数字通信原理与技术-第三版-王兴亮-第4章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章多路复用与数字复接,第,4,章 多路复用与数字复接,4.1,频分多路复用,(FDM),4.2,正交频分复用,(OFDM),4.3,时分多路复用,(TDM),4.4,波分多路复用,(WDM),4.5,码分多路复用,(CDM),4.6,多址通信技术,4.1,频分多路复用（,FDM,）,4.1.1,直接法,FDM,当复用的路数不是很大时可用直接法实现,FDM,。,频分多路复用是指将多路信号按频率的不同进行复接并传输的方法。在频分多路复用中，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原始信号，这个过程就是多路信,号复接和分接的过程。,图,4-1,(a),是频分多路复用的系统原理框图。设有,N,路相似的消息信号,f,1,(,t,),，,f,2,(,t,),，,，,f,N,(,t,),，,各消息的频谱范围为,W,m,。由系统框图可见，在系统的输入端，首先要将各消息复接，各路输入信号先通过低通滤波器,(,LPF),以消除信号中的高频成分，使之变为带限信号。然后将这一带限信号分别对不同频率的载波进行调制，,N,路载波,c1,，,c2,，,，,cN,，,称为副载波。若输入信号是模拟信号，则调制方式可以是,DSB-SC,、,AM,、,SSB,、,VSB,或,FM,，,其中,SSB,方式频带利用率最高，若输入信号是数字信号，则调制方式可以是,ASK,、,FSK,、,PSK,等各种数字调制。,图,4,1,直接法,FDM,系统的原理图及频谱图,(a),系统原理框图；,(b),频谱图,在某些信道中，总信号,f,s,(,t,),可以直接在信道中传输，这时所需的最小带宽为,W,SSB,=,NW,m,+(N-1),W,g,=,W,m,+(,N,-,),W,s,在无线信道中，如采用微波频分复用线路，总信号,f,s,(,t,),还必须经过二次调制，这时所使用的主载波,a,要比副载波,c,N,高得多。最后，系统把载波为,a,的已调波信号送入信道发送出去。主载波调制器,MOD,可以采用任意调制方式，视系统的具体情况而定，通常采用调频,(,FM),方式。,在接收端，基本处理过程恰好相反。如果总信号是通过特定信道无主载波调制的，则直接经各路带通滤波器,BPF,滤出相应的支路信号，然后通过副载波解调，送低通滤波器得到各路原始消息信号；如果总信号是经过主载波调制后送到信道的，则先要用主解调器,DEM,把包括各路信号在内的总信号从载波,a,上解调下来，然后就像上述无主载波调制信号一样将总信号送入各路带通滤波器，完成原始信号的恢复。,频分多路复用就是利用各路信号在频域上互不重叠来区分的，复用路数的多少主要取决于允许的带宽和费用，传输的路数越多，则信号传输的有效性越高。,频分复用的优点是复用路数多，分路方便；多路信号可同时在信道中传输，节省功率，当,N,路话音信号进行复用时，总功率不是单个消息所需功率的,N,倍，而是 倍。频分复用多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广泛。,频分复用的缺点是设备庞大、复杂，路间不可避免地会出现干扰，这是由系统中非线性因素引起的。,4.1.2,复级法,FDM,当复用路数很大时，可以采用复级法实现,FDM,，,通常利用多级调制产生合成信号,f,s,(,t,),。,考虑两级调制，若将,N,个信号分成,m,个组，每组由,n,路单边带信号组成，每路调制在一个副载波上，则各组的副载波应当相同，显然，这时选择的,mn,N,。,具有相同频谱宽度的,m,个已调信号再进行第二次单边带调制，所用的,m,个主载波为,a1,a2,am,，,这些载波间隔应大于,nW,m,。,最后将,m,组单边带信号合成为总信号,f,s,(,t,),送入信道传输。,复级法,FDM,的系统原理框图及频谱图如图,4-2(,a,),、,(,b,),所示。,图,4-2,复级法,FDM,的系统原理框图及频谱图,(a),系统原理框图；,(,b),频谱图,将直接法和复接法进行比较可知，两者最大容量均为,N=,mn,，,但所用的载波数不同，直接法所用的载波数为,mn,，,而复接法为,(,m,+,n,),，,故可节约载波数为,(,mn,-m-n,),。,在两级复用系统中，复级法需要,(,mn,+m,),个调制器，而直接法需要,mn,个，两级复用比单级多用,m,个调制器。