现代通信原理课件.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,10,章 信道复用和多址方式,第,10,章信道复用和多址方式,本章主要内容,10.1,引言,什么是“复用”和复用技术的分类,“多址接入”及其与“复用”的关系,10.2,频分复用和多级调制,10.3,时分复用基本原理,10.4,数字复接技术（数字信号的时分复用）,10.5,码分复用简介,10.6,多址技术,10.1,引言,一、什么是“复用”,在“点到点”,(Point-to-Point),通信方式中，在同一信道上，传输多路信号的复合信号，并且能在接收端正确将各路信号分离，从而实现多路信号公用一个信道的技术。,二、复用技术的分类,频分复用（,F,requency,D,ivision,M,ultiplex,）,时分复用（,TDM,）,码分复用（,CDM,）,其他复用（如空分复用、波分复用等、,OFDM,）,三、多址技术及其的分类,多址：以卫星通信为例，,多个地球站通过共同的卫星同时建立各自的信道，从而实现各地球站通信的一种方式。,分类：,频分多址（,FDMA,）,时分多址（,TDMA,）,码分多址（,CDMA,）,空分多址（,SCDMA,）,四、“复用”和“多址”的关系,二者的技术本质是完全一样的,*,相同：通信 过程信号的复合、传输、信号的分离,当上页所述复用技术应用于“点到点”的通信方式时，通常叫做“多路复用”,例如微波通信、电话数字中继（,PCM,一次群）,当复用技术应用于“点到多点”的通信方式时，通常叫做“多址接入”,例如多个手机同时与基站进行的通信,*,不同：,动态,站址,多址方式,固定,话路,信道复用,网络资源分配,信号来源,10.2,频分复用和多级调制,理论基础：调制定理（也是付立叶变换的一个性质）,频域特点：各路信号在频域互相隔离,时域特点：各路信号在时域上相互叠加,信号种类：,属于频带信号,接收端分离方法：滤波器,10.2.1,频分多路复用,(FDM),频率复用,:,是指多路信号在频率位置上分开，但同时在一个信道内传输。因此，频率复用信号在频谱上不会重叠，但在时间上是重叠的。,原理框图,各路滤波器的通频带互不重叠,FDM,合成后的频谱图（单边）,若,n,路都采用双边带,10.2.2,多级调制,多级调制,对同一基带信号进行,2,次或更多次的调制,复合调制,属于多级调制的一种特殊情况,每次调制的种类不同（如第一级调制采用调幅，第二级调制采用调频）,2,级调制的框图,合并后的复用信号可直接通过信道传输，也可以经过再次调制后进行传输。,在接收端，可利用相应的带通滤波器来分离出各路信号，并通过各自的解调器和低通滤波器恢复出各路的调制信号。,国际电信联盟（,ITU,）对此制定了一系列建议。例如，,ITU,将一个,12,路频分复用系统统称为一个“基群”，它占用,48kHz,带宽；将,5,个基群组成一个,60,路的“超群”。用类似的方法可将几个超群合并成一个“主群”；几个主群又可合并成一个“巨群”。,示例,中波广播频率的带宽是从,535 kHz,到,1605 kHz,。,这个通信信道上又按照不同的频率划分成为若干个子信道，每个子信道的带宽是,9 kHz,，每个子信道供给广播电台的一个频道使用。,例如天津广播电台交通频道的中心频率是,567 kHz,，生活频道的中心频率是,1386 kHz,。,各个广播电台在这些子信道上同时进行信号传输而互不干扰，这就是一个由频率进行划分的多路复用技术的具体例子。,频分复用系统的最大优点,:,是信道利用率高，容许复用的路数多，同时分路也很方便，它是目前模拟通信系统中采用的最主要的一种复用方式，例如，无线电广播、电视广播、有线和微波通信都广泛采用频分复用方法。