，第二帧包含一个时间片，第三帧和第四帧都包含两个时间片。3.复用过程比较44第六章多路复用技术图6.10 TDM和STDM的复用过程比较 TDM复用过程帧1时分复用器1输入端234A4 A1 3 2 1帧2帧4B4 B3 A1 3 2 1 C3 C1 3 2 1 D2 D2 2 1 C1 A1 A1 3 2 1 B4A4 C3 B3 帧3STDM复用过程帧1统计时分复用器1234A4 A1 3 2 1帧2帧4B4 B3 A1 3 2 1 C3 C1 3 2 1 D2 D2 C1 A1C3B3 帧3C1 A1图6.10 TDM和STDM的复用过程比较 TDM复用过程帧45第六章多路复用技术习题习题1.什么是多路复用技术？2.简述频分多路复用技术的原理和特点。3.简述时分多路复用技术的原理和特点。4.简述统计时分复用技术的原理和特点。5.简述码分多路复用的特点和应用。6.最常用的多路复用技术主要应用领域是什么？7.比较波分多路复用和频分多路复用的异同点。8.比较时分多路复用和频分多路复用的异同点。9.比较时分多路复用和统计时分复用的异同点。10.频分复用被时分复用替代的主要原因是什么？习题46