,实际的多路载波电话系统采用多级调制、分层结构形式，图,4-3,给出了实际系统的框图和频谱结构图。,图,4-3,多路载波电话系统的组成及频谱结构图,(a),多路载波电话系统原理框图；,(,b),话音信号基带频谱图；,(c),基群信号的频谱配置；,(,d),超群信号的频谱配置,图,4-3,多路载波电话系统的组成及频谱结构图,(a),多路载波电话系统原理框图；,(,b),话音信号基带频谱图；,(c),基群信号的频谱配置；,(,d),超群信号的频谱配置,图,4-3,多路载波电话系统的组成及频谱结构图,(a),多路载波电话系统原理框图；,(,b),话音信号基带频谱图；,(c),基群信号的频谱配置；,(,d),超群信号的频谱配置,由此可见，第一次复用是将,12,路话音信号合成为一个基群；第二次调制是将个基群复用为一个超群，共,60,路电话；第三次再将,10,路超群复用为一个主群，共,600,路电话。如果需要更多的电话，可以将多个主群再进行复用，组成超主群或者巨群。每路电话信号的频率范围应在,300,3400Hz,，为了在各路已调信号间留有保护间隔，每路电话信号取,4000Hz,作为标准带宽。图,4,3(a),是多路载波电话系统原理框图；,4,3(b),是话音信号基带频谱。,一个超群由,5,个基群复用而成，共,60,路电话，调制时所有主载波为,f,am,=372+48m,，,m,=1,，,2,，,，,5,。,同样选用单边带下边带调制，经滤波后复接成一个超群，频率范围为,312,552,kHz,，,共,240,kHz,带宽。若采用单边带上边带调制，则频率范围为,60,300,kHz,。,一个主群由,10,个超群复用而成，共,600,路电话。主群频率配置方式共有两种标准，,L600,和,U600,，,其频谱配置如图,5-4,所示。,L600,的频率为,60,2788,kHz,，,U600,的频率范围为,564,3084,kHz,。,图,4-4,主群频谱配置图,(a)L600,主群频谱配置图；,(,b)U600,主群频谱配置图,调频立体声广播系统就是一个典型的采用,FDM,方式实现立体声广播的例子，其发送端原理框图如图,5-5,（,a,）,所示。,假设,m,1,(,t,),、,m,2,(,t,),为带宽相同的左右两路声道基带信号，其频谱结构如图,5,5(,b,),所示，系统以,19,kHz,的单频信号作为导频插入发射信号之中，以便于在接收端提取相干载波和立体声指示，调频立体声广播系统占用频段为,88,108,MHz,。,在调频之前，首先采用抑制载波双边带调制将左右两个声道信号之差,m,1,(,t,),m,2,(,t,),(,t,),与左右两个声道信号之和,m,1,(,t,),m,2,(,t,),实行频分复用。复用后的立体声信号频谱结构,如图,4-5(c,),所示。,图,4-5,中，,0,15,kHz,用于传送,m,1,(,t,),m,2,(,t,),信号，,23,53,kHz,用于传送,m,1,(,t,),m,2,(,t,),(,t,),信号，,19,kHz,就是单一频率的导频信号。,在接收端为了恢复出相应的左、右声道信号,m,1,(,t,),和,m,2,(,t,),，,就要采取相应的解调,和分接处理。,接收端框图如图,4-5(d,),所示。,图,4-5,调频立体声系统原理框图,(a),发送端框图；,(,b),基带信号频谱；,(,c),复用信号频谱；,(,d),接收端框图,图,4-5,调频立体声系统原理框图,(a),发送端框图；,(,b),基带信号频谱；,(,c),复用信号频谱；,(,d),接收端框图,4.2,正交频分复用,(,OFDM),克服衰落的途径很多。在移动通信中，为克服角度扩散引起的空间选择性衰落而采用分集接收技术；为克服多普勒频率扩散引起的时间选择性衰落而采用信道交织编码技术；为克服多径传播的时延功率谱的扩散引起的频率选择性衰落而采用,Rake,接收技术。除此之外，采用多载波传输的方式来研究如何克服多径效应引起的时延功率谱的扩散而带来的频率选择性衰落更有意义，这种方法是将高速串行数据分解为多个并行的低速数据后采用多载波,FDM,方式传输的。经过串,/,并变换后,每路数据码元宽度加长，从而减少了码间串扰的影响，又由于每路采用窄带调制，可减少频率选择性衰落的影响。如果采用正交函数序列作为副载波，可使载波间隔达到最小，从而提高频带利用率，这就是所谓的正交频分复用,(,OFDM),。,图,5,6,示出了单载波调制、,FDM,及,OFDM,三种方式的比较。