现代通信理论第五章.ppt
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1、第五章 多路复用与多址技术,主要内容:多路复用与多址的概念频分复用及应用实例时分复用及应用实例码分复用及应用实例多址技术,5.1 多路复用与多址的概念,1.多路通信的需求:网络规模扩大、用户数增加需要合理分配与应用网络资源;通信链路频带足够宽,可以容纳多路通信业务;为了有效利用通信链路,需要将多路通信业务组合在一起,在同一链路上传输;为了在一条通信链路上区分多个不同的用户信号,需要采用一定的模式将它们分开;多路通信技术-将多类别业务合并成单一信号流的技术。,2.多路复用概念的提出,多路复用技术是指在一个信源端,将多个不同的信号按某种模式组合在一起,通过一个公共的信道或链路发送。信道复用是网络资
2、源通过分配模式由各个用户共享-可理解为广播或组播;组合传输后还要分割开-组合和分割的方式不同-可以从频域、时域、空间域、信号空间域、多维联合域,相应的复用方式有频分复用(波分复用可看作频分复用的特例)、时分复用、空分复用、码分复用等。,3.多址与多路复用的区别,与复用的情况相反,如果系统提供了一个公共的信道或链路,有多个用户需要利用它进行信息传输,则各个用户需要竞争此信道资源;对于系统来说,需要合理地、动态地分配此信道或链路的容量给各个不同的用户;这种通过竞争模式分享信道资源的方式成为多址通信技术也称多址接入技术;与多路复用类似,多址技术也可分为频分多址、时分多址、空分多址、码分多址等。,5.
3、2 频分复用及其应用实例,一、频分复用原理 频分复用(Frequencydivision Multiplexing-FDM)是指按频率的不同来复用多路信号。在频分复用中,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,接收端采用适当的带通滤波器将多路信号分开,恢复出所需要的信号。,这里给出的频分复用与正交频分复用(OFDM)含义不同。,频分复用系统组成原理图,各路基带信号首先通过低通滤波器(LPF)限制基带信号的带宽,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。在接收端,分别采用不同中心频率的带通滤波器分离出各路已调信号,解调后恢复出基带信号。,频分复用是利用
4、各路信号在频率域不相互重叠来区分的。若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fc1,fc2,fcn,并使各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔。复用信号的频谱结构如图。,复用信号的频谱结构示意图,多路载波电话系统是按照CCITT建议,采用单边带调制频分复用方式。北美多路载波电话系统的典型组成如图。由12路电话复用为一个基群(Basic Group);5个基群复用为一个超群(Super Group),共60路电话;由 10 个超群复用为一个主群(Master Group),共600路电话。如果需要传输更多路电话,可以将多个主群进行复
5、用,组成超主群。每路电话信号的频带限制在 3003400Hz,为了在各路已调信号间留有保护间隔,每路电话信号取4000 Hz作为标准带宽。,二、FDM应用之1 模拟电话多路复用系统,北美多路载波电话系统的典型组成,民用广播和收音机发明于本世纪初。近百年来,无线电广播与收音机技术发生了翻天覆地的变化。广播方式从调幅(AM)广播时代开始,经历了调频(FM)广播、调频立体声(FMSTEREO)广播、数字音频广播(DAB)等阶段。目前,科学家正研究短波段的数字广播(DRM)。目前:调幅调频调频立体声广播(FM Stereo Broadcasting)广播电视卫星广播,应用之2广播,5.3 时分复用(T
