《多路复用》PPT课件.ppt

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1、第第7 7章章 多路复用多路复用7.1 7.1 频分复用频分复用7.2 7.2 时分复用和多路数字电话系统时分复用和多路数字电话系统 7.3 7.3 码分复用码分复用 所所谓谓多多路路复复用用是是指指在在同同一一个个信信道道上上同同时时传输多路信号而互不干扰的一种技术。传输多路信号而互不干扰的一种技术。最最常常用用的的多多路路复复用用方方式式是是频频分分复复用用（FDMFDM）、时时分分复复用用（TDMTDM）和和码码分分复复用用（CDMCDM）。）。多路复用的主要目的是：多路复用的主要目的是：1 1、提高通信链路利用率；、提高通信链路利用率；2 2、提高通信能力；、提高通信能力；3 3、通过

2、共享线路分摊成本，降低通信费用。、通过共享线路分摊成本，降低通信费用。按按频频段段区区分分信信号号的的方方法法叫叫频频分分复复用用，传传统统的的模模拟拟通通信信中中都都采采用用频频分分复复用用，按按时时隙隙区区分分信信号号的的方方法法叫叫时时分分复复用用，按按相相互互正正交交的的码码字字区区分分信信号号的的方方法法叫叫码码分分复复用用，随随着着数数字字通通信信的的发发展展，时时分分复复用用和和码码分分复复用用在在通通信信系系统统中的应用越来越广泛。中的应用越来越广泛。7.1 7.1 频分复用频分复用 所谓频分复用是指按照频率的不同来复所谓频分复用是指按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复

3、用中，信道的用多路信号的方法。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多路信号分开，从采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。而恢复出所需要的信号。频分多路复用原理的频谱图fc1fc2fc3-fc1-fc2-fc3F(f)fCH1CH1CH1防卫间隔Bg已调信号带宽BSCH1相邻载波频率间隔B相邻载波间隔相邻载波间隔=已调信号带宽已调信号带宽+防卫间隔防卫间隔带宽的计算带宽的计算 为为了了防防止止邻邻路路信信号号之之间间相

4、相互互干干扰扰，相相邻邻信信道道之之间间需需加加防防护护频频带带f fg g，因因此此，总总的的复复用用信号的带宽为信号的带宽为典型例子：多路载波电话系统典型例子：多路载波电话系统国际电信联盟国际电信联盟(ITU)(ITU)建议：建议：基群基群 12 12路，占用路，占用48kHz48kHz带宽，位于带宽，位于12 12 60kHz60kHz之间；之间；超群超群 60 60路，由路，由5 5个基群组成，占用个基群组成，占用240kHz240kHz的的带宽；带宽；主群主群 600 600路，由路，由1010个超群组成。个超群组成。12路群的频谱图路群的频谱图121234 kHzf(kHz)12

5、kHz16 kHz20 kHz56 kHz FDM FDM 技术主要用于模拟信号的传输。技术主要用于模拟信号的传输。其主要其主要优点优点是信道利用率高，技术成熟；是信道利用率高，技术成熟；缺点缺点是设备复杂，滤波器难以制作，并且是设备复杂，滤波器难以制作，并且在复用和传输过程中，调制、解调等过程在复用和传输过程中，调制、解调等过程会不同程度地引入非线性失真，而产生各会不同程度地引入非线性失真，而产生各路信号的相互干扰。路信号的相互干扰。复合调制复合调制 在在复复用用系系统统中中采采用用两两种种或或两两种种以以上上的的调调制制方方式式的的系系统统称称为为复复合合调调制制系系统统。第第一一次次对对

6、多多路路信信号号调调制制所所用用的的载载波波称称为为副副载载波波，第第二二次次调调制制所所用用的的载载波波称称为为主主载载波波。原原则则上上，两两次次调调制制可可以以是是任任意意方方式的调制方式。式的调制方式。如如果果第第一一次次调调制制采采用用单单边边带带调调制制，第第二二次次调调制制采采用用调调频频方方式式，一一般般记记为为SSB/FMSSB/FM。P207例例正交频分复用正交频分复用(OFDM)P232(OFDM)P232 正交频分复用正交频分复用是一种多载波调制技术，是一种多载波调制技术，具有较强的抗多径传播和抗频率选择性衰具有较强的抗多径传播和抗频率选择性衰落的能力，以及较高的频谱利