,图,4-6,单载波调制、,FDM,、,OFDM,三种方式的比较,4.2.1,OFDM,的基本原理,由上述内容可知，将高速串行数据变换为低速并行数据后，再将这些并行数据用正交的副载波进行调制，然后按,FDM,复用原理进行复用，便可得到,OFDM,信号。,OFDM,的时域原理框图,如图,4-7,所示。,图,4-7,OFDM,的时域原理框图,由图,4-7,可见，,1,，,2,，,，,N,是输入端高速串行信息数据码元，,S/P,是串,/,并变换单元，,f,1,，,f,2,，,f,N,是,N,个正交副载波，并行码元经正交副载波调制后，在时域波上相加合并发送至信道。,T,s,是串行码元的周期，,T,p,是发送的并行码元的周期，一般有,T,p,NT,s,，,N,是给定信号带宽,B,中所送用的副载波数。,N,越大，实际发送的并行码元信号周期,T,p,NT,s,就越长，抗码间串扰,(,ISI),的能力也就越强，同时，,OFDM,信号的功率谱也就越逼近于理想低通特性。,4.2.2,基于,FFT,的,OFDM,系统组成,图,4-8,是基于,FFT,的,FDM,系统组成框图。,OFDM,单个频谱是一个非带限的,Sa(,x,),函数，用离散傅氏变换,DFT,调制、解调并行数据，即用高效的快速傅氏变换,FFT,实现传输和接收，将,DFT,运算量从,N,2,降为,N,lb,N,，,N,为信道数目。由图,4-8,可知，输入的高速串行数据先进行串,/,并变换，以,x,比特分组成复数，,x,的大小取决于对应的副载波的星座图，如,16,QAM,中的,x,=4,。,复数通过快速傅氏反变换,(,IFFT),以基带形式被调制，再变换为串行数据传输。插入保护间隔的目的是避免多径失真产生的码间串扰,ISI,。,最后经过,D/A,变换，低通滤波,LPF,，,上变频送入信道。,接收端完成与发送端相反的处理，可用均衡器校正信道的失真，均衡滤波器的抽头系数可,根据信道信息来计算。,图,4-8,基于,FDM,系统组成框图,并行数据序列,d,0,，,d,1,，,，,d,N,-1,中的每个,d,n,是一个复数,d,n,=,a,n,+,jb,n,，,经过傅氏反变换后得到复数矢量,D,=(,D,0,，,D,1,，,，,D,N,-1,),，,即,(,m,=0,1,N,-1),（,4-2,）,式中，,f,n,=,n,/(,N,t,),；,t,m,=,mt,，,t,是数据序列,d,n,任选的码元宽度。矢量,D,的实数部分为,(,m,=0,1,N,-1),（,4-3,）,若在时间间隔,t,内通过低通滤波器，得到的信号十分接近频分复用信号,(0,t,N,t,),（,4-4,）,图,4-9,是一个具有保护间隔的,OFDM,信号的时域和频域示意图。适当选择载波间隔，使,OFDM,信号的频谱是平坦的，且能保证子信道间,的正交性。,图,4-9,具有保护间隔的,OFDM,的时域和频域示意图,由于实际信道总是存在许多干扰，如随机噪声、脉冲噪声、多径失真、衰落等，这些都会对接收信号产生影响。又因为,OFDM,信号频谱不是严格带限的抽样函数，线性失真将会导致每个子信道的能量扩散到邻近信道，从而引起码间串扰，也就不能保证信道的正交性，接收机就很难用,FFT,将每个子信道彻底分离。,克服上述码间串扰的一个简单办法就是增大信号周期或增加副载波数目，使信号失真降低，但是要兼顾载波的稳定性、多普勒频移、,FFT,的规模以及时延等问题，就显得很难实,现。,由于,OFDM,中各载波的幅度服从瑞利分布，各子载波在频域的位置不同，因而所带来的衰落程度也不相同。,OFDM,可以很好地解决多径环境中的频率选择性衰落的问题，但其本身不能抑制衰落，为了在信道编码中进一步保护传输数据，可采用编码正交频分复用,COFDM,技术。图,4-,10,是,COFDM,高清晰度电视传输系统框图。,图,4-10,COFDM,高清晰度电视传输系统框图,系统中使用了级连纠错码来消除误码，外码为,RS,纠错码，内码为网格编码调制,TCM,中的卷积码。,TCM,将卷积码和调制结合为一体，在所有信道编码技术中，它结合频率和时间交织，是一种有效对付信道平坦性衰落的最佳途径，在白噪声环境下可比传统技术的误码性能提高,8,dB,。,通过上述的论述，我们可以看出,OFDM,的主要优缺点如下：,主要优点有：,(1),经串,/,并变换，大大降低了符号速率，同时插入了保护间隔，几乎全部消除了符号间的串扰。,(2),在带宽受限系统中的低符号速率传输，只需采用简单均衡就可以达到很好的性能，而,传统单载波则需要采用很复杂的接收技术。