计算机网络通信原理多路复用技术课件.ppt

1、1计算机网络通信原理多路复用技术2多路复用的概念多路复用的概念计算机网络通信原理多路复用技术3第八章第八章 多路复用技术多路复用技术1.频分多路复用频分多路复用2.时分多路复用时分多路复用3.数字数字复接技术复接技术4.其它复用技术其它复用技术计算机网络通信原理多路复用技术4频分多路复用技术频分多路复用技术 所谓频分复用所谓频分复用(Frequencydivision Multiplexing，FDM)是指按照频率的不同来区分多路信号的方法。是指按照频率的不同来区分多路信号的方法。ft频带频带 1频带频带 2频带频带 3频带频带4频带频带 5 在频分复用中，在频分复用中，传输传输信道的信道的频

2、频带带被分成若干个相互不重叠的被分成若干个相互不重叠的频段，频段，每个频每个频段段构成一个子信构成一个子信道，道，每路信号占用其中一个频每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适段，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。开，从而恢复出所需要的信号。计算机网络通信原理多路复用技术5频分复用系统的工作原理频分复用系统的工作原理 在发送端，各路基带信号首先通过低通滤波器在发送端，各路基带信号首先通过低通滤波器(LPF)限制限制基带信号的带宽，避免它们的频谱出现相互混叠。基带信号的带宽，避免它们的频谱出现相互混叠。然后，各路信号分别

3、对各自的载波进行调制、合成后送入然后，各路信号分别对各自的载波进行调制、合成后送入信道传输。信道传输。在接收端，分别采用不同中心频率的带通滤波器在接收端，分别采用不同中心频率的带通滤波器(BPF)分分离出各路已调信号，解调后恢复出基带信号。离出各路已调信号，解调后恢复出基带信号。LPF1CH1调制器调制器1BPF1LPF2CH2调制器调制器2BPF1LPFnCHn调制器调制器nBPF1相相加加器器信信道道BPF1BPF2BPFn解调器解调器1解调器解调器2解调器解调器nLPF1LPF2LPFn计算机网络通信原理多路复用技术6注意注意 频分复用是利用各路信号在频率域不相互重叠来区分的。频分复用是

4、利用各路信号在频率域不相互重叠来区分的。若若相邻信号之间产生相互干扰，将会使输出信号产生失真。相邻信号之间产生相互干扰，将会使输出信号产生失真。为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应合理选择载波频率为了防止相邻信号之间产生相互干扰，应合理选择载波频率f1,f2,fn，并使各路已调信号频谱之间留有一定的保护带。，并使各路已调信号频谱之间留有一定的保护带。计算机网络通信原理多路复用技术7频分多路复用技术示例频分多路复用技术示例 1Channel 330031001Channel 21Channel 16064687260646872Channel 1Channel 3Channel 2频率(KHz)

5、(c)频率(KHz)(b)频率(Hz)(a)300 3400计算机网络通信原理多路复用技术8频分多路复用技术的特点频分多路复用技术的特点 频分多路复用使信道在同一时刻能同时独立传送多路信号，频分多路复用使信道在同一时刻能同时独立传送多路信号，每路信号占用不同的频带；每路信号占用不同的频带；在线路上传输的是各路信号经过调制后的叠加在一起的复在线路上传输的是各路信号经过调制后的叠加在一起的复合信号。合信号。频分多路复用技术适用于宽带网络。要求传输介质的可用频分多路复用技术适用于宽带网络。要求传输介质的可用带宽超过各路信源所需带宽的总和：带宽超过各路信源所需带宽的总和：优点：原理简单、技术成熟、系统

6、效率高、信道的频带利优点：原理简单、技术成熟、系统效率高、信道的频带利用率高。用率高。缺点：要求信道的非线性失真小。缺点：要求信道的非线性失真小。计算机网络通信原理多路复用技术9第八章第八章 多路复用技术多路复用技术1.频分多路复用频分多路复用2.时分多路复用时分多路复用3.数字数字复接技术复接技术4.其它复用技术其它复用技术计算机网络通信原理多路复用技术10时分多路复用技术时分多路复用技术 时分复用时分复用(Timedivision Multiplexing-TDM)是利用各信号是利用各信号的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中传输多路的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中传输多

