第六講-物理層之三：多路復用和同步技術-課件

1、第6講 物理層之三多路復用與同步技術為了提高信道利用率，使多路信號沿同一信道傳輸而互不干擾的技術。MUXDEMUX1 link, n channels n inputs n outputs一、多路復用 多路復用(multiplexing) 為什么多路復用數(shù)據(jù)速率越高傳輸設施的成本有效就越高。大多數(shù)個人數(shù)據(jù)通信設備要求相對低的數(shù)據(jù)率。信號之間的差別。頻率上的不同、信號出現(xiàn)時間上的不同或信號碼型結構上的不同。 實現(xiàn)多路復用的關鍵把多路信號匯合到一條信道上之后，在接收端必須能正確地分割出各種信號。 分割信號的依據(jù) 多路復用技術 頻分多路復用時分多路復用(同步TDM)統(tǒng)計TDM(異步TDM或智能TDM

2、) 頻分多路復用每個數(shù)據(jù)信號被調(diào)制到具有不同頻率的載波上，所有的信號在一個信道上同時傳送。channel 1channel 4channel 3channel 2Time Frequency 1.頻分多路復用(FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing)寬帶模擬傳輸技術Subcarrierfsc1 FDM一般描述Subcarrierfsc2SubcarrierfscNTransmiterfcm1(t)m2(t)mN(t)s(t)=FDMmc(t)ssc1(t)ssc2(t)sscN(t)(a)發(fā)送器|Mc(f)| fsc1fsc2fscNBscNBsc2Bsc1Bf

3、0(b)組成信號的頻譜Receiver Bandpass filter,fsc1Bandpass filter,fsc2Bandpass filter,fscNDemodulator, fsc1Demodulator, fsc2Demodulator, fscNs(t)m1(t)m2(t)mN(t)(c)接收器在一個媒體上同時傳送三路語音信號|Mi(f)| f(Hz)03003400 4000646068f(kHz)f(kHz)Upper sidebandLower sideband60646872Lower sideband,Ssc1(t)Lower sideband,Ssc3(t)(a)M

4、i(f)的頻譜(b)fsc1=64kHz的頻譜(c)使用子載波64,68,72的合成信號頻譜 12 48kHz 60-108kHz 基群 基群 60 240kHz 312-552kHz 超群 超群 (5*12) (5*48) 300 1.232MHz 812-2044kHz 主群 (5*60) (5*240+4*8) 600 2.52MHz 564-3084kHz 主群北美及國際FDM載波標準語音 信道數(shù) 帶寬 頻譜 AT&T CCITTf12=108f11=104f2=68f1=64f5=552f4=504f3=456f2=408f1=360f5=2044f4=1804f3=1556f2=1

5、308f1=10602#1#11#12#語音輸入 子載波 帶寬0-4kHz CCITT的FDM層次結構60646468100104104108360312360408408456456504504552812106010601308130815561556180418042044基群超群主群5超群輸入到主群復合器 5基群輸入到超群復合器(TDM,Time Division Multiplexing) channel 1channel 4channel 2Time Frequency channel 1channel 2channel 3以時間作為分割信號的依據(jù)。它利用每個信號在時間上交叉，可在

6、一個傳輸通路上傳輸多個數(shù)字信號(或運載數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號)2.時分多路復用基帶傳輸技術 同步時分多路復用同步TDM的一般描述Buffer Buffer Buffer Modem Scanoperationm2(t)m1(t)mN(t)mc(t)s(t)(a)發(fā)送器1(b)TDM幀F(xiàn)rame 時間槽：空或滿Buffer Buffer Buffer mc(t)m1(t)m2(t)mN(t)Scanoperation(c)接收器23N1Frame 23N TDM的實質(zhì)m1(t)m2(t)mn(t)低通濾波低通濾波低通濾波m1(t)m2(t)mn(t) n路時分復用系統(tǒng)的關鍵收發(fā)端旋轉開關必須嚴格的同

7、步，即同頻同相，才能保證正常的通信。 利用了采樣原理。總時間T劃分的時間片數(shù)N = 復用器輸入端的低速線路數(shù)。 復用器輸出線路容量 復用器輸入線路容量例1. Bell系統(tǒng)的T1載波能處理復用在一起的24條話路。 使用了PCM和TDM技術。按照奈氏定理，每秒8000次對24路話音通道依次抽樣，產(chǎn)生7個數(shù)據(jù)位和1個控制位。 每條信道獲得 78000 56000bps 數(shù)據(jù)位 18000 8000bps 控制位每次抽樣還有一附加位(用于幀同步)。T1載波的總數(shù)據(jù)率 24560002480008000 = 1.544Mbps 每幀包含：2481(附加位)193比特 其中第193位用于幀同步(01010