,主要缺点有：,(1),由于保护间隔的插入将带来功率与信息在速率上的损失。,(2),多载波系统对频率和定时同步的要求更加严格，同步误差会导致系统性能的迅速恶化。,(3),因,OFDM,符号是许多独立信号的叠加结果，其包络遵从高斯分布，因此其峰值功率与平均功率的比值较大，并导致对系统前端放大器的线性范围要求增加。,OFDM/COFDM,的应用日益广泛，已经成功地应用于接入网中的高速数字环路（,HDSL,）、,非对称数字环路（,ADSL,）、,数字音频广播,(,DAB),、高清晰度电视（,HDTV,）,的地面广播系统和高速,移动通信领域等通信系统之中。,4.3,时分多路复用（,TDM,）,4.3.1,TDM,基本原理,在模拟信号的数字传输中，抽样定律告诉我们，一个频带限制在,0,到,f,x,以内的低通模拟信号,x,(,t,),，,可以用时间上离散的抽样值来传输，抽样值中包含有,x,(,t,),的全部信息，当抽样频率,f,s,2,f,x,时，可以从已抽样的输出信号中用一个带宽为,f,x,B,f,s,-,f,x,的理想低通滤波器不失真地恢复出原始信号。,由于单路抽样信号在时间上离散的相邻脉冲间有很大的空隙，在空隙中插入若干路其他抽样信号，只要各路抽样信号在时间上不重叠并能区分开，那么一个信道就有可能同时传输多路信号，达到多路复用的目的。这种多路复用称为时分多路复用（,TDM,）。,下面以,PAM,为例说明,TDM,原理。,假设有,N,路,PAM,信号进行时分多路复用，系统框图如图,4-11,所示。各路信号首先通过相应的低通滤波器,(,LPF),使之变为带限信号，然后送到抽样电子开关，电子开关以每,T,s,秒将各路信号依次抽样一次，这样,N,个样值按先后顺序错开插入抽样间隔,T,s,之内，最后得到复用信号是,N,个抽样信号之和，如图,4-11(e,),所示。各路信号脉冲间隔为,T,s,，,各路复用信号脉冲的间隔为,T,s,/,N,。,由各个消息构成单一抽样的一组脉冲叫做一帧，一帧中相邻两个脉冲之间的时间间,隔叫做时隙，未被抽样脉冲占用的时隙叫做保护时间。,图,4-11,TDM,系统框图及波形,(a)TDM,系统框图；,(,b),第,1,路抽样信号；,(c),第,2,路抽样信号；,(,d),N,路,PAM,信号,FDM,波形,4.3.2,TDM,信号的带宽及相关问题,1.,抽样速率,f,s,、,抽样脉冲宽度,和复用路数,N,的关系,按照抽样定理，抽样速率,f,s,2,f,x,，,以话音信号,x,(,t,),为例，通常取,f,s,为,8,kHz,，,即抽样周期,T,s,=125,s,，,抽样脉冲的宽度,要比,125,s,还小。,对于,N,路时分复用信号，在抽样周期,T,s,内要顺序地插入,N,路抽样脉冲，而且各个脉冲间要留出一些空隙作保护时间，若取保护时间,t,g,和抽样脉冲宽度,相等，这样抽样脉冲的宽度,=T,s,/2,N,，,N,越大，,就越小，但,不能太小。因此，时分复用的路数也不能太大。,2.,信号带宽,B,与路数,N,的关系,时分复用信号的带宽有不同的含义。一种是信号本身具有的带宽，从理论上讲，,TDM,信号是一个窄脉冲序列，它应具有无穷大的带宽，但其频谱的主要能量集中在,0,1/,以内。因,此，,从传输主要能量的观点考虑,(4-5),从另一方面考虑，如果我们不是传输复用信号的主要能量，也不要求脉冲序列的波形不失真，只要求传输抽样脉冲序列的包络，因为抽样脉冲的信息携带在幅度上，所以，只要幅,度信息没有损失，那么脉冲形状的失真就无关紧要。,根据抽样定律，一个频带限制在,f,x,的信号，只要有,f,x,个,独立的信息抽样值，就可用带宽,B,=,f,x,的低通滤波器恢复原始信号。,N,个频带都是,f,x,的,复用信号，它们的独立对应值为,2,Nf,x,=,Nf,s,。,如果将信道表示为一个理想的低通滤波器，为了防止组合波形丢失信息，传输带宽必须满足,上式表明，,N,路信号时分复用时每秒,Nf,x,中的信息可以在,Nf,s,/2,的带宽内传输。总的来说，带宽,B,与,Nf,s,成,正比。对于话音信号，抽样速率,f,s,一般取,8,kHz,，,因此，路数,N,越大，带宽,B,就越大。,(4-6),3.,时分复用信号仍然是基带信号,时分复用后得到的总和信号仍然是基带信号，只不过这个总和信号的脉冲速率是单路抽样,信号的,N,倍，,即,(4-7),这个信号可以通过基带传输系统直接传输，也可以经过频带调制后在频带传输信道中,进行传输。