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第10章信道復(fù)用和多址方式 1 本章主要內(nèi)容 10 1引言什么是 復(fù)用 和復(fù)用技術(shù)的分類 多址接入 及其與 復(fù)用 的關(guān)系 10 2頻分復(fù)用和多級(jí)調(diào)制 10 3時(shí)分復(fù)用基本原理 10 4數(shù)字復(fù)接技術(shù) 數(shù)字信號(hào)的時(shí)分復(fù)用 10 5碼分復(fù)用簡(jiǎn)介 10 6多址技術(shù) 2 10 1引言 一 什么是 復(fù)用 在 點(diǎn)到點(diǎn) Point to Point 通信方式中 在同一信道上 傳輸多路信號(hào)的復(fù)合信號(hào) 并且能在接收端正確將各路信號(hào)分離 從而實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)公用一個(gè)信道的技術(shù) 二 復(fù)用技術(shù)的分類頻分復(fù)用 FrequencyDivisionMultiplex 時(shí)分復(fù)用 TDM 碼分復(fù)用 CDM 其他復(fù)用 如空分復(fù)用 波分復(fù)用等 OFDM 3 三 多址技術(shù)及其的分類 多址 以衛(wèi)星通信為例 多個(gè)地球站通過(guò)共同的衛(wèi)星同時(shí)建立各自的信道 從而實(shí)現(xiàn)各地球站通信的一種方式 分類 頻分多址 FDMA 時(shí)分多址 TDMA 碼分多址 CDMA 空分多址 SCDMA 4 四 復(fù)用 和 多址 的關(guān)系 二者的技術(shù)本質(zhì)是完全一樣的 相同 通信過(guò)程 信號(hào)的復(fù)合 傳輸 信號(hào)的分離當(dāng)上頁(yè)所述復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于 點(diǎn)到點(diǎn) 的通信方式時(shí) 通常叫做 多路復(fù)用 例如微波通信 電話數(shù)字中繼 PCM一次群 當(dāng)復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于 點(diǎn)到多點(diǎn) 的通信方式時(shí) 通常叫做 多址接入 例如多個(gè)手機(jī)同時(shí)與基站進(jìn)行的通信 5 6 10 2頻分復(fù)用和多級(jí)調(diào)制 理論基礎(chǔ) 調(diào)制定理 也是付立葉變換的一個(gè)性質(zhì) 頻域特點(diǎn) 各路信號(hào)在頻域互相隔離時(shí)域特點(diǎn) 各路信號(hào)在時(shí)域上相互疊加信號(hào)種類 屬于頻帶信號(hào)接收端分離方法 濾波器 7 10 2 1頻分多路復(fù)用 FDM 頻率復(fù)用 是指多路信號(hào)在頻率位置上分開(kāi) 但同時(shí)在一個(gè)信道內(nèi)傳輸 因此 頻率復(fù)用信號(hào)在頻譜上不會(huì)重疊 但在時(shí)間上是重疊的 8 原理框圖 各路濾波器的通頻帶互不重疊 9 FDM合成后的頻譜圖 單邊 10 若n路都采用雙邊帶 11 10 2 2多級(jí)調(diào)制 多級(jí)調(diào)制對(duì)同一基帶信號(hào)進(jìn)行2次或更多次的調(diào)制復(fù)合調(diào)制屬于多級(jí)調(diào)制的一種特殊情況每次調(diào)制的種類不同 如第一級(jí)調(diào)制采用調(diào)幅 第二級(jí)調(diào)制采用調(diào)頻 12 2級(jí)調(diào)制的框圖 13 合并后的復(fù)用信號(hào)可直接通過(guò)信道傳輸 也可以經(jīng)過(guò)再次調(diào)制后進(jìn)行傳輸 在接收端 可利用相應(yīng)的帶通濾波器來(lái)分離出各路信號(hào) 并通過(guò)各自的解調(diào)器和低通濾波器恢復(fù)出各路的調(diào)制信號(hào) 國(guó)際電信聯(lián)盟 