7、路信号的一种方法。信号的一种方法。时分复用把信道用于传输的时间划分为许多时间片时分复用把信道用于传输的时间划分为许多时间片(TS:Time Slot)，各路信号依次轮流占用一个时间片进行传输。，各路信号依次轮流占用一个时间片进行传输。计算机网络通信原理多路复用技术11时分多路复用技术的特点时分多路复用技术的特点计算机网络通信原理多路复用技术12TDM与与FDM的比较的比较1.关于复用原理关于复用原理 在在FDM系统中，各信号在频域上是分开的，而在系统中，各信号在频域上是分开的，而在时域上是混叠在一起的；时域上是混叠在一起的；在在TDM系统中，各信号在时域上是分开的，而在系统中，各信号在时域上是

8、分开的，而在频域上是混叠在一起的。频域上是混叠在一起的。计算机网络通信原理多路复用技术13TDM与与FDM的比较的比较2.关于设备复杂性关于设备复杂性 就复用部分而言，就复用部分而言，FDM设备相对简单，设备相对简单，TDM设备较为复杂；设备较为复杂；就分路部分而言，就分路部分而言，TDM的滤波器比的滤波器比FDM的模拟滤波器分路简的模拟滤波器分路简单、可靠，而且单、可靠，而且TDM中的所有滤波器都是相同的滤波器。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。备相对复杂。总的比较，总的比较，TD

9、M的设备要简单些。的设备要简单些。计算机网络通信原理多路复用技术14TDM与与FDM的比较的比较3.关于信号间干扰关于信号间干扰 在在FDM系统中，信道的非线性会在系统中产生交调失真和高系统中，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，次谐波，引起话间串扰，因此，FDM对线性的要求比单路通对线性的要求比单路通信时要严格得多。信时要严格得多。在在TDM系统中，多路信号在时间上是分开的，因此系统中，多路信号在时间上是分开的，因此,对线性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低，系统

10、中各路间串话比FDM的要小。的要小。计算机网络通信原理多路复用技术15时分多路复用技术的分类时分多路复用技术的分类124.n13.n.1234.n时间片1时间片2时间片n125.m41257.m.1234.m时间片1时间片2时间片n计算机网络通信原理多路复用技术16同步同步TDM(Synchronous TDM)计算机网络通信原理多路复用技术17TDM,复用复用(Multiplexing)计算机网络通信原理多路复用技术18TDM,分用分用(Demultiplexing)计算机网络通信原理多路复用技术19异步异步TDM(Asynchronous TDM)计算机网络通信原理多路复用技术20时分复用

11、的时分复用的PCM系统系统放 大 和 低 通 滤 波x1(t)取 样发 定 时(1路)话 音 1放 大 和 低 通 滤 波x2(t)取 样发 定 时(2路)话 音 2放 大 和 低 通 滤 波x3(t)取 样发 定 时(3路)话 音 3量 化 和 编 码码 型 变 换去 信 道发 送 端 定 时1路 2路 3路(a)xs3(t)xs2(t)xs1(t)计算机网络通信原理多路复用技术21PCM基群帧结构基群帧结构 目前国际上推荐的目前国际上推荐的PCM基群有两种标准：基群有两种标准：PCM30/32路路(A律压扩特性律压扩特性)制式和制式和PCM24路路(律压扩特性律压扩特性)制式。制式。国际通

12、信时，规定以国际通信时，规定以A律压扩特性为标准。我国规定采用律压扩特性为标准。我国规定采用PCM30/32路制式。路制式。PCM30/32路制式基群帧结构共由路制式基群帧结构共由32路组成，其中路组成，其中30路用来路用来传输用户话语，传输用户话语，2路用作勤务。路用作勤务。标准电话的最高频率是标准电话的最高频率是3.4kHz，每条话路占用，每条话路占用4kHz。根据奈奎斯定理，每路话音信号采样速率根据奈奎斯定理，每路话音信号采样速率fs=8000Hz，故对，故对应的每帧时间间隔为应的每帧时间间隔为T=1/fs=125 s。计算机网络通信原理多路复用技术22PCM 30/32路制式基群帧结构

13、路制式基群帧结构F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F15F0F1F2F3复复帧帧结结构构TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS8TS9TS10TS11TS12TS13TS14TS15TS16TS17TS18TS19TS20TS21TS22TS23TS24TS25TS26TS27TS28TS29TS30TS310 00 01 11 10 01 11 10 00 00 00 01 1A A2 21 11 11A11 11 11 11 11 1a ab bc cd da ab bc cd da ab bc cd da ab bc cd da ab bc cd da