,4.,时分复用系统必须严格同步,在,TDM,系统中，发送端的转换开关与接收端的分路开关要严格同步，否则系统就会出,现紊乱。实现同步的方法与脉冲调制的方式有关，,具体方法详见第,8,章相关内容。,4.3.3,TDM,与,FDM,的比较,1.,关于复用原理,FDM,是用频率来区分同一信道上同时传输的信号，各信号在频域上是分开的，而在时域上是混叠在一起的。,TDM,是在时间上区分同一信道上依次传输的信号，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠在一起的。,FDM,与,TDM,各路信号在频谱和时间上的特性比较如图,4-12,所示。,图,4-12,FDM,与,TDM,特性比较,（,a,）,FDM,；,(b)TDM,2.,关于设备复杂性,就复用部分而言，,FDM,设备相对简单，,TDM,设备较为复杂；就分路部分而言，,TDM,信号的复用和分路都是采用数字电路来实现的，通用性和一致性较好，比,FDM,的模拟滤波器分路简单、可靠，而且,TDM,中的所有滤波器都是相同的滤波器。,FDM,中要用到不同的载波和不同的带通滤波器，因而滤波设备相对复杂。,总的比较，,TDM,的设备要简单些。,3.,关于信号间干扰,在,FDM,系统中，信道的非线性会在系统中产生交调失真和高次谐波，引起话间串扰，因此，,FDM,对线性的要求比单路通信时要严格得多；在,TDM,系统中，多路信号在时间上是分开的，因此,对线性的要求与单路通信时的一样，对信道的非线性失真要求可降低，系统中各路间串,话比,FDM,的要小。,4.,关于传输带宽,从前面关于,FDM,及,TDM,对信道传输带宽的分析可知，两种系统的带宽是一样的，,N,路复用时对信道带宽的要求都是单路的,N,倍。,码分复用（,CDM,）,不同于,FDM,和,TDM,，,FDM,中不同信息所用的频率是不同的，,TDM,中不同信息是用不同时隙来区分的，而,CDM,中各路信息是用各自不同的编码序列来区分的，它们均占有,相同的频段和时间。,4.3.4,时分复用的,PCM,系统,PCM,和,PAM,的区别在于,PCM,要在,PAM,的基础上经过量化和编码，把,PAM,中的一个抽样值量化后,编为,k,位二进制代码。图,4-13,表示一个只有,3,路,PCM,复用的方框图。,图,4-13,TDM,PCM,方框图,(a),发送端方框图；,(,b),接收端方框图,4.3.5,PCM 30/32,路典型终端设备介绍,1.,基本特性,话路数目：,30,。,抽样频率：,8 kHz,。,压扩特性：,A=87.6/13,折线压扩律，编码位数,k,=8,，采用逐次比较型编码器，其输出为折叠二进制码。,每帧时隙数：,32,。,总数码率：,8328000=2048,kb/s,。,2.,帧与复帧结构,帧与复帧结构见图,4-14,。,(1),时隙分配。在,PCM30/32,路的制式中，抽样周期为,1/8000=125,s,，,它被称为一个帧周期，即,125,s,为一帧。一帧内要时分复用,32,路，每路占用的时隙为,125/32=3.9,s,，,称为,1,个时隙。因此一帧有,32,个时隙，按顺序编号为,T,S,0,、,T,S,1,、,、,TS,31,。,时隙的使用分配为,TS,1,TS,15,、,TS,17,TS,31,为,30,个话路时隙。,TS,0,为帧同步码，监视码时隙。,TS,16,为信令,(,振铃、,占线、摘机,等各种标志信号,),时隙。,(2),话路比特的安排。每个话路时隙内要将样值编为,8,位二元码，每个码元占,3.9,s/8=488 ns,，,称为,1,比特，编号为,1,8,。第,1,比特为极性码，第,2,4,比特为段落码，第,5,8,比,特为段内码。,(3),TS,0,时隙比特分配。为了使收发两端严格同步，每帧都要传送一组特定标志的帧同步码组或监视码组。帧同步码组为,“,0011011,”,，占用偶帧,TS,0,的第,2,8,码位。第,1,比特供国际通信用，不使用时发送,“,1,”,码。奇帧比特分配为第,3,位为帧失步告警用，以,A,1,表示。同步时送,“,0,”,码，失步时送,“,1,”,码。为避免奇帧,TS,0,的第,2,8,码位出现假同步码组，第,2,位码规定为监视码，固定为,“,1,”,，第,4,8,位码为国内通信用，目前暂定为,“,1,”,。,(4),TS,16,时隙的比特分配。若将,TS,16,时隙的码位按时间顺序分配给各话路传送信令，需要用,16,帧组成一个复帧，分别用,F,0,、,F,1,、,、,F,15,表示，复帧周期为,2,ms,，,复帧频率为,500,Hz,。