ITU 對(duì)此制定了一系列建議 例如 ITU將一個(gè)12路頻分復(fù)用系統(tǒng)統(tǒng)稱為一個(gè) 基群 它占用48kHz帶寬 將5個(gè)基群組成一個(gè)60路的 超群 用類似的方法可將幾個(gè)超群合并成一個(gè) 主群 幾個(gè)主群又可合并成一個(gè) 巨群 14 示例 中波廣播頻率的帶寬是從535kHz到1605kHz 這個(gè)通信信道上又按照不同的頻率劃分成為若干個(gè)子信道 每個(gè)子信道的帶寬是9kHz 每個(gè)子信道供給廣播電臺(tái)的一個(gè)頻道使用 例如天津廣播電臺(tái)交通頻道的中心頻率是567kHz 生活頻道的中心頻率是1386kHz 各個(gè)廣播電臺(tái)在這些子信道上同時(shí)進(jìn)行信號(hào)傳輸而互不干擾 這就是一個(gè)由頻率進(jìn)行劃分的多路復(fù)用技術(shù)的具體例子 15 頻分復(fù)用系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn) 是信道利用率高 容許復(fù)用的路數(shù)多 同時(shí)分路也很方便 它是目前模擬通信系統(tǒng)中采用的最主要的一種復(fù)用方式 例如 無(wú)線電廣播 電視廣播 有線和微波通信都廣泛采用頻分復(fù)用方法 頻分復(fù)用的缺點(diǎn) 是設(shè)備復(fù)雜 若信道存在非線性時(shí) 會(huì)產(chǎn)生路間干擾 16 10 3時(shí)分復(fù)用基本原理和帶寬計(jì)算 10 3 1時(shí)分復(fù)用 TDM 基本原理基本原理 各路信號(hào)分時(shí)輪流使用同一物理信道 類比例如 不同的班級(jí)在同一教室 不同時(shí)間上課 時(shí)域上 互不重疊 相互隔離頻域上 頻譜重疊信號(hào)種類 一般屬于基帶信號(hào) 可采用奈奎斯特定律 接收端分離方法 分接技術(shù) 通過(guò)精確的時(shí)鐘采樣脈沖和計(jì)數(shù)器來(lái)找到需要的數(shù)據(jù) 17 與頻分復(fù)用相比 時(shí)分復(fù)用具有以下的主要優(yōu)點(diǎn) 1 TDM多路信號(hào)的合路和分路都是數(shù)字電路 比FDM的模擬濾波器分路簡(jiǎn)單 可靠 2 信道的非線性會(huì)在FDM系統(tǒng)中產(chǎn)生交調(diào)失真和多次諧波 引起路間干擾 因此FDM對(duì)信道的非線性失真要求很高 而TDM系統(tǒng)的非線性失真要求可降低 18 PAM時(shí)分復(fù)用原理示意圖 19 T1 Ts N 抽樣脈沖寬度 防護(hù)時(shí)隙 g 時(shí)隙 一幀的相鄰兩脈沖間的間隔T1 幀 各個(gè)消息構(gòu)成的單一抽樣的一組脈沖Ts 20 PCM復(fù)用原理 我們?cè)诘?章學(xué)過(guò) 每路PCM的采樣速率是8kHz 即每1 8000秒產(chǎn)生8bit如果我們把n路PCM時(shí)分復(fù)用到一條物理線路上 那么每1 8000秒就要對(duì)應(yīng)8n bit 第1路第1次采樣的PCM編碼 第2路第1次采樣的PCM編碼 第n路第1次采樣的PCM編碼 第1路第2次采樣的PCM編碼 第2路第2次采樣的PCM編碼 21 10 3 2時(shí)分復(fù)用的帶寬計(jì)算 22 PAM時(shí)分復(fù)用的帶寬計(jì)算 推廣到n路PAM的時(shí)分復(fù)用情況 23 例題 設(shè)有10路模擬信號(hào) 每路最高頻率均為20kHz 對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行PAM采樣后再時(shí)分復(fù)用 求復(fù)用后的復(fù)合信號(hào)帶寬和理論最小帶寬 解 24 PCM時(shí)分復(fù)用的帶寬計(jì)算 設(shè)PCM的量化級(jí)為M 則每一個(gè)PAM采樣進(jìn)行PCM編碼后變成log2M bit 例如A律13折線編碼 共有2 正 負(fù)兩個(gè)半軸 8 段 16 小份 256個(gè)量化級(jí) 