8、101)一邊是一組I/O線路另一邊是一條高速復用線路每條I/O線路有一緩沖區(qū)對于n條I/O線路在TDM幀中只有k個時間槽可用3. 統(tǒng)計時分多路復用 異步TDM(統(tǒng)計TDM) 動態(tài)地按照需要來分配時隙的多路復用方式。 工作原理輸出線路容量 輸入線路容量即低速線路數(shù)n 高速線路的時隙數(shù)k輸出時，多路復用器接收一幀，將各時間槽的數(shù)據(jù)分發(fā)到相應的輸出緩沖區(qū)。輸入時多路復用器的功能是掃描輸入緩沖區(qū)收集數(shù)據(jù)直到一幀為滿，就發(fā)送出去。 統(tǒng)計TDM與同步TDM比較ABCD Users t0 t1 t2 t3 t4 A1C1B1D1A2B2C2D2同步TDMA1A2C2First cycleSecond cyc

9、leB1B2C2統(tǒng)計TDM額外的可用帶寬First cycleSecond cycleTo remote computer每個時隙不但要傳送數(shù)據(jù)，同時還要傳送相應的地址信息，每個時隙會有一定的開銷。FLAGFLAGAddressControlStatistical TDMsub frameFCS 統(tǒng)計TDM的幀AddressData AddressLength Data AddressLength Data (a) 每一幀只有一個源(b) 每一幀具有多個源 統(tǒng)計TDM的關鍵四、波分多路復用 (WDM,Wavelength division multiplexing) 頻分多路復用在光纖信道的使

10、用。 相同于電子FDM。衍射光柵是完全無源的，因而可靠性高。光纖到樓雙向同時(two-way simultaneous)。二、同步技術1.信道通信方式 單工通信(Simplex)在任何時候只允許按照一個方向傳輸信息。 半雙工通信(Half-deplex)通信雙方可交替地向對方傳輸信息，但任何時候只允許在一個方向上傳輸。雙向交替(two-way alternate) 全雙工通信(Full-deplex)允許在兩個方向同時傳送信息。數(shù)據(jù)的每一位分別在不同的并行信道上同時傳輸。即一組二進制位同時在一根電纜的一束線路上并行傳輸。Sender Receiver Data line 優(yōu)點：傳輸速率高 缺點

11、：采用多條線路成本高2.并行傳輸和串行傳輸 并行傳輸方式1001構成數(shù)據(jù)代碼的若干位串行排列成數(shù)據(jù)流，在一條信道上傳輸。同步問題Sender Receiver Data line 串行傳輸方式優(yōu)點：成本低，長距離傳輸時比并行傳輸更可靠。缺點：要解決同步問題，速率低接收方如何在到達的數(shù)據(jù)流中正確地區(qū)分出發(fā)送端所發(fā)出的一個個代碼。1001為了保證接收端能以與發(fā)送端相同的速率逐一地接收數(shù)據(jù)，必須要知道每一位的起止時刻，并正確地識別出每一個位，從而才能對解調(diào)后的位序列中的每一位進行取樣和判決，得出正確的結果。3.同步技術 載波同步在調(diào)制解調(diào)中，接收端需要一個與發(fā)送端載波同頻同相的相干載波，參與解調(diào)工作

12、，才能將數(shù)據(jù)從已調(diào)信號中恢復出來。 位同步區(qū)分每個完整的信號塊或幀(報文)的開始和結束位。要求接收端能產(chǎn)生與發(fā)送端幀保持同步的定時脈沖。 幀同步為了使數(shù)字信號能在各交換點正確地進行轉接或交換，就要求通信網(wǎng)內(nèi)各交換轉接點的時鐘頻率和相位的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。 網(wǎng)同步 位同步在接收端設法產(chǎn)生一個與發(fā)送端發(fā)送來的位速率相同且在時間上對準最佳判決點的定時脈沖序列。外同步法它要求在發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也發(fā)送位定時信息。 開辟專門的傳輸位定時信息的信道在發(fā)送的數(shù)據(jù)中疊加上位定時信息。使得不包含位定時信號的位序列中也有定時信息的成份。把接收解調(diào)后的基帶信號從不歸零波形變換成歸零形式的二進制信號，使得信號的頻譜中出現(xiàn)位

13、定時信號的頻譜分量。整形(限幅)微分整流(全波)整形(展寬)e1(t)e2(t)e3(t)e4(t)e5(t) (a)變換的工作過程窄帶濾波移相脈沖形成準定時脈沖位定時脈沖(b)用濾波方法獲得位定時脈沖要求接收端直接從接收的數(shù)字信號中提取出位定時信號。自同步法ttttte1(t)e2(t)e3(t)e4(t)e5(t) (c)波形變換過程 幀幀同步同步字符法及標志法起止同步法對所接收的位序列進行檢測，正確找出幀的開始與結束。 幀同步通常把專門格式的數(shù)據(jù)塊稱為“幀”。 幀同步的主要方法同步傳輸異步傳輸同步傳輸方式與異步傳輸方式的區(qū)別4.同步通信與異步通信取決于發(fā)送和接收設備的時鐘是獨立的（異步）