,复帧中各子帧的,TS,16,分配为：,F,0,帧：,1,4,码位传送复帧同步信号,“,0000,”,；第,6,码位传送复帧失步对局告警信号,A,2,，,同步为,“,0,”,，失步为,“,1,”,。,5,、,7,、,8,码位传送,“,1,”,码。,F,1,F,15,各帧的,TS,16,前,4,比特传,115,话路信令信号，后,4,比特传,16,30,话路,的信令信号。,图,-14,帧与复帧结构,3.,PCM 30/32,路设备方框图,图,4-15,给出了,PCM30/32,路设备方框图。它是按群路编译码方式画出的。基本工作过程是将,30,路抽样序列合成后再由一个编码器进行编码。由于大规模集成电路的发展，编码和译码可做在一个芯片上，称单路编译码器。目前厂家生产的,PCM 30/32,路系统几乎都是单路编译码器构成的，这时每话路的相应样值各自编成,8,位码以后再合成总的话音码流，然后再与帧同步码和信令码汇总，经码型变换后再发送出去。单路编译码片构成的,PCM 30/32,路方框图见图,4-16,。,图,4-15 PCM30/32,路设备方框图,图,4-16,单路编译码片构成的,PCM30/32,路方框图,4.3.6,统计时分多路复用,(STDM),1.,字符交织,STDM,图,4,17,所示为字符交织,STDM,原理图。它是按照字符为单位进行处理的,来自低速信道的字符数据,经压缩编码后送到数据缓存器,然后放入虚拟信道存储器,最后根据帧存信道器的动态空闲情况,将存储器的字符交织到集合信道中。,图,4,17,字符交织,STDM,原理图,2.,比特交织,STDM,比特交织是按照比特信息进行处理的。在比特交织,STDM,中,比特时隙只分配给那些正在工作的用户。,TDM,与,STDM,的差别如图,4,18,所示。从图中可以看到,当采用,TDM,方式时,在第一个扫描周期中的,C1,、,D1,时隙,第二个扫描周期中的,A2,时隙,第三个扫描周期中的,A3,、,B3,、,C3,时隙,这,6,个时隙没有数据传递,但仍然被占用。按照时间展开示意图如图,4,18(a),所示。,对于,STDM,方式,由于它是按照需要分配时隙的,所以没有浪费时隙出现,STDM,方式按照时间展开示意图如图,4,18(b),所示。,统计时分复用系统线路传输的利用率高,特别适合于计算机通信中突发性或间断性的数据传输。,图,4,18,TDM,与,STDM,的基本差别示意图,(a),四路数据结构,;(b)TDM,结构,;(c)STDM,结构,4.4,波分多路复用,(WDM),波分多路复用,(WDM,WavelengthDivisionMultiplexing),就是光的频分复用,或者说是在光纤通道上的频分多路复用技术。,WDM,在一根光纤中同时传输多个波长光信号。在发送端,WDM,将不同波长的信号复用起来,送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输,在接收端又将复用的光信号解复用,恢复出原信号后送入不同的终端。一般载波间隔比较小时,(,小于,1nm),称为频分复用,载波间隔比较大时,(,大于,1nm),称为波分复用。当相邻两个峰值波长间隔比较大,即波长的间隔在,50,100nm,的系统,称为,WDM,系统,;,相邻两个峰值波长间隔比较小,即波长的间隔在,1,10nm,的系统,称为密集的波分复用,(DenseWDM,或,DWDM),系统。,WDM,系统的主要特点是,:,(1),可以充分利用光纤的巨大带宽资源,使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍,使,N,个波长复用起来在单模光纤中传输,在大容量长途传输时可以大量节约光纤。另外,对于早期安装的芯数不多的光缆,芯数较少,利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容。,(2),波分复用器件,(,分波合波器,),具有方向的可逆性。由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立,因而可以传输特性完全不同的信号,完成各种电信业务信号的综合和分离,包括数字信号和模拟信号,以及,PDH,信号和,SDH,信号的综合与分离。,(3),波分复用通道对数据格式是透明的,即与信号速率及电调制方式无关。一个,WDM,系统可以承载多种格式的“业务”信号,如,ATM,、,IP,或者将来有可能出现的信号。