,频分复用的缺点,:,是设备复杂；若信道存在非线性时，会产生路间干扰。,10.3,时分复用基本原理和带宽计算,10.3.1,时分复用（,TDM,）基本原理,基本原理：各路信号分时轮流使用同一物理信道（类比例如：不同的班级在同一教室、不同时间上课）,时域上：互不重叠，相互隔离,频域上：频谱重叠,信号种类：,一般属于基带信号（可采用奈奎斯特定律）,接收端分离方法：“分接技术”（通过精确的时钟采样脉冲和计数器来找到需要的数据）,与频分复用相比，时分复用具有以下的主要优点：,（,1,）,TDM,多路信号的合路和分路都是数字电路，比,FDM,的模拟滤波器分路简单、可靠。,（,2,）信道的非线性会在,FDM,系统中产生交调失真和多次谐波，引起路间干扰，因此,FDM,对信道的非线性失真要求很高。而,TDM,系统的非线性失真要求可降低。,PAM,时分复用原理示意图,*,防护时隙,:,未被抽样脉冲占用的时隙部分。,*T1=Ts/N=,抽样脉冲宽度,防护时隙,g,*,时隙：一帧的相邻两脉冲间的间隔,T1,*,*,帧：各个消息构成的单一抽样的一组脉冲,Ts,PCM,复用原理,我们在第,6,章学过，每路,PCM,的采样速率是,8kHz,，即每,1/8000,秒产生,8bit,如果我们把,n,路,PCM,时分复用到一条物理线路上，那么每,1/8000,秒就要对应,8n(bit),第,1,路第,1,次采样,的,PCM,编码,第,2,路第,1,次采样,的,PCM,编码,第,n,路第,1,次采样,的,PCM,编码,第,1,路第,2,次采样,的,PCM,编码,第,2,路第,2,次采样,的,PCM,编码,10.3.2,时分复用的带宽计算,PAM,时分复用的带宽计算,推广到,n,路,PAM,的时分复用情况,例题,设有,10,路模拟信号,每路最高频率均为,20kHz,对每路信号进行,PAM,采样后再时分复用,求复用后的复合信号带宽和理论最小带宽,解：,PCM,时分复用的带宽计算,设,PCM,的量化级为,M,，则每一个,PAM,采样进行,PCM,编码后变成,log,2,M(bit),例如,A,律,13,折线编码，共有,2(,正、负两个半轴,)8(,段,)16(,小份,)=256,个量化级，即,M=256,所以其每个采样编码为,log,2,256=8(bit),每一路的码率为,f,s,log,2,M(bit/s),多路,PCM,复用后总码率,R,b,总,为各路码率之和,复合,PCM,信号带宽为,B=R,b,总,对应最小理论带宽为,R,b,总,/2,例题,设有,3,路模拟信号，最高频率分别为,1kHz,2kHz,3kHz,，每路都进行,64,量化级的,PCM,编码，求,3,路,PCM,复用后的信号带宽和理论最小带宽,解：,补充作业,对,10,路最高频率为,4kHz,的模拟信号分别进行,128,个量化级,PCM,量化编码后,再对这,10,路信号进行时分复用,求,(1),复用后的传信率,(2),复用后的信号带宽,(3),基带传输时的理论最小带宽,10.4,数字复接技术,一、复接和分接的概念,二、复接的实现的基本原理,三、复接的方式分类,四、商用,PCM(,属于一种同步复接,),简介,一、复接和分接的概念,将,2,路或,2,路以上的数字信号，合并成,1,路高速数字信号的过程,可以类比为向一列准时的火车上装货的过程,本质还是一种时分复用,分接是复接的逆过程,相当于从火车上卸货,二、复接的实现的基本原理,分接器的功能是把已合路的高次群数字信号分解成原来的低次群数字信号,它是由同步、定时和码速恢复等单元组成,数字复接系统主要由数字复接器和分接器组成。