14、，還是同步的。異步傳輸每個字符獨立傳輸，收方在收到每一個新字符的開始位后重新同步。 工作方式不發(fā)送長的無間斷的位流以避免時鐘問題；一次只發(fā)送一個字符，每個字符5至8位長。通過起始和結束碼在每個字符內(nèi)維持時鐘和同步； 接收端有機會在下個字符的開始時重新同步。5-8 數(shù)據(jù)位起始位奇、偶或沒用1-2位、時間停止10保持空閑或下一個起始位(a)字符格式1 1 1 1 0 0 0 11 1 0 1 0 0 1 1起始位停止位(b)8位異步字符流兩個字符之間不可預測的時間間隔線路空閑狀態(tài)起始位停止位接收器檢測新字符的開始每位中心抽樣A 1 0 0 0 0 0 1 0B 1 0 0 0 0 1 0 0C 1

15、 0 0 0 0 1 1 1 起始位 停止位起始位 停止位起始位 停止位，線路空閑0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1例如：假設停止位長度為1位時間，要發(fā)送ASCII字符串ABC。b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 Parity按照發(fā)送原則，從最低有效位開始，那么 A：10000010 B：01000010 C：11000011發(fā)送模式(增加起始位和停止位)：接收端的同步是利用起始位的從1到0的固定躍變，啟動內(nèi)部的時鐘電路，然后對各個位依次抽樣判決而取得同步的。字符之間的不確定方式起始位

16、停止位停止位停止位起始位起始位同步原理 優(yōu)點 實現(xiàn)簡單，無需預先建立系統(tǒng)的同步； 缺點 傳輸效率低12345678StopStart 0 100 200 300 400 500 600 700 800 93 186 279 372 465 558 651 744數(shù)據(jù)率為10000bps，每一位時間長0.1毫秒(100微秒)。如果接收端慢7，即每位差7微秒。則接收器每隔93us(基于發(fā)送器的時鐘)對入境字符取樣。 異步傳輸適用于傳輸速率不高，特別是交互會話式的通信系統(tǒng)。發(fā)送端時鐘接收端時鐘假設：最后一個樣值出錯 防止發(fā)送器和接收器之間時間漂移方式同步傳輸大量的位以穩(wěn)定流發(fā)送，沒有起始位也沒有停止

17、位。發(fā)送器和接收器必須同步它們的時鐘才能使接收器知道新字節(jié)的開始。在發(fā)送器和接收器之間提供單獨的時鐘線將時鐘信息嵌入到數(shù)據(jù)信號中 同步傳輸中的另一級同步 使接收器確定一塊數(shù)據(jù)的開始和結束。同步傳輸以固定的時鐘節(jié)拍來發(fā)送數(shù)據(jù)信號，字符間無間隙。每個比特與時鐘信號嚴格一一對應。preamblepostambledata 同步通信的分類面向字節(jié)協(xié)議采用ASCII字符(如SYN，SOH及ETX)來控制數(shù)據(jù)塊的傳輸。面向比特協(xié)議以一個穩(wěn)定的位流來傳輸數(shù)據(jù)。采用一個特殊的標志01111110來定界幀。數(shù)據(jù)塊(幀)： 數(shù)據(jù)前后同步碼控制信息首先，接收端要從接收到的數(shù)據(jù)流中正確區(qū)分每個比特，即位同步。然后，在

18、位同步的基礎上實現(xiàn)幀同步。發(fā)送器在每個字符塊之前插入兩個或多個控制字符 面向字節(jié)協(xié)議數(shù)據(jù)塊以字符方式(通常為ASCII)出現(xiàn)；幀中的所有附加信息也為字符形式。每一塊用一起始標志來達到同步。主要用來同步字符塊接收器通過檢測SYN來識別一幀的開始同步空閑或SYN字符由IBM在60年代開發(fā)，曾用在DECnet的DDCMP和ARPANET的IMPIMP上。SYNSYNSOHheaderSTXdataETXCRC.ETX DLE.ETX或DLE可出現(xiàn)在數(shù)據(jù)部分.DLEETX DLEDLE.用DLE封裝ETX（字節(jié)填充技術）用DLE封裝ETX例：BISYNC（Binary Synchronous Protocol）采用多個同步符作為幀的起始標志。開始時可能出現(xiàn)誤同步。傳輸時低位在前，高位在后。1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 幀開始隨機比特SYNSYNSOHSYN附：ASCII傳輸控制字符SOH：標題開始。指示標題的開始。 標題信息包括地址、序號，類型等。STX：正文開始。指示數(shù)據(jù)正文由此開始ETX：正文結束，指示數(shù)據(jù)正文到此結束DLE：數(shù)據(jù)鏈轉義，通常在DLE后跟一兩個非控 制字符共同組成“轉義序列