,WDM,系统完成的是透明传输,对于“业务”层信号来说,WDM,的每个波长就像“虚拟”的光纤一样,在使用上具有很大的方便和灵活性。,在网络扩充和发展中,WDM,是理想的扩容手段,也是引入宽带新业务,(,例如,CATV,、,HDTV,和,B,ISDN,等,),的方便手段,增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量。利用,WDM,技术选路来实现网络交换和恢复,从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。光波分复用原理如图,4,19,所示。,图,4,19,光波分复用原理框图,(a),单向,WDM,系统,;(b),双向,WDM,系统,WDM,系统可以分为开放式,WDM,系统和集成式,WDM,系统。,集成式系统就是,SDH,终端设备具有满足,G.692,的光接口,:,标准的光波长、满足长距离传输的光源,(,又称彩色接口,),。这两项指标都是当前,SDH,系统不要求的。即把标准的光波长和长受限色散距离的光源集成在,SDH,系统中。整个系统构造比较简单,没有增加多余设备。但在接纳过去的老,SDH,系统时,还必须引入波长转换器,OTU,完成波长的转换,而且要求,SDH,与,WDM,为同一个厂商,这是因为在网络管理上很难实现,SDH,、,WDM,的彻底分开。集成式,WDM,系统如图,4,20,所示。,图,4,20,集成式,WDM,系统,开放式系统就是在波分复用器前加入,OTU(,波长转换器,),将,SDH,非规范的波长转换为标准波长。开放是指在同一,WDM,系统中,可以接入多家的,SDH,系统。,OTU,对输入端的信号没有要求,可以兼容任意厂家的,SDH,信号。,OTU,输出端满足,6.692,的光接口,:,标准的光波长、满足长距离传输的光源。具有,OTU,的,WDM,系统,不再要求,SDH,系统具有,G.692,接口,可继续使用符合,G.957,接口的,SDH,设备,;,可以接纳过去的,SDH,系统,实现不同厂家,SDH,系统工作在一个,WDM,系统内,但,OTU,的引入可能对系统性能带来一定的负面影响,;,开放的,WDM,系统适用于多厂家环境,彻底实现,SDH,与,WDM,分开。开放式,WDM,系统如图,4,21,所示。,图,4,21,开放式,WDM,系统,(,接收端的,OUT,是可选项,),波长转换器,OTU,器件的主要作用在把非标准的波长转换为,ITU,T,所规范的标准波长,以满足系统的波长兼容性。对于集成系统和开放系统的选取,运营者可以根据需要选择。在有,SDH,系统多厂商的地区,可以选择开放系统,而新建干线和,SDH,制式较少的地区,可以选择集成系统。但是现在,WDM,系统采用开放系统的越来越多。,WDM,技术充分利用了光纤的巨大带宽资源,使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。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。,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。,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。充分利用成熟的,TDM,技术,且对光纤色散无过高要求。,WDM,的信道对数据格式是透明的,是理想的扩容手段。可实现组网的灵活性、经济性和可靠性,并可组成全光网。,(4,8),p,(,x,y,),就是,x,与,y,的相关度。若,p,(,x,y,),0,则称两码组正交,;,若,p,(,x,y,)0,则称两码组准正交,;,若,p,(,x,y,),0,则称两码组超正交。,图,4,22,四路信号码分复用原理图,图中,d,1,d,4,为四路输入数据信号,;,W,1,W,4,为四个正交码组,;,a,1,a,4,为输入信号与各自正交码组相乘后得到的信号,;J,1,J,4,为恢复后的数据信号。信道中的多路复用信号为,(4,9),在接收端,第,j,路输出数据信号的恢复,可经过该路接收机的接收信号,e,与,W,k,相乘及求和后得到,(4,10),相当于恢复了第,j,个用户的原始数据。,在,CDM,系统中,各路信号在时域和频域上是重叠的,这时不能采用传统的滤波器,(,对,FDM,而言,),和选通门,(,对,TDM,而言,),来分离信号,而是用与发送信号相匹配的接收机通过相关检测才能正确接收。