,复接器是把两个或两个以上的支路（低次群）按时分复用方式合并成一个单一的高次群,其设备由定时、码速调整和复接单元等组成；,数字复接系统方框图,复接器在各支路数字信号复接之前需要进行码速调整，即对各输入支路数字信号进行频率和相位调整，使其各支路输入码流速率彼此同步并与复接器的定时信号同步后，复接器方可将低次群码流复接成高次群码流。,复接条件：被复接的各支路数字信号彼此之间必须同步并与复接器的定时信号同步方可复接。,根据此条件划分的复接可分为,同步复接、异源（准同步）复接、异步复接三种。,三、复接的方式分类,按各路信号交织的情况分为,位复接,字复接,帧复接,按各路信号的时钟是否统一分为,同步复接,异步复接（基本已经淘汰）,准同步复接,1,按位复接。,复接器每次复接一个支路的一比特信号，依次轮流复接各支路信号，这种复接就称为逐位（逐比特）复接。,特点：按位复接简单易行，且对存储器容量要求不高。,其缺点是对信号交换不利。,2,按码字复接。复接器每次复接一个支路的一个码字（,8bit,），依次复接各支路的信号，这种复接就称为按码字复接。,特点：复接后码流保留了完整的码字结构，有利于合成和处理。这种方法有利于数字电话交换，但要求有较大的存储容量,。,两种复接方式示意图,35,36,3,接帧复接。就是复接器每次复接一个支路的一帧信号，依次复接各支路的信号，这种复接称为按帧复接。,优点是复接时不破坏原来的帧结构，有利于交换，但需要更大的存储容量，目前极少应用。,“,复用”与“复接”的区别：,PCM,复用是对多路（电话）信号在一个定长的时间内（帧）完成的,PCM,和,TDM,全过程。,而复接是对多路数字信号（数字流或码流）在一个定长的时间内进行的码元压缩与安排，它只负责把多路数字信号安排（复用）在给定的时间内，而不需要再进行抽样、量化和编码的,PCM,过程，从而减少了对每路信号的处理时间，降低了对器件和电路的要求，实现了大路数（高次群）信号的“时分复用”,。,复接的原理就是改变各低速数字流的码元宽度，并把它们重新编排在一起，从而形成一个高速数字流。从表面上看，复接是一种合成，但其本质仍然是一种时分复用的概念。为了与,PCM,复用相区别，所以称之为“复接”。,4,同步复接,这种复接方式无需进行码速调整、有时只需进行相位调整或根本不需要任何调整便可复接。,被复接的各输入支路之间，以及同复接器之间均是同步的，此时复接器便可直接,将低支路数字信号复接成高速的数字信号,。,5,异源（准同步）复接,。,被复接的各输入支路之间不同步，并与复接器的定时信号也不同步：但是各输入支路的标称速率相同，也与复接器要求的,标称速率,相同,但仍不满足复接条件，复接之前还需要进行码速调整，使之满足复接条件再进行复接。这种复接方式就称为异源复接或准同步复接。,速率的变化范围在规定的容差范围内，,零次群：,64kb/s100ppm,基群为,2048kb/s50ppm,二次群为,8448kb/s30ppm,三次群为,34368kb/s20ppm,四次群为,139264kb/s15ppm,1ppm=10,-6,6,异步复接,被复接的各输入支路之间及与复接器的定时信号之间均是异步的，其频率变化范围不在允许的变化范围之内，也不满足复接条件，必须进行码速调整方可进行复接。这种复接方式称为异步复接。,由以上可见，异源和异步复接方式都必须,进行码速调整，满足复接条件后方可复接。,（）正码速调整原理,a),支路信号码流以,f,L,速率写入缓存器，以,f,m,速率读出,缓存,调整,合成,同步,复接,f,m,f,L,f,L,f,m,f,m,取空现象,正码速调整,b),在缓冲存储器要取空还没有取空时，插入一个非信息码元,插入命令控制三个动作,停止一次读出,插入一个脉冲,V,给插入脉冲作标志,C,C,）各支路的速率均调整到指定的速率,达到各支路同步，然后再进行复接,收端：,a),通过码流提取时钟,b),由插入脉冲检出电路测出插入脉冲后，发出去插命令，使写入时钟停止输出一次,c),恢复原来支路信号的速率,四、商用,PCM(,属于一种同步复接,),简介,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,PCM,基群帧结构,：指一帧周期中时隙的安排。