通信原理课件第八章多路复用与数字复接.ppt
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1、指导教师:杨建国二零零七年十一月,通信原理课件,第八章 多路复用与数字复接,8.1 频分多路复用(FDM)原理8.2 时分多路复用(TDM)原理8.3 准同步数字体系(PDH)8.4 同步数字体系(SDH),8.1.1 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。,8.1频分多路复用(FDM)原理,图8-1(a)是频分多路复用
2、的系统原理框图。设有N路相似的消息信号f1(t),f2(t),fN(t),各消息的频谱范围为Wm。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8-1 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
3、信号fs(t)可以直接在信道中传输,这时所需的最小带宽为,WSSB=NWm+(N-1)Wg=Wm+(N-)Ws,在无线信道中,如采用微波频分复用线路,总信号fs(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cN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。,(8-1),5.1.2 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fs(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,
4、显然,这时选择的mnN。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nWm。最后将m组单边带信号合成为总信号fs(t)送入信道传输。复级法FDM的系统原理框图及频谱图如图8-2(a)、(b)所示。,图 8-2 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。
5、实际的多路载波电话系统采用多级调制、分层结构形式,图8-3给出了实际系统的框图和频谱结构图。,图8-3 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8-3 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8-3 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,第一次复用时将12路话音信号合成为
6、一个基群;第二次复用时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3003400Hz,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8-3(a)是多路载波电话系统原理框图;8-3(b)是语音信号基带频谱。,一个基群由12路话音输入复用而成,其中,第n路所用载频fcn=112-4n,n=1,2,12,每路话音占4kHz带宽,采用单边带下边带调制(LSB),12路话音共48kHz带宽,频率范围为60108kHz。若采用单边带上边带调
7、制(USB),则频率范围为148196kHz,其频谱配置如图8-3(c)所示。,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fam=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312552 kHz,共240 kHz带宽。若采用单边带上边带调制,则频率范围为60300kHz。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8-4所示。L600的频率为602788 kHz,U600的频率范围为5643084 kHz。,图8-4 主群频谱配置图(a)L600主群频谱配置图;(
8、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8-5(a)所示。假设m1(t)、m2(t)为带宽相同的左右两路声道基带信号,其频谱结构如图85(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88108 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m1(t)m2(t)(t)与左右两个声道信号之和 m1(t)m2(t)实行频分复用。复用后的立体声信号频谱结构如图5-5(c)所示。图8-5 中,015kHz用于传送m1(
9、t)m2(t)信号,2353kHz用于传送 m1(t)m2(t)(t)信号,19kHz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m1(t)和m2(t),就要采取相应的解调和分接处理。接收端框图如图8-5(d)所示。,图8-5 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,8.2 时分多路复用(TDM),8.2.1 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fx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fs2fx时,可以从已抽样的输
10、出信号中用一个带宽为fxBfs-fx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5-11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Ts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Ts之内,最后得到复用信号是N个抽样信
11、号之和,如图5-11(e)所示。各路信号脉冲间隔为Ts,各路复用信号脉冲的间隔为Ts/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 8-6TDM系统框图及波形,8.2.2 TDM信号的带宽及相关问题1.抽样速率fs、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fs2fx,以话音信号x(t)为例,通常取fs 为8 kHz,即抽样周期Ts=125s,抽样脉冲的宽度要比125s还小。对于N路时分复用信号,在抽样周期Ts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tg和抽样脉
12、冲宽度相等,这样抽样脉冲的宽度=Ts/2N,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01/以内。因此,从传输主要能量的观点考虑,(8-2),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fx的信号,只要有fx个独立的信息
13、抽样值,就可用带宽B=fx的低通滤波器恢复原始信号。N个频带都是fx的复用信号,它们的独立对应值为2Nfx=Nfs。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Nfx中的信息可以在Nfs/2的带宽内传输。总的来说,带宽B与Nfs成正比。对于话音信号,抽样速率fs一般取8 kHz,因此,路数N越大,带宽B就越大。,(8-3),对于TDM信号,需要注意以下几个问题:(1)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,(8-4),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
14、制后在频带传输信道中进行传输。(2)在TDM系统中,发送端的转换开关与接收端的分路开关必须严格同步,否则系统就会出现紊乱。,8.2.3 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8-7所示。,图8-7FDM与TDM各路信号在频谱和时间上的特性比较,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
15、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
16、复用时对信道带宽的要求都是单路的N倍。,时分复用的PCM通信系统 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8-8表示一个3路TDMPCM方框图。图8-8(a)为发送端方框图。语音信号经过放大和低通滤波后得x1(t)、x2(t)、x3(t);然后经过抽样得3路PAM信号xs1(t)、xs2(t)、xs3(t),它们在时间上是分开的,由各路发定时取样脉冲控制。3路PAM信号一起加到量化和编码器上进行编码,每个PAM信号的抽样脉冲经量化后编为k位二进制代码。编码后的PCM代码经码型变换,变为适合于信道传输的码型,然后经过信道传
17、到接收端。,图8-8TDMPCM方框图(a)发送端方框图;(b)接收端方框图,8.2.5 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8-9。(1)时隙分配。在PCM30/32路的制式中,抽样周期为1/8000=125s,它被称为一个帧周期,即125s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
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- 通信 原理 课件 第八 多路复用 数字
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