7、用率，在高落的能力，以及较高的频谱利用率，在高速无线通信系统中得到了广泛应用。速无线通信系统中得到了广泛应用。单载波调制与多载波调制单载波调制与多载波调制单载波调制将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送。多载波调制它是指将信道分成N 个子信道，将高速数据信号串/并转换为N 路速率较低的子数据流，然后分别调制到每个子信道上进行并行传输。OFDM的特点：为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠；各路已调信号是严格正交的，以便接收端能完全地分离各路信号；每路子载波的调制是多进制调制；每路子载波的调制制度可以不同，根据各个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。FDM

8、与与OFDM信道的频谱分布比较信道的频谱分布比较 f（a）FDM（b）OFDM1234567f1234567节约的带宽节约的带宽在OFDM中，各相邻子载波的频率间隔等于最小容许间隔 故各子载波合成后的频谱密度曲线如下图 虽然由图上看，各路子载波的频谱重叠，但是实际上在一个码元持续时间内它们是正交的。故在接收端很容易利用此正交特性将各路子载波分离开。采用这样密集的子载频，并且在子信道间不需要保护频带间隔，因此能够充分利用频带。这是OFDM的一大优点。fk2/Tsfk1/Tsfkff OFDMOFDM早期主要用于军用的无线高频通信系统，由早期主要用于军用的无线高频通信系统，由于其实现的复杂限制了它

9、的进一步应用。直到于其实现的复杂限制了它的进一步应用。直到2020世世纪纪8080年代，人们提出了采用离散傅里叶变换来实现年代，人们提出了采用离散傅里叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDMOFDM技术技术更趋于实用化。更趋于实用化。实现实现OFDMOFDM调制的方法有两种：调制的方法有两种：1 1、按、按OFDMOFDM原理直接进行调制；原理直接进行调制；2 2、用快速傅里叶变换来实现，简称、用快速傅里叶变换来实现，简称OFDMOFDM的的DFTDFT实现法。实现法。OFDM的发展与应用目前，目前，OFDM OFDM 技术已广泛应用到各类通

10、信领域。技术已广泛应用到各类通信领域。例如，接入网中的高速数字环路例如，接入网中的高速数字环路(HDSL)(HDSL)、非对称数、非对称数字环路字环路(ADSL)(ADSL)、高清晰度数字电视、高清晰度数字电视(HDTV)(HDTV)、数字视、数字视频广播频广播(DVB)(DVB)、数字音频广播、数字音频广播(DAB)(DAB)、无线局域网、无线局域网(WLAN)(WLAN)等，并且开始应用于无线广域网等，并且开始应用于无线广域网(WWAN)(WWAN)。在。在移动通信领域，移动通信领域，OFDM OFDM 已被列为第已被列为第4 4代代(4G)(4G)移动通信移动通信的关键技术。的关键技术。

11、7.2 7.2 时分复用和多路数字电话系统时分复用和多路数字电话系统 时分复用（时分复用（TDMTDM）是建立在抽样定理基）是建立在抽样定理基础上的。时分复用就是利用各路信号的抽础上的。时分复用就是利用各路信号的抽样值在时间上占据不同的时隙，来达到在样值在时间上占据不同的时隙，来达到在同一信道中传输多路信号而互不干扰的一同一信道中传输多路信号而互不干扰的一种方法。种方法。主要优点：主要优点：1 1、便于信号的数字化和实现数字通便于信号的数字化和实现数字通信。信。2 2、制造调试较容易，更适合采用集制造调试较容易，更适合采用集成电路实现。成电路实现。3 3、生产成本较低，具有价格优势。生产成本较