,PCM30/32,终端机的帧结构（,A,律,）,帧结构,每帧分为,32,个时隙（,0,31,号）。,a.TS,1,-TS,15,，,TS,17,-TS,31,（共,30,路时隙用于传话音）,b.,每个时隙传,PCM8,位编码,c.T,S0,传帧同步码,d.TS,16,传信令，即呼叫、应答等。,PCM30/32,路制式基群帧结构,3,、,TS,O,偶数帧,0 0 1 1 0 1 1,（固定为帧同步码）,奇数帧,1 A,1,n n n n n,（不传帧同步码组）,:,国际电话通信用（保留）。,1,:,保证收端不误判为帧同步码。,A,1,：帧失步对告码,A=0,，同步（本地同步）,（通告对方）,A=1,，失步（本地失步）,n:,保留国内用。,2,、规定：每,16,帧构成一个复帧（传送共路信令）,4,、,TS,16,第,F,0,子帧中的,TS,16,0 0 0 0,A,2,（固定为复帧同步码）,：保留（备用）。,A,2,：复帧失步对告码,A,2,=1,失步,A,2,=0,同步,第,F,1,F,15,子帧中的,TS,16,a b c d,a b c d,两个话路的信令码，,1,15,对应,30,个话路，,禁止,a b c d,为全零，以免干扰复帧同步。,结论：,32,路时隙，真正用于传送数据、话音的时隙只,有,30,路，所以称为,30/32,路基群。,第,F1,F15,子帧中的,TS,16,图 基于,PCM30/32,路系列的数字复接体制,10.5,码分复用（,CDM,）简介,基本原理：利用相互正交的码组来携带信息（即用,1,个码组表示,1,个比特,故称扩频）,在频域：相互重叠,在时域：也相互重叠,接收端：通过码组的正交计算（相乘再积分）筛除其他路信号，留下对应路的信息,正交码的特征,两个码组,如果对应位相同的个数和不同的个数相同,则成为正交码组,如,0000,1010,0011,(,这,3,个码组两两正交,组成一个正交”码系,”,),码分复用举例说明（扩频）,1,0,码分复用举例说明（解扩）,积分结果大于,0,，判为,1,积分结果小于,0,，判为,0,扩频的种类,跳频通信,直接序列扩频,跳频通信（,FH,）,f,t,用户,1,用户,2,用户,3,f1,f2,f3,f4,f5,每个用户根据各自的伪随机（,PN,）序列，动态随机改变中心调制频率。,直接序列,(DS),扩频,前面我们举的那个简单例子就属于直接序列扩频,f,t,Code,信道,N,信道,2,信道,1,所有的用户工作在相同的中心频率上。,10.6,多址技术,多址技术的技术原理与复用完全一样,只不过应用于点对多点的场合,例如多个手机与同一基站进行通信时,每个,CDMA,手机都有一个属于自己的码组,不同的,CDMA,手机的码组两两正交,由于多址技术多用于多用户接入，所以常称多址接入,(Access),多址技术种类（可以相互结合）,空分多址（,SDMA,）,时分多址（,TDMA,）,频分多址（,FDMA,）,码分多址（,CDMA,）,t,f,code,第,ms,MHz,载波,0011,正交码组,第,ms,MHz,载波,0011,正交码组,第,ms,MHz,载波,0000,正交码组,第,ms,MHz,载波,1010,正交码组,？,？,第,ms,MHz,载波,1010,正交码组,第,ms,MHz,载波,0000,正交码组,本章重点小结,复用的概念和分类,频分复用的带宽计算,时分复用的带宽计算,多址技术的常见分类,