6、DM),一、时分复用原理 时分复用(Timedivision Multiplexing-TDM)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信号的一种方法。在FDM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;在TDM系统中,各信号在时域上是分开的,而在频域上是混叠在一起的。,时分复用的基础是抽样定理,在两个抽样值之间留有时间空隙。,两路信号时分复用原理,三路模拟信号的TDM-PCM系统原理图,与FDM方式相比,TDM方式主要有以下两个突出优点:,(1)多路信号的复接和分路都是采用数字处理方式实现的,通用性和一致性好,比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠。(2)信道
7、的非线性会在FDM系统中产生交调失真和高次谐波,引起路间串话,因此,要求信道的线性特性要好,而TDM系统对信道的非线性失真要求可降低。,二、时分复用(数字复接系列)标准,目前国际上推荐的PCM基群有两种标准,即PCM30/32路(A律压扩特性)制式和PCM24路(律压扩特性)制式。并规定,国际通信时,以A律压扩特性为标准。我国也规定采用PCM30/32路制式。PCM30/32路制式基群帧结构共由32路组成,其中30路用来传输用户话语,2路用作同步和信令。每路话音信号抽样速率fs=8000Hz,故对应的每帧时间间隔为125 s。一帧共有32个时间间隔,称为时隙。各个时隙从0到31顺序编号,分别记
8、作TS0,TSl,TS2,TS31。,三、PCM基群帧结构,帧同步码组为X0011011,它插入在偶数帧的TS0时隙,其中第一位码“X”保留作国际电话间通信用。接收端识别出帧同步码组后,即可建立正确的路序。TS16为信令时隙,插入各话路的信令。在传送话路信令时,若将TS16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TS16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。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,称为复帧。复帧的重复频率为500Hz,周期为 2 ms,复帧中各帧顺次编号为F0,F1,F15。,PCM30/32路制式基群帧结
9、构(续),PCM30/32路制式基群帧结构,每比特时间宽度为,信息传输速率为:Rb=8000(30+2)8=2.048Mb/s,其中,TS1至TS15和TS17至TS3130个路时隙用来传送30路电话信号的8位编码码组,TS0分配给帧同步,TS16专用于传送话路信令。每个路时隙包含8位码,一帧共包含256个比特。,PCM30/32路制式基群帧结构(续),每路时隙时间宽度为:l=8b3.91s,PCM24路制式基群帧结构,PCM24路制式基群帧结构由24路组成。每路话音信号抽样速率fs=8000Hz,每帧时间间隔为125s。一帧共有24个时隙。,各个时隙从0到23顺序编号,分别记作TS0,TS1
10、,TS2,TS23,这24个路时隙用来传送24路电话信号的8位编码码组。为了提供帧同步,在TS23路时隙后插入1比特帧同步位(第193比特)。这样,每帧时间间隔125s,共包含193个比特。信息传输速率为 Rb=8000(248+1)=1.544Mb/s 每比特时间宽度为 b=0.647s 每路时隙时间宽度为 l=8b5.18 s,PCM24路制式基群帧结构(续),四、PCM高次群,以上讨论的PCM30/32路与PCM24路时分多路数字电话系统,称为数字基群或一次群。如果要传输更多路的数字电话,则需要将若干个一次群数字信号通过数字复接设备复合成二次群,二次群复合成三次群等。我国和欧洲各国采用以
11、PCM30/32路制式为基础的高次群复合方式,北美和日本采用以PCM24路制式为基础的高次群复合方式。,由30路PCM用户话复用成一次群,传输速率为2.048 Mb/s。由4个一次群复接为一个二次群,包括120路用户数字话,传输速率为8.448 Mb/s。由4个二次群复接为一个三次群,包括480路用户数字话,传输速率为34.368 Mb/s。由4个三次群复接为一个四次群,包括1920路用户数字话,传输速率为139.264 Mb/s。由4个四次群复接为一个五次群,包括7680路用户数字话,传输速率为565.148 Mb/s。ITU-T建议标准与北美标准的每一等级群路可以用来传输多路数字电话,可以
