第十章信道复用和多址方式

第十章信道复用和多址方式知识结构-信道复用的概念和分类-频分复用（FDM）-时分复用（TDM）-码分复用（CDM）教学目的-掌握频分复用、时分复用、码分复用的基本原理-了解数字复接技术教学重点-FDM、TDM、CDM的原理和在移动通信等系统中的应用教学难点-CDMA教学方法及课时-多媒体授课（4学时）（分2个单元）备注单元二十四（2学时）§10.1引言（信道复用的概念和分类）知识要点：信道复用的概念和分类在通信系统日益普及、通信需求日益增加的今天，信道（尤其是无线信道）已经成为非常紧张的资源。那么如何在有限的信道资源中，传输尽可能多路的信号呢？这就是我们今天要讲的“复用”技术。所谓复用，就是按照一定的规律，在同一物理信道中实现传输多路信号的技术。如果各路信号的频谱各不重叠，则成为频分复用（FDM）；如果各路信号的占用信道的时间段不重叠，则成为时分复用（TDM）；如果信号采用相互正交的编码进行扩频后在同一信道中传输，在接收端利用各自的正交码恢复原信号，则这种信道复用方式称为码分复用（CDM）。“多址”与“复用”在技术角度上是统一的，只不过当有多个用户希望通过复用技术接入到同一网络接入点时，称为多址。§10.2频分复用（FDM）知识要点：复用多路复用的方式频分复用（注：这一部分内容我们放在第五章来讲，因为它与第五章的知识结合较紧密。详细内容也在第五章中）§10.3时分复用和多路数字电话系统知识要点：PAM时分复用原理时分复用的PCM系统32路PCM的帧结构PCM的高次群频分复用是将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区间，每个小区间能顺利通过一路信号，在一般情况下可以通过正弦波调制的方法实现频分复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠，但在时间上是重叠的。时分复用是建立在抽样定理基础上的。抽样定理使连续(模拟)的基带信号有可能被在时间上离散出现的抽样脉冲值所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙，利用这种空隙便可以传输其他信号的抽样值。因此，这就有可能沿一条信道同时传送若干个基带信号。在这部分中，将在分析时分复用(TDM)技术的基础上，研究并说明PCM时分多路数字电话系统的原理和相关参数。§10.3.1PAM时分复用原理为了便于分析时分复用(TDM)技术的基本原理，这里假设有3路PAM信号进行时分多路复用，其具体实现方法如图10-1所示：图10-13路PAM信号时分复用原理方框图从图10-1可以看到，各路信号首先通过相应的低通滤波器，使输入信号变为带限信号。然后再送到抽样开关(或转换开关)，转换开关(电子开关)每秒将各路信号依次抽样一次，这样3个抽样值按先后顺序错开纳入抽样间隔之内。合成的复用信号是3个抽样消息之和，如图10-2所示。由各个消息构成单一抽样的一组脉冲叫做一帧，一帧中相邻两个抽样脉冲之间的时间间隔叫做时隙，未能被抽样脉冲占用的时隙部分称为防护时间。图10-23路时分复用合成波形多路复用信号可以直接送入信道传输，或者加到调制器上变换成适于信道传输的形式后再送入信道传输。在接收端，合成的时分复用信号由分路开关依次送入各路相应的重建低通滤波器，恢复出原来的连续信号。在TDM中，发送端的转换开关和接收端的分路开关必须同步。所以在发端和收端都设有时钟脉冲序列来稳定开关时间，以保证两个时钟序列合拍。根据抽样定理可知，一个频带限制在范围内的信号，最小抽样频率值为2，这时就可利用带宽为的理想低通滤波器恢复出原始信号来。对于频带都是的N路复用信号，它们的独立抽样频率为，如果将信道表示为一个理想的低通形式，则为了防止组合波形丢失信息，传输带宽必须满足§10.3.2时分复用的PCM系统（TDM—PCM）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10-3表示一个只有3路PCM复用的方框图。图10-33路时分复用PCM原理方框图图10-3(a)表示发端原理方框图。话音信号经过放大和低通滤波后得到、和，再经过抽样得到3路PAM信号、和，它们在时间上是分开的，由各路发送的定时取样脉冲进行控制，然后将3路PAM信号一起加到量化和编码器内进行量化和编码，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（例如HDB3码），最后经过信道传到接收端。图10-3(b)为接收端的原理方框图。当接收端收到信码后，首先经过码型变换，然后加到译码器进行译码。译码后得到的是3路合在一起的PAM信号，再经过分离电路把各路PAM信号区分开来，最后经过放大和低通滤波还原为话音信号。TDM—PCM的信号代码在每一个抽样周期内有个，这里N表示复用路数，k表示每个抽样值编码的二进制码元位数。因此，二进制码元速率可以表示为，也就是。但实际码元速率要比大些。因为，在PCM数据帧当中，除了话音信号的代码以外，还要加入同步码元、振铃码元和监测码元等。