12、低，具有价格优势。7.2.17.2.1时分复用的时分复用的PAMPAM系统（系统（TDM-PAMTDM-PAM）例如，若语音信号用例如，若语音信号用8kHz8kHz的速率抽的速率抽样，则旋转开关应每秒旋转样，则旋转开关应每秒旋转80008000周。设周。设旋转周期为旋转周期为T Ts s秒，共有秒，共有N N 路信号，则每路信号，则每路信号在每周中占用路信号在每周中占用T Ts s/N N 秒的时间。此秒的时间。此旋转开关采集到的信号如下图所示。每旋转开关采集到的信号如下图所示。每路信号实际上是路信号实际上是PAMPAM调制的信号。调制的信号。m1(t)m2(t)1帧帧T/NT+T/N2T+T

13、/N3T+T/N时隙时隙1 旋转开关采集到的信号旋转开关采集到的信号信号信号m1(t)的采样的采样信号信号m2(t)的采样的采样为了提高信道利用率，数字信号在传输过程中一般采为了提高信道利用率，数字信号在传输过程中一般采用用(TDM)方式。方式。4321dcbaB BA AC CD D321帧1帧2A AB BC Cabc帧3TDM原理图dcbaB BA AC CD D4321 在在TDMTDM中，以数据帧的形式复用多路信号，每帧中，以数据帧的形式复用多路信号，每帧时间等于抽样周期，每帧分成时间等于抽样周期，每帧分成n n个时隙，每个时隙依个时隙，每个时隙依次分配给次分配给n n路信号的样值。

14、路信号的样值。注意两点注意两点 ：1 1、传输时间间隔必须满足抽样定理、传输时间间隔必须满足抽样定理2 2、收信端和发信端的转换开关必须同步动作、收信端和发信端的转换开关必须同步动作3 3路路PAMPAM信号时分复用的帧和时隙信号时分复用的帧和时隙 TDM-PAMTDM-PAM系统系统目前几乎不再用于传输。目前几乎不再用于传输。抽样信号一般都在量化编码后以数字信抽样信号一般都在量化编码后以数字信号的形式传输。故上述仅是时分复用的号的形式传输。故上述仅是时分复用的基本原理。基本原理。7.2.27.2.2时分复用的时分复用的PCMPCM系统（系统（TDM-PCMTDM-PCM）PCM PCM和和P

15、AMPAM的区别在于的区别在于PCMPCM要在要在PAMPAM的基础的基础上再进行量化和编码。为简便起见，假设上再进行量化和编码。为简便起见，假设3 3路路话音信号话音信号PCMPCM复用的原理方框图如图所示。复用的原理方框图如图所示。3 3路路PCMPCM信号时分复用原理图信号时分复用原理图7.2.37.2.3时分复用信号的码元速率和带宽时分复用信号的码元速率和带宽 TDM-PCM TDM-PCM信号传输波形为矩形脉冲时的第信号传输波形为矩形脉冲时的第一零点带宽一零点带宽 B=1/B=1/R RB B=nlf=nlfs sn-n-复用路数复用路数l-l-每个抽样值的编码位数每个抽样值的编码位

16、数f fs s-抽样频率抽样频率 如果采用滚降系数为如果采用滚降系数为的传输信道来进行的传输信道来进行无码间串扰传输，由无码间串扰传输，由maxmax=2/(1+=2/(1+)计算计算PCMPCM信号所需要的最小理论带宽。信号所需要的最小理论带宽。例例1 1 对对1010路最高频率为路最高频率为3400Hz3400Hz的话音信号的话音信号进行进行TDM-PCMTDM-PCM传输，抽样频率为传输，抽样频率为8000Hz8000Hz。抽。抽样合路后对每个抽样值按照样合路后对每个抽样值按照8 8级量化，并编级量化，并编为自然二进码，码元波形是宽度为的矩形脉为自然二进码，码元波形是宽度为的矩形脉冲，且

17、占空比为。计算冲，且占空比为。计算TDM-PCMTDM-PCM基带信号的基带信号的第一零点带宽。第一零点带宽。例例2 2 对对1010路最高频率为路最高频率为4000Hz4000Hz的话音信号的话音信号进行进行TDM-PCMTDM-PCM传输，抽样频率为奈奎斯特抽传输，抽样频率为奈奎斯特抽样频率。抽样合路后对每个抽样值按照样频率。抽样合路后对每个抽样值按照8 8级级量化，计算传输此量化，计算传输此TDM-PCMTDM-PCM信号所需的奈奎信号所需的奈奎斯特带宽。斯特带宽。例例3 3 对对1010路最高频率为路最高频率为3400Hz3400Hz的话音信号的话音信号进行进行TDM-PCMTDM-P