14、ab bc cd d帧帧结结构构偶偶帧帧T TS S0 0话话路路时时隙隙C CH H1 11 15 5帧同步时隙帧帧同同步步信信号号话话路路时时隙隙C CH H1 16 62 29 9复复帧帧同同步步信信号号备备用用比比特特保保留留给给国国内内通通信信用用C CH H1 1信信令令C CH H1 16 6信信令令C CH H2 2信信令令C CH H1 17 7信信令令C CH H1 15 5信信令令C CH H3 30 0信信令令奇奇帧帧T TS S0 0CH30F F1 1T TS S1 16 6F F2 2T TS S1 16 6F F1 15 5T TS S1 16 61 16 6

15、帧帧，2 2.0 0m ms s3 3.9 9 微微秒秒计算机网络通信原理多路复用技术23PCM 30/32路制式基群帧结构路制式基群帧结构 在在PCM30/32路的制式中，一帧有路的制式中，一帧有32个时隙，每个时隙为个时隙，每个时隙为125/32=3.9 s，各个时隙从各个时隙从0到到31顺序编号，分别记作顺序编号，分别记作TS0，TSl，TS2，TS31。TS1TS15、TS17TS31为为30个话路时隙。个话路时隙。TS0为帧同步码，监视码时隙。为帧同步码，监视码时隙。TS16为信令为信令(振铃、振铃、占线、摘机占线、摘机等各种标志信号等各种标志信号)时隙。时隙。每个话路时隙包含每个话

16、路时隙包含8位码，一帧共包含位码，一帧共包含256个比特。信息传个比特。信息传输速率为：输速率为：fb=8000(30+2)8=2.048Mb/s计算机网络通信原理多路复用技术24帧与复帧结构帧与复帧结构 帧同步码组为帧同步码组为X0011011，它插入在偶数帧的，它插入在偶数帧的TS0时隙，时隙，其中第其中第一位码一位码“X”保留作国际电话间通信用。接收端识别出帧同步码保留作国际电话间通信用。接收端识别出帧同步码组后，即可建立正确的路序。组后，即可建立正确的路序。TS16为信令时隙，为信令时隙，插入各话路的信令。在传送话路信令时，插入各话路的信令。在传送话路信令时，若将若将TS16所包含的总

17、比特率集中起来使用，则称为共路信令传所包含的总比特率集中起来使用，则称为共路信令传送；若将送；若将TS16按规定的时间顺序分配给各个话路，直接传送各按规定的时间顺序分配给各个话路，直接传送各话路所需的信令，则称为随路信令传送。话路所需的信令，则称为随路信令传送。当采用共路信令传送方式时，必须将当采用共路信令传送方式时，必须将16个帧构成一个更大的帧，个帧构成一个更大的帧，称为复帧。复帧的重复频率为称为复帧。复帧的重复频率为500Hz，周期为，周期为 2 ms，复帧复帧中各帧顺次编号为中各帧顺次编号为F0，F1，F15。计算机网络通信原理多路复用技术25PCM24路制式基群帧结构路制式基群帧结构

18、 PCM24路制式基群帧结构由路制式基群帧结构由24路组成。路组成。每路话音信号抽样速率每路话音信号抽样速率fs=8000Hz，每帧时间间隔为，每帧时间间隔为125s。一帧共有一帧共有24个时隙。个时隙。各个时隙从各个时隙从0到到23顺序编号，分别记作顺序编号，分别记作TS0，TS1，TS2，TS23，这，这24个路时隙用来传送个路时隙用来传送24路电话信号的路电话信号的8位编码码组。位编码码组。为了提供帧同步，在为了提供帧同步，在TS23路时隙后插入路时隙后插入1比特帧同步位比特帧同步位(第第193比特比特)。这样，每帧时间间隔。这样，每帧时间间隔125s，共包含，共包含193个比特。个比特

19、。信息传输速率为：信息传输速率为：fb=8000(248+1)=1.544Mb/s计算机网络通信原理多路复用技术26PCM24路制式帧结构路制式帧结构 PCM24路制式与路制式与PCM30/32路制式的帧结构不同，路制式的帧结构不同，12帧构成帧构成一个复帧，复帧周期为一个复帧，复帧周期为1.5 ms。12帧中奇数帧的第帧中奇数帧的第193比特构成比特构成101010帧同步码组。而偶数帧的帧同步码组。而偶数帧的第第193比特构成复帧同步码比特构成复帧同步码000111。这种帧结构同步建立时间要。这种帧结构同步建立时间要比比PCM30/32帧结构长。帧结构长。信道 24信道 1信道2信道3信道4