即M 256所以其每個(gè)采樣編碼為log2256 8 bit 每一路的碼率為fs log2M bit s 多路PCM復(fù)用后總碼率Rb總為各路碼率之和復(fù)合PCM信號(hào)帶寬為B Rb總對(duì)應(yīng)最小理論帶寬為Rb總 2 25 例題 設(shè)有3路模擬信號(hào) 最高頻率分別為1kHz 2kHz 3kHz 每路都進(jìn)行64量化級(jí)的PCM編碼 求3路PCM復(fù)用后的信號(hào)帶寬和理論最小帶寬 解 26 補(bǔ)充作業(yè) 對(duì)10路最高頻率為4kHz的模擬信號(hào)分別進(jìn)行128個(gè)量化級(jí)PCM量化編碼后 再對(duì)這10路信號(hào)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用 求 1 復(fù)用后的傳信率 2 復(fù)用后的信號(hào)帶寬 3 基帶傳輸時(shí)的理論最小帶寬 27 10 4數(shù)字復(fù)接技術(shù) 一 復(fù)接和分接的概念二 復(fù)接的實(shí)現(xiàn)的基本原理三 復(fù)接的方式分類四 商用PCM 屬于一種同步復(fù)接 簡(jiǎn)介 28 一 復(fù)接和分接的概念 將2路或2路以上的數(shù)字信號(hào) 合并成1路高速數(shù)字信號(hào)的過(guò)程可以類比為向一列準(zhǔn)時(shí)的火車上裝貨的過(guò)程本質(zhì)還是一種時(shí)分復(fù)用分接是復(fù)接的逆過(guò)程相當(dāng)于從火車上卸貨 29 二 復(fù)接的實(shí)現(xiàn)的基本原理 分接器的功能是把已合路的高次群數(shù)字信號(hào)分解成原來(lái)的低次群數(shù)字信號(hào)它是由同步 定時(shí)和碼速恢復(fù)等單元組成 數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)主要由數(shù)字復(fù)接器和分接器組成 復(fù)接器是把兩個(gè)或兩個(gè)以上的支路 低次群 按時(shí)分復(fù)用方式合并成一個(gè)單一的高次群 其設(shè)備由定時(shí) 碼速調(diào)整和復(fù)接單元等組成 30 數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)方框圖 31 復(fù)接器在各支路數(shù)字信號(hào)復(fù)接之前需要進(jìn)行碼速調(diào)整 即對(duì)各輸入支路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行頻率和相位調(diào)整 使其各支路輸入碼流速率彼此同步并與復(fù)接器的定時(shí)信號(hào)同步后 復(fù)接器方可將低次群碼流復(fù)接成高次群碼流 32 復(fù)接條件 被復(fù)接的各支路數(shù)字信號(hào)彼此之間必須同步并與復(fù)接器的定時(shí)信號(hào)同步方可復(fù)接 根據(jù)此條件劃分的復(fù)接可分為同步復(fù)接 異源 準(zhǔn)同步 復(fù)接 異步復(fù)接三種 33 三 復(fù)接的方式分類 按各路信號(hào)交織的情況分為位復(fù)接字復(fù)接幀復(fù)接按各路信號(hào)的時(shí)鐘是否統(tǒng)一分為同步復(fù)接異步復(fù)接 基本已經(jīng)淘汰 準(zhǔn)同步復(fù)接 34 2020 2 5 35 1按位復(fù)接 復(fù)接器每次復(fù)接一個(gè)支路的一比特信號(hào) 依次輪流復(fù)接各支路信號(hào) 這種復(fù)接就稱為逐位 逐比特 復(fù)接 特點(diǎn) 按位復(fù)接簡(jiǎn)單易行 且對(duì)存儲(chǔ)器容量要求不高 其缺點(diǎn)是對(duì)信號(hào)交換不利 36 2按碼字復(fù)接 復(fù)接器每次復(fù)接一個(gè)支路的一個(gè)碼字 8bit 依次復(fù)接各支路的信號(hào) 這種復(fù)接就稱為按碼字復(fù)接 特點(diǎn) 