18、CM传输，抽样频率为传输，抽样频率为8000Hz8000Hz。抽。抽样合路后对每个抽样值按照样合路后对每个抽样值按照8 8级量化，再编级量化，再编为二进制码，然后通过为二进制码，然后通过=1=1的升余弦滤波器的升余弦滤波器再进行再进行2PSK2PSK调制，计算所需的传输带宽。调制，计算所需的传输带宽。7.2.4 PCM30/327.2.4 PCM30/32路系统的帧结构路系统的帧结构 对于多路数字电话系统，国际上有两对于多路数字电话系统，国际上有两种标准化制式，即种标准化制式，即PCM 30/32PCM 30/32路制式（路制式（E E体体系系）和）和PCM 24PCM 24路制式（路制式（T

19、 T体系体系）。）。我国规定采用的是我国规定采用的是PCM 30/32PCM 30/32路制式，路制式，一帧共有一帧共有3232个时隙个时隙，可以传送，可以传送3030路电话路电话，即复用的路数即复用的路数n=32n=32路，其中话路数为路，其中话路数为3030。时隙时隙帧帧同同步步TS1TS0TS15TS16TS17TS31 话话路路1话话路路15 话话路路16话话路路30 信信令令11011001t复帧同步复帧同步 复帧对告复帧对告 11A10000话路话路1信令信令 话路话路16信令信令 话路话路15信令信令 话路话路30信令信令 dcbadcbadcbadcba F F0 0 帧帧F

20、F1 1 帧帧F F15 15 帧帧复帧复帧帧帧F0F1F2F15F15F0F14 偶帧偶帧帧同步码帧同步码保留给国内用保留给国内用帧失步对告帧失步对告保留给国际用保留给国际用11111A11奇帧奇帧同步：同步：A A=0=0失步：失步：A A=1=1奇帧监视码奇帧监视码同步：同步：A=0A=0失步：失步：A=1A=18bit PCM 30/32路系统的帧结构路系统的帧结构 *将将125us分给分给32路信号（时隙），即一帧包含路信号（时隙），即一帧包含32路路 每路：每路：*一路信号的抽样速率一路信号的抽样速率8KHz8KHz，周期，周期T=125usT=125us，即帧长，即帧长125us

21、125us *每路编每路编8位（位（bit）PCM信号，信号，32路共路共32*8=256 bit 每位的时间：每位的时间：TS1TS2TS15 TS16TS17TS31 TS032时隙，时隙，256bit，125us话路话路话路话路同步同步标志标志时隙：时隙：TS *传输速率为：传输速率为：2568K=2.048Mbit/s,2568K=2.048Mbit/s,一路一路64kbps64kbpsTS1TS2TS15 TS16TS17TS31 TS032时隙，时隙，256bit，125us话路话路话路话路同步同步标志标志时隙：时隙：TS30/3230/32路路PCMPCM数字电话系统基本特性数字

22、电话系统基本特性 话路数目：话路数目：30 30 抽样频率：抽样频率：8kHz 8kHz 压扩特性：折线压扩律，编码位数压扩特性：折线压扩律，编码位数l l=8=8，采，采用逐次比较型编码器，其输出为折叠二进制用逐次比较型编码器，其输出为折叠二进制码。码。每帧时隙数：每帧时隙数：32 32 总传输速率：总传输速率：8328000=2048 kb/s8328000=2048 kb/s7.2.5PCM7.2.5PCM高次群系统高次群系统 前面讨论的前面讨论的PCM30/32PCM30/32路和路和PCM24PCM24路时分多路路时分多路系统，称为系统，称为数字基群数字基群（即一次群）。为了能使（即