,码分复用除了可以采用正交码,还可以采用准正交码和超正交码,因为此时的邻路干扰很小,可以采用设置门限的方法来恢复出原始的数据。而且,为了提高系统的抗干扰能力,码分复用通常与扩频技术结合起来使用。,4.6,多址通信技术,4.6.1,频分多址,(FDMA),频分多址系统以频率作为用户信号的分割参量,它把系统可利用的无线频谱分成若干个互不交叠的频段,(,信道,),这些信道按照一定的规则分配给系统用户,一般是分配给每个用户一个唯一的频段,(,信道,),。在该用户通信的整个过程中,其他用户不能共享这一频段。当采用,FDD,双工技术时,分配给每个用户两个频段,(,信道,),其中频率较高的频段用作前向信道,频率较低的频段用作反向信道。在实际应用时,为了防止各用户信号相互干扰和因系统的频率漂移造成频段,(,信道,),之间的重叠,各用户频段,(,信道,),之间通常都要留有一段间隔频段,称为保护频段。,如果用频率,f,、时间,t,和代码,c,作为三维空间的三个坐标,则,FDMA,系统在这个坐标系中的位置如图,4,23,所示,它表示系统的每个用户由不同的频段所区分,但可以在同一时间、用同一代码进行通信。,图,4,23,频分多址工作方式,FDMA,系统有以下特点,:,(1)FDMA,系统的信道上每次只能传送一路电话,也就是不能同时传送多路电话。,(2),如果一个,FDMA,信道没有被使用,那么它就处于空闲状态,并且不能被其他用户使用以增加或共享系统容量,实质上是一种资源浪费。,(3),每个信道占用一个载频带宽并应满足所传输信号的带宽要求。为了在有限的频谱中增加信道数量,希望载频带宽越窄越好。,FDMA,信道的相对带宽较窄,(25kHz,或,30kHz),每个信道的每一载波仅支持一个电路连接,也就是说,FDMA,通常在窄带系统中实现。,(4),在,FDMA,方式中,每个信道只传送一路数字信号,信号速率低,码元宽度与平均延迟扩展相比较是很大的,这就意味着由码间干扰引起的误码极小,因此在窄带,FDMA,系统中无需进行均衡。,(5)FDMA,系统中载波带宽与单个信道一一对应的设计,使得在接收设备中必须使用带通滤波器来使指定的信道信号通过并滤除其他频率的信号,从而限制了邻近信道间的相互干扰。,(6),与,TDMA,系统相比较,FDMA,系统要简单得多,而且它是一种不间断发送模式,需要的系统开销,(,例如同步和组帧比特,),少。,(7),基站复杂庞大,重复设置收发信设备。基站有多少信道,就需要多少部收发信机,同时也需用天线共用器,功率损耗大,易产生信道间的互调干扰。,(8),由于收发信机同时工作,所以,FDMA,移动单元必须使用双工器,这样就增加了,FDMA,用户单元和基站的费用。,(9),越区切换较为复杂和困难。因为在,FDMA,系统中,分配好用户信道后,基站和移动台都是连续传输的,所以在越区切换时,必须瞬时中断传输数十至数百毫秒,以便把通信从某一频率切换到另一频率上去。对于语音,瞬时中断问题不大,对于数据传输则将带来数据的丢失。,在模拟蜂窝系统中,采用,FDMA,方式是唯一的选择,而在数字蜂窝系统中,则很少采用单纯的,FDMA,方式。第一个美国模拟蜂窝系统,高级移动电话系统,(AMPS),是采用,FDMA,FDD,多址系统的。在呼叫进行中,一个用户占用一个信道,并且这一信道实际上是由两个单工的具有,45MHz,分隔的信道组成的双工信道。当一个呼叫完成或一个切换发生时,信道就空闲出来以便其他移动用户使用它。多路或多用户同时通信在,AMPS,中是允许的,因为分给每一个用户有一个唯一的信道。语音信号在前向信道上从基站发送到移动台单元,在反向信道上从移动台单元发送到基站。在,AMPS,中,模拟窄带调频,(NBFM),用来调制载波。,FDMA,系统可以同时支持的信道,(,用户,),数可用下列公式计算,:,(4,11),式中,:,B,s,为系统带宽,B,p,为在分配频谱时的保护带宽,B,c,为信道带宽。在美国,规定每一个蜂窝业务商有,416,个信道。,4.6.2,时分多址,(TDMA),时分多址系统以时间作为信号分割的参量,它把无线频谱划分为叫做时隙的时间小段,N,个时隙组成一帧,无论是时隙与时隙之间还是帧与帧之间在时间轴上必须互不重叠。在每一帧中固定位置周期性重复出现的一系列离散的时隙组成一个信道,系统的每一个用户占用一个这样信道。因此,各个用户在每帧中只能在规定的时隙内向基站发射信号,(,突发信号,),在满足定时和同步的条件下,基站可以在相应的时隙中接收到相应用户的信号而互不干扰。同时,基站发向各个用户的