20、01193比特帧(125微秒）帧开始位7位数据位校验位计算机网络通信原理多路复用技术27第八章第八章 多路复用技术多路复用技术1.频分多路复用频分多路复用2.时分多路复用时分多路复用3.数字数字复接技术复接技术4.其它复用技术其它复用技术计算机网络通信原理多路复用技术28数字复接技术数字复接技术 在数字通信系统中，为了扩大传输容量，通常将若干个低等在数字通信系统中，为了扩大传输容量，通常将若干个低等级的支路比特流汇集成一个高等级的比特流在信道中传输。级的支路比特流汇集成一个高等级的比特流在信道中传输。这种将若干个低等级的支路比特流合成为高等级比特流的过这种将若干个低等级的支路比特流合成为高等级

21、比特流的过程称为程称为数字复接数字复接。完成复接功能的设备称为。完成复接功能的设备称为数字复接器数字复接器。在接收端，需要将复合数字信号分离成各支路信号，该过程在接收端，需要将复合数字信号分离成各支路信号，该过程称为称为数字分接数字分接，完成分接功能的设备称为完成分接功能的设备称为数字分接器数字分接器。由于在时分多路数字电话系统中每帧长度为由于在时分多路数字电话系统中每帧长度为125s，因此，因此，传输的路数越多，传输的路数越多，每比特占用的时间就越少，实现的技术难每比特占用的时间就越少，实现的技术难度也就越高。度也就越高。计算机网络通信原理多路复用技术29数字复接原理数字复接原理 数字复接实

22、质上是对数字信号的时分多路复用。数字复接实质上是对数字信号的时分多路复用。数字复接设备由数字复接器和数字分接器组成。数字复接器数字复接设备由数字复接器和数字分接器组成。数字复接器将若干个低等级的支路信号按时分复用的方式合并为一个高将若干个低等级的支路信号按时分复用的方式合并为一个高等级的合路信号。数字分接器将一个高等级的合路信号分解等级的合路信号。数字分接器将一个高等级的合路信号分解为原来的低等级支路信号。为原来的低等级支路信号。在数字复接中，如果复接器输入端的各支路信号与本机定时在数字复接中，如果复接器输入端的各支路信号与本机定时信号是同步的，则称为同步复接器；如果不是同步的，则称信号是同步

23、的，则称为同步复接器；如果不是同步的，则称为异步复接器。如果输入各支路数字信号与本机定时信号标为异步复接器。如果输入各支路数字信号与本机定时信号标称速率相同，但实际上有一个很小的容差，这种复接器称为称速率相同，但实际上有一个很小的容差，这种复接器称为准同步复接器。准同步复接器。计算机网络通信原理多路复用技术30数字复接系统原理图数字复接系统原理图定 时码速调整复接定 时恢复分接同步12341234支 路外 钟复 接 器合 路分 接 器支 路计算机网络通信原理多路复用技术31数字复接原理数字复接原理 在数字复接器中，码速调整单元对输入各支路信号的速率在数字复接器中，码速调整单元对输入各支路信号的

24、速率和相位进行必要的调整，形成与本机定时信号完全同步的和相位进行必要的调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号，使输入到复接单元的各支路信号同步。定时单数字信号，使输入到复接单元的各支路信号同步。定时单元受内部时钟或外部时钟控制，产生复接需要的各种定时元受内部时钟或外部时钟控制，产生复接需要的各种定时控制信号。调整单元及复接单元受定时单元控制。控制信号。调整单元及复接单元受定时单元控制。在分接器中，合路数字信号和相应的时钟同时送给分接器。在分接器中，合路数字信号和相应的时钟同时送给分接器。分接器的定时单元受合路时钟控制，因此它的工作节拍与分接器的定时单元受合路时钟控制，因此它的工作节拍与复接

25、器定时单元同步。同步单元从合路信号中提出帧同步复接器定时单元同步。同步单元从合路信号中提出帧同步信号，信号，用它再去控制分接器定时单元。恢复单元把分解出用它再去控制分接器定时单元。恢复单元把分解出的数字信号恢复出来。的数字信号恢复出来。计算机网络通信原理多路复用技术32PCM高次群高次群计算机网络通信原理多路复用技术33数字复接产生高次群数字复接产生高次群系统类型系统类型一次群一次群二次群二次群三次群三次群四次群四次群五次群五次群欧洲体制欧洲体制(含中国含中国)符号符号E1E2E3E4E5话路数话路数3012048019207680数据速率数据速率kb/s2048844834368139264