23、一次群）。为了能使宽带信号（如电视信号）通过宽带信号（如电视信号）通过PCMPCM系统传输，就系统传输，就要求有较高的传码率。因此提出了采用要求有较高的传码率。因此提出了采用数字复数字复接技术接技术把较低群次的数字流汇合成更高速率的把较低群次的数字流汇合成更高速率的数字流，以形成数字流，以形成PCMPCM高次群系统。高次群系统。国际电信联盟国际电信联盟(ITU)(ITU)建议：建议：（1 1）准同步数字体系）准同步数字体系PDH PDH（2 2）同步数字体系）同步数字体系SDHSDH数字复接数字复接把两个以上的低速数字信号合并成一把两个以上的低速数字信号合并成一 个高速数字信号。个高速数字信号

24、。数字分接数字分接把高速数字信号分解成低速数字信把高速数字信号分解成低速数字信 号。号。数字复接系统方框图定时外时钟调整复接定时恢复分接同步低次群(1)(2)(3)(4)低次群(1)(2)(3)(4)高次群ITUITU提出的两个建议：提出的两个建议：E E体系体系 我国大陆、欧洲及国际间我国大陆、欧洲及国际间连接采用连接采用T T体系体系 北美、日本和其他少数国北美、日本和其他少数国家和地区采用家和地区采用 层次层次比特率（比特率（Mb/s）路数（每路路数（每路64kb/s）E体体系系E-12.04830E-28.448120E-334.368480E-4139.2641920E 5565.1

25、487680T体体系系T 11.54424T-26.31296T-332.064（日本）（日本）48044.736（北美）（北美）672T 497.728（日本）（日本）1440274.176（北美）（北美）4032T5397.200（日本）（日本）5760560.160（北美）（北美）8064一次群一次群二次群二次群三次群三次群四次群四次群北北美美24路路1.544Mb/s96路路(244)6.312Mb/s672路路(967)44.736Mb/s4032路路(6726)274.176Mb/s日日本本24路路1.544Mb/s96路路(244)6.312Mb/s480路路(965)32.06

26、4Mb/s1440路路(4803)97.728Mb/s欧欧州州30路路2.048Mb/s120路路(304)8.448Mb/s480路路(1204)34.368Mb/s1920路路(1204)139.264Mb/s数字复接系列（准同步数字系列数字复接系列（准同步数字系列PDHPDH）E E体系的结构图体系的结构图 电视信号电视信号载波载波300路路电话电话120路路载波载波60路路可视电话可视电话电话电话30路路载波载波12路路传真电报传真电报1234123412341234高次群复接等级高次群复接等级PCM30/32基群(1)1 0 1 1 0 1 0 1PCM30/32基群(2)1 1 0

27、 1 1 0 0 1PCM30/32基群(3)1 0 0 1 1 1 0 1PCM30/32基群(4)1 1 1 0 1 0 1 1(a)一次群(基群)(b)二次群(按位数字复接)(c)二次群(按字复接)复接方式7.2.6SDH7.2.6SDH的提出的提出PDHPDH缺点：缺点：1 1、不存在世界性标准的数字信号速率和帧、不存在世界性标准的数字信号速率和帧结构标准。结构标准。2 2、不存在世界性的标准光接口规范，无法、不存在世界性的标准光接口规范，无法在光路上实现互通和调配电路。在光路上实现互通和调配电路。3 3、复接方式大多采用按位复接，不利于以、复接方式大多采用按位复接，不利于以字节为单位

28、的现代信息交换。字节为单位的现代信息交换。4 4、准同步系统的复用结构复杂，缺乏灵活、准同步系统的复用结构复杂，缺乏灵活性，硬件数量大，上、下业务费用高。性，硬件数量大，上、下业务费用高。5 5、复用结构中用于网络运行、管理和维护、复用结构中用于网络运行、管理和维护的比特很少。的比特很少。SDHSDH基本概念基本概念SDHSDH是针对更高速率的传输系统制定出的全是针对更高速率的传输系统制定出的全球统一的标准。球统一的标准。整个网络中各设备的时钟来自同一个极精整个网络中各设备的时钟来自同一个极精确的时间标准（例如铯原子钟），没有准确的时间标准（例如铯原子钟），没有准同步系统中各设备定时存在误差的