復(fù)接后碼流保留了完整的碼字結(jié)構(gòu) 有利于合成和處理 這種方法有利于數(shù)字電話交換 但要求有較大的存儲(chǔ)容量 37 兩種復(fù)接方式示意圖 35 36 38 3接幀復(fù)接 就是復(fù)接器每次復(fù)接一個(gè)支路的一幀信號(hào) 依次復(fù)接各支路的信號(hào) 這種復(fù)接稱為按幀復(fù)接 優(yōu)點(diǎn)是復(fù)接時(shí)不破壞原來(lái)的幀結(jié)構(gòu) 有利于交換 但需要更大的存儲(chǔ)容量 目前極少應(yīng)用 39 復(fù)用 與 復(fù)接 的區(qū)別 PCM復(fù)用是對(duì)多路 電話 信號(hào)在一個(gè)定長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi) 幀 完成的PCM和TDM全過(guò)程 而復(fù)接是對(duì)多路數(shù)字信號(hào) 數(shù)字流或碼流 在一個(gè)定長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的碼元壓縮與安排 它只負(fù)責(zé)把多路數(shù)字信號(hào)安排 復(fù)用 在給定的時(shí)間內(nèi) 而不需要再進(jìn)行抽樣 量化和編碼的PCM過(guò)程 從而減少了對(duì)每路信號(hào)的處理時(shí)間 降低了對(duì)器件和電路的要求 實(shí)現(xiàn)了大路數(shù) 高次群 信號(hào)的 時(shí)分復(fù)用 40 復(fù)接的原理就是改變各低速數(shù)字流的碼元寬度 并把它們重新編排在一起 從而形成一個(gè)高速數(shù)字流 從表面上看 復(fù)接是一種合成 但其本質(zhì)仍然是一種時(shí)分復(fù)用的概念 為了與PCM復(fù)用相區(qū)別 所以稱之為 復(fù)接 41 4同步復(fù)接 這種復(fù)接方式無(wú)需進(jìn)行碼速調(diào)整 有時(shí)只需進(jìn)行相位調(diào)整或根本不需要任何調(diào)整便可復(fù)接 被復(fù)接的各輸入支路之間 以及同復(fù)接器之間均是同步的 此時(shí)復(fù)接器便可直接將低支路數(shù)字信號(hào)復(fù)接成高速的數(shù)字信號(hào) 42 5異源 準(zhǔn)同步 復(fù)接 被復(fù)接的各輸入支路之間不同步 并與復(fù)接器的定時(shí)信號(hào)也不同步 但是各輸入支路的標(biāo)稱速率相同 也與復(fù)接器要求的標(biāo)稱速率相同 但仍不滿足復(fù)接條件 復(fù)接之前還需要進(jìn)行碼速調(diào)整 使之滿足復(fù)接條件再進(jìn)行復(fù)接 這種復(fù)接方式就稱為異源復(fù)接或準(zhǔn)同步復(fù)接 43 速率的變化范圍在規(guī)定的容差范圍內(nèi) 零次群 64kb s 100ppm基群為2048kb s 50ppm二次群為8448kb s 30ppm三次群為34368kb s 20ppm四次群為139264kb s 15ppm1ppm 10 6 44 6異步復(fù)接 被復(fù)接的各輸入支路之間及與復(fù)接器的定時(shí)信號(hào)之間均是異步的 其頻率變化范圍不在允許的變化范圍之內(nèi) 也不滿足復(fù)接條件 必須進(jìn)行碼速調(diào)整方可進(jìn)行復(fù)接 這種復(fù)接方式稱為異步復(fù)接 由以上可見(jiàn) 異源和異步復(fù)接方式都必須進(jìn)行碼速調(diào)整 滿足復(fù)接條件后方可復(fù)接 45 正碼速調(diào)整原理 a 支路信號(hào)碼流以fL速率寫(xiě)入緩存器 以fm 速率讀出 fm fL fL fm fm 取空現(xiàn)象 正碼速調(diào)整 46 b 在緩沖存儲(chǔ)器要取空還沒(méi)有取空時(shí) 插入一個(gè)非信息碼元 插入命令控制三個(gè)動(dòng)作 停止一次讀出 插入一個(gè)脈沖V 給插入脈沖作標(biāo)志C 47 C 