26、565148北美体制北美体制符号符号T1T2T3T4话路数话路数24966724032数据速率数据速率kb/s1544631244736274176计算机网络通信原理多路复用技术34第八章第八章 多路复用技术多路复用技术1.频分多路复用频分多路复用2.时分多路复用时分多路复用3.数字数字复接技术复接技术4.其它复用技术其它复用技术计算机网络通信原理多路复用技术35波分多路复用技术波分多路复用技术 共享光纤光栅光栅功率波长共享光纤的波谱功率波长光纤1的波谱功率波长光纤2的波谱光纤1光纤2光纤3光纤4功率波长光纤3的波谱功率波长光纤4的波谱计算机网络通信原理多路复用技术36波分复用技术的应用波分复

27、用技术的应用 在光纤通信中，为了实现长距离范围的高速传输，通常采用在光纤通信中，为了实现长距离范围的高速传输，通常采用波分复用技术和光纤放大器。波分复用技术和光纤放大器。目前的掺铒光纤放大器目前的掺铒光纤放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)不需要进行光电转换，可直接对光信号进行放大，不需要进行光电转换，可直接对光信号进行放大，并且在并且在1550nm波长附近有波长附近有35nm(即即4.2THz)频带范围可提供频带范围可提供均匀的、最高可达均匀的、最高可达4050dB的增益。的增益。两个光纤放大器之间的线路长度可达两个光纤放大器之间的线路长度可达120km

28、，而光复用器和，而光复用器和分用器之间的无光电转换的距离可达分用器之间的无光电转换的距离可达600km(只需放入只需放入4个光个光纤放大器纤放大器)。计算机网络通信原理多路复用技术37波分多路复用之例波分多路复用之例设：一根单模光纤传输一路信号的数据传输速率为设：一根单模光纤传输一路信号的数据传输速率为2.5Gb/s。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)计算机网络通信原理多路复用技术38密集波分复用密集波分复用 在一根光纤上复用在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为路或更多路的光载波信号称为密集波分复用密集波分复用(DWDM-

29、Dense Wavelength Division Multiplexing)；对于具有对于具有100根速率为根速率为 2.5 Gb/s光纤的光缆，采用光纤的光缆，采用16倍的密集波分复用技术，可以实现的总数据传输速倍的密集波分复用技术，可以实现的总数据传输速率达率达4Tb/s。（。（1T=1012）计算机网络通信原理多路复用技术39码分多路复用技术码分多路复用技术 码分多路复用码分多路复用(CDMA，Code Division Multiplexing Access)是是按照码型结构的不同来区分各路用户信号，也称为码分多址。按照码型结构的不同来区分各路用户信号，也称为码分多址。每一个用户可以

30、在同样的时间使用同样的频带进行通信。各每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。噪声，不易被敌人发现。可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量信的影响，增大通信系统的容量(是使用是使用GSM的的45倍倍)，降，降低手机的平均发射功率等等。低手机的平均发射功率等等。

31、计算机网络通信原理多路复用技术40码片序列码片序列(chip sequence)每一个比特时间划分为每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片个短的间隔，称为码片(chip)。每个站被指派一个惟一的每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。码片序列。如发送比特如发送比特 1，则发送自己的，则发送自己的 m bit 码片序列。码片序列。如发送比特如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。，则发送该码片序列的二进制反码。例如，例如，S 站的站的 8 bit 码片序列是码片序列是 00011011。发送比特发送比特 1 时，就发送序列时，就发送序列 00011011，发送比特发送比特 0

32、 时，就发送序列时，就发送序列 11100100。计算机网络通信原理多路复用技术41CDMA 的重要特点的重要特点 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相互相正交正交(orthogonal)。令向量令向量 S 表示表示S站站 的码片向量，令的码片向量，令 T 表示其他任何站的表示其他任何站的码片向量，码片向量，S和和T分别表示各自码片序列的反码，则分别表示各自码片序列的反码，则S 和和T应满足下列关系：应满足下列关系：S T=0，S T=0，S S=-1，S S=1 在实用的系统中是使用伪随机码序列，例如：在实用的系统中是使用伪随机

33、码序列，例如：S 站的码片序列：站的码片序列：(-1-1-1+1+1-1+1+1)，T 站的码片序列：站的码片序列：(-1-1+1-1+1+1+1-1)。计算机网络通信原理多路复用技术42码片序列的正交关系码片序列的正交关系 两个不同站的码片序列正交，则向量两个不同站的码片序列正交，则向量 S 和和T 的规格化内积的规格化内积(inner product)都是都是 0：011miiiTSmTS 任何一个码片向量和它自己的规格化内积都是任何一个码片向量和它自己的规格化内积都是1。mimiimiiimSmSSm112211)1(111SS 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。