12、用来传送其他相同速率的数字信号,如可视电话、数字电视等。,PCM高次群(续),五、时分复用速率计算,k 为路数,即时隙数;,为编码位数;,可理解为帧重复率;,可理解为帧长。,实例,例1.PCM系统采用时分复用方式传送10路话音信号,已知话音信号的最高频率为fm=5103Hz,量化级数为256级,采用奈奎斯特速率抽样,二进制编码。求此多路PCM系统的速率Rb。(800kb/s)例2.计算中国PCM基群速率。(2.048Mb/s)例3.计算日本、北美PCM基群速率。(1.544Mb/s),六、数字复接技术,在数字通信系统中,为了扩大传输容量,通常将若干个低等级的支路比特流汇集成一个高等级的比特流在
13、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程称为数字复接。完成复接功能的设备称为数字复接器。在接收端,需要将复合数字信号分离成各支路信号,该过程称为数字分接,完成分接功能的设备称为数字分接器。由于在时分多路数字电话系统中每帧长度为125s,因此,传输的路数越多,每比特占用的时间就越少,实现的技术难度也就越高。我国在1995年以前,一般均采用准同步数字序列(PDH)的复用方式。1995年以后,随着光纤通信网的大量使用,开始采用同步数字序列(SDH)的复用方式。原有的PDH数字传输网可逐步纳入SDH网。,目前国际有两大标准,PDH(准同步数字系列),SDH(同步数字系列),欧
14、洲与中国,北美与日本,用于:四次群和四次群以下,用于:四次群以上,数字复接系列标准,时分复用器,实际中数字复接所采用的方法,一种方法是将几个(例如4个)经PCM复用后的数字信号(例如4个PCM30/32系统)再进行时分复用,形成更多路的数字通信系统。显然,经过数字复用后的信号的数码率提高了,但是对每一个基群编码速度没有提高,实现起来容易,目前广泛采用这种方法提高通信容量。由于数字复用是采用数字 复接的方法来实现的,又称数字复接技术。这种方法将设备的复杂度集中于一处,成本降低。,数字复接系统组成原理,正码速调整准同步复接,输入支路时钟频率为fl,其输出时钟即同步复接支路时钟的颇率为fm。在正码速
15、调整技术中,输出频率fm 大于输入频率fl。正码速调整名称即来源于此。,复接帧,通常在每个复接帧中规定一个指定的时隙,称为正码速调整支路比特。如果该支路码速不需要调整,这个时隙就照常传送支路信码;如果该支路要调整码速,这个时隙则空闲一次,该时隙称为塞入位置SV。该塞入时隙SV无论是空闲还是信码,都必须由发端传送信息到收端码速恢复电路,才能正确地恢复原始码流。为此要在复接帧中留出指定的时隙来传送码速调整的指示信号。显然,这种指示信号是很重要的。它一旦出错,会导致支路码流丢失一比特或误塞入一比特,即出现滑动。为此通常采用三位以上的指示码来作为塞入标志(SZ)。,正码速调整帧结构,SDH简介,没有全
16、世界统一的标准没有世界性的标准光接口规范采用异步复用,复用结构缺乏灵活性采用按位复接,数字通道设备利用率低网络管理能力不强数字通道设备利用率低,PDH存在的缺陷,SDH的帧结构,SDH则是全球统一的同步数字复接系列。为了使现有的准同步数字复接系列与SDH系列衔接,CCITT建议G707一G709对此规定了复接结构,同步时分复用与异步时分复用,时分多路复用又分为同步时分复用(Synchronous Time division Multiplexing,STDM)和异步时分复用(Asysnchronous Time Division Multiplexing,ATDM),其中同步时分指发送端的多台
17、计算机通过一条线路向接收端发送数据时进行分时处理,它们以固定的时隙进行分配,如上面介绍的PCM设备采用的是时分多路复用。异步时分与同步时分有所不同,异步时分复用技术又被称为统计时分复用技术(Statistic Time-Division Multiplexing,STDM),它能动态地按需分配时隙,以避免每个时隙段中出现空闲时隙。异步时分在分配时隙时是不固定的,而是只给想发送数据的发送端分配其时隙段,当用户暂停发送数据时,则不给它分配时隙。这种方法提高了设备利用率,但是技术复杂性也比较高,所以这种方法主要应用于高速远程通信过程中,如异步传输模式ATM。,5.4 码分复用,时分复用利用了信号在时
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