各支路的速率均調(diào)整到指定的速率 達(dá)到各支路同步 然后再進(jìn)行復(fù)接 收端 a 通過(guò)碼流提取時(shí)鐘 b 由插入脈沖檢出電路測(cè)出插入脈沖后 發(fā)出去插命令 使寫(xiě)入時(shí)鐘停止輸出一次 c 恢復(fù)原來(lái)支路信號(hào)的速率 48 四 商用PCM 屬于一種同步復(fù)接 簡(jiǎn)介 1 基本特性話路數(shù)目 30抽樣頻率 8kHz壓擴(kuò)特性 A 87 6 13折線壓擴(kuò)律 編碼位數(shù)k 8 采用逐次比較型編碼器 其輸出為折疊二進(jìn)制碼 每幀時(shí)隙數(shù) 32總數(shù)碼率 8 32 8000 2048kb s 49 PCM基群幀結(jié)構(gòu) 指一幀周期中時(shí)隙的安排 PCM30 32終端機(jī)的幀結(jié)構(gòu) A律 幀結(jié)構(gòu)每幀分為32個(gè)時(shí)隙 0 31號(hào) a TS1 TS15 TS17 TS31 共30路時(shí)隙用于傳話音 b 每個(gè)時(shí)隙傳PCM8位編碼c TS0傳幀同步碼d TS16傳信令 即呼叫 應(yīng)答等 50 PCM30 32路制式基群幀結(jié)構(gòu) 51 3 TSO偶數(shù)幀 0011011 固定為幀同步碼 奇數(shù)幀 1A1nnnnn 不傳幀同步碼組 國(guó)際電話通信用 保留 1 保證收端不誤判為幀同步碼 A1 幀失步對(duì)告碼A 0 同步 本地同步 通告對(duì)方 A 1 失步 本地失步 n 保留國(guó)內(nèi)用 2 規(guī)定 每16幀構(gòu)成一個(gè)復(fù)幀 傳送共路信令 52 4 TS16 第F0子幀中的TS160000 A2 固定為復(fù)幀同步碼 保留 備用 A2 復(fù)幀失步對(duì)告碼A2 1失步A2 0同步 第F1 F15子幀中的TS16 53 兩個(gè)話路的信令碼 1 15對(duì)應(yīng)30個(gè)話路 禁止abcd為全零 以免干擾復(fù)幀同步 結(jié)論 32路時(shí)隙 真正用于傳送數(shù)據(jù) 話音的時(shí)隙只有30路 所以稱為30 32路基群 第F1 F15子幀中的TS16 54 55 56 圖基于PCM30 32路系列的數(shù)字復(fù)接體制 57 10 5碼分復(fù)用 CDM 簡(jiǎn)介 基本原理 利用相互正交的碼組來(lái)攜帶信息 即用1個(gè)碼組表示1個(gè)比特 故稱擴(kuò)頻 在頻域 相互重疊在時(shí)域 也相互重疊接收端 通過(guò)碼組的正交計(jì)算 相乘再積分 篩除其他路信號(hào) 留下對(duì)應(yīng)路的信息 58 正交碼的特征 兩個(gè)碼組 如果對(duì)應(yīng)位相同的個(gè)數(shù)和不同的個(gè)數(shù)相同 則成為正交碼組如000010100011 這3個(gè)碼組兩兩正交 組成一個(gè)正交 碼系 59 碼分復(fù)用舉例說(shuō)明 擴(kuò)頻 1 0 60 碼分復(fù)用舉例說(shuō)明 解擴(kuò) 積分結(jié)果大于0 判為1 積分結(jié)果小于0 判為0 61 擴(kuò)頻的種類 跳頻通信直接序列擴(kuò)頻 62 跳頻通信 FH f t 用戶1 用戶2 用戶3 f1 f2 f3 f4 f5 每個(gè)用戶根據(jù)各自的偽隨機(jī) PN 序列 動(dòng)態(tài)隨機(jī)改變中心調(diào)制頻率 63 直接序列 DS 擴(kuò)頻 前面我們舉的那個(gè)簡(jiǎn)單例子就屬于直接序列擴(kuò)頻 f t Code 信道N 信道2 信道1 所有的用戶工作在相同的中心頻率上 64 10 6多址技術(shù) 多址技術(shù)的技術(shù)原理與復(fù)用完全一樣只不過(guò)應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的場(chǎng)合例如多個(gè)手機(jī)與同一基站進(jìn)行通信時(shí)每個(gè)CDMA手機(jī)都有一個(gè)屬于自己的碼