29、问题。同步系统中各设备定时存在误差的问题。在在SDHSDH中，信息是以中，信息是以“同步传送模块同步传送模块(STM)”(STM)”的信息结构传送的。一个同步传送的信息结构传送的。一个同步传送模块主要由信息有效负荷和模块主要由信息有效负荷和段开销段开销(SOH)(SOH)组组成块状帧结构，其重复周期为成块状帧结构，其重复周期为125s125s。按照。按照模块的大小和传输速率不同，模块的大小和传输速率不同，SDHSDH分为若干分为若干等级。等级。SDHSDH的速率等级的速率等级目前目前SDHSDH制定了制定了4 4级标准，其容量（路数）每级标准，其容量（路数）每级翻为级翻为4 4倍，而且速率也是

30、倍，而且速率也是4 4倍的关系，在各倍的关系，在各级间没有额外开销。级间没有额外开销。STM-1STM-1：是基本模块，包含一个管理单元群：是基本模块，包含一个管理单元群(AUG)(AUG)和段开销和段开销(SOH)(SOH)。STM-STM-N N：包含包含N N 个个AUGAUG和相应的和相应的SOHSOH。等级等级比特率比特率(Mb/s)STM-1 155.52STM-4 622.08STM-162488.32STM-649953.28PDHPDH体系和体系和SDHSDH体系之间的关系体系之间的关系通常将若干路通常将若干路PDHPDH接入接入STM-1STM-1内，即在处接口。内，即在处

31、接口。这时，这时，PDHPDH信号的速率都必须低于，并将速信号的速率都必须低于，并将速率调整到上。率调整到上。例如，可以将例如，可以将6363路路E-1E-1，或，或3 3路路E-3E-3，或，或1 1路路E-4E-4，接入，接入STM-1STM-1中。对于中。对于T T体系也可以作类体系也可以作类似的处理。这样，在似的处理。这样，在SDHSDH体系中，各地区的体系中，各地区的PDHPDH体制就得到了统一。体制就得到了统一。SDH SDH具有具有同步复用、标准光接口和强大的网同步复用、标准光接口和强大的网络管理能力络管理能力等优点，在等优点，在2020世纪世纪9090年代中后期得年代中后期得到

32、了广泛应用，而原有的到了广泛应用，而原有的PDHPDH数字传输网已逐步数字传输网已逐步纳入了纳入了SDHSDH网。网。所谓码分复用是指发送端信号占用相同的所谓码分复用是指发送端信号占用相同的频带，在同一时间发送，不同的是各信号被分频带，在同一时间发送，不同的是各信号被分配不同的特征码（地址码），在接收端通过对配不同的特征码（地址码），在接收端通过对其特征码的识别来区分不同的信号。其特征码的识别来区分不同的信号。码分复用码分复用(CDM)(CDM)正交码字的概念正交码字的概念设长为设长为n n的编码中码元只取值的编码中码元只取值+1+1和和-1-1，以，以及及x x和和y y是其中两个码组：是其

33、中两个码组：其中其中 则则x x和和y y间的互相关系数定义为间的互相关系数定义为若码组若码组x x和和y y正交，则必有正交，则必有(x x,y y)=0)=0。例如例如,下图所示下图所示4 4个数字信号可以看作是如下个数字信号可以看作是如下4 4个个码组：按照互相关系数定义式计算容易得知，码组：按照互相关系数定义式计算容易得知，这这4 4个码组中任意两者之间的互相关系数都为个码组中任意两者之间的互相关系数都为0 0，即这，即这4 4个码组两两正交。我们把这种两两正个码组两两正交。我们把这种两两正交的编码称为正交编码。交的编码称为正交编码。s1(t)s2(t)s3(t)s4(t)沃尔什码是应用广泛的一种正交码沃尔什码是应用广泛的一种正交码 码分复用原理图码分复用原理图 CDM系统中各点的波形系统中各点的波形 CDM CDM（码分复用）是基于扩频通信的一（码分复用）是基于扩频通信的一种应用，在扩频通信系统中需要采用高码种应用，在扩频通信系统中需要采用高码率的正交码序列作为扩频码，目前用的最率的正交码序列作为扩频码，目前用的最多的是多的是伪随机码伪随机码。