§10.3.332路PCM的帧结构对于多路数字电话系统，国际上已建议的有两种标准化制式，即PCM30/32路(A律压扩特性)制式和PCM24路(μ律压扩特性)制式，并规定国际通信时，以A律压扩特性为准(即以30/32路制式为准)，凡是两种制式的转换，其设备接口均由采用μ律特性的国家负责解决。因此，我国规定采用PCM30/32路制式，其帧和复帧结构如图10-4所示。图10-4PCM30/32路帧和复帧结构从图中可以看到，在PCM30/32路的制式中，一个复帧由16帧组成；一帧由32个时隙组成；一个时隙为8位码组。时隙l～15，17～3l共30个时隙用来作话路，传送话音信号，时隙0(TS0)是“帧定位码组”，时隙16(TS16)用于传送各话路的标志信号码。从时间上讲，由于抽样重复频率为8000Hz，因此，抽样周期为，这也就是PCM30/32的帧周期；一复帧由16个帧组成，这样复帧周期为2ms；一帧内要时分复用32路，则每路占用的时隙为；每时隙包含8位码组，因此，每位码元占488ns。从传码率上讲，也就是每秒钟能传送8000帧，而每帧包含32×8＝256bit，因此，总码率为256比特/帧×8000帧/秒＝2048kb/s。对于每个话路来说，每秒钟要传输8000个时隙，每个时隙为8bit，所以可得每个话路数字化后信息传输速率为8×8000＝64kb/s。从时隙比特分配上讲，在话路比特中，第l比特为极性码，第2～4比特为段落码，第5～8比特为段内码。对于TS0和TS16时隙比特分配将分别予以介绍。TS0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TS0的第2～8码位。第l比特供国际通信用，不使用时发送“1”码。在奇帧中，第3位为帧失步告警用，同步时送“0”码，失步时送“1”码。为避免奇TS0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”。TS16时隙用于传送各话路的标志信号码，标志信号按复帧传输，即每隔2ms传输一次，一个复帧有16个帧，即有16个“TS16时隙”(8位码组)。除了F0之外，其余Fl～F15用来传送30个话路的标志信号。每帧8位码组可以传送2个话路的标志信号，每路标志信号占4个比特，以a、b、c、d表示。TS16时隙的F0为复帧定位码组，其中第一至第四位是复帧定位码组本身，编码为“0000”，第六位用于复帧失步告警指示，失步为“l”；同步为“0”，其余3比特为备用比特，如不用则为“l”。需要说明的是标志信号码a、b、c、d不能为全“0”，否则就会和复帧定位码组混淆了。单元二十五（2学时）§10.4数字复接技术知识要点：复接、分接的概念和基本原理§10.4.1数字复接的基本概念一、准同步数字体系（PDH）PCM各次群的话路数及数码率数字复接系列（准同步数字体系）一次群（基群）二次群三次群四次群欧洲中国30路2.048Mbit／s120路8.448Mbit／s480路34.368Mbit／s1920路139.264Mbit／s二、PCM复用和数字复接形成二以上的高次群的方法PCM复用——直接将多路信号编码复用。（高次群的形成一般不用——原因)数字复接——将几个低次群在时间的空隙上迭加合成高次群。三、数字复接的实现按位复接——优缺点：要求复接电路存储容量小，简单易行。但这种方法破坏了一个字节的完整性，不利于以字节（即码字）为单位的信号的处理和交换。按字复接——优缺点：要求有较大的存储容量，但保证了一个码字的完整性，有利于以字节为单位的信号的处理和交换。PDH大多采用按位复接。四、数字复接的同步数字复接要解决两个问题：·同步——不同步的后果：几个低次群复接后的数码就会产生重叠和错位。·复接五、数字复接的方法及系统构成数字复接的方法同步复接——是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的数码率（简称码速）统一在主时钟的频率上（这样就使几个低次群系统达到同步的目的），可直接复接。·异步复接——是各低次群各自使用自己的时钟，由于各低次群的时钟频率不一定相等，使得各低次群的数码率不完全相同（这是不同步的），因而先要进行码速调整，使各低次群获得同步，再复接。PDH大多采用异步复接。数字复接系统的构成框图图10-5数字复接/分接原理图§10.4.2同步复接与异步复接一、同步复接（需要码速变换）码速变换的概念——为插入附加码留下空位（复接时再插入附加码）且将码速由2048kbit／s提高到2112kbit／s。二、异步复接（需要码速调整）1、码速调整与恢复码速调整方法——插入一些码元将各一次群的速率由2048kbit／s左右统一调整成2112kbit／s。码速恢复方法——通过去掉插入的码元，将各一次群的速率由2112kbit／s还原成2048kbit／s左右。码速调整和码速变换的区别·码速变换是在平均间隔的固定位置先留出空位，待复接合成时再插入脉冲（附加码）；·码速调整插入脉冲要视具体情况，不同支路，不同瞬时数码率，不同的帧，可能插入，也可能不插入脉冲（不插入脉冲时，此位置为原信息码），且插入的脉冲不携带信息。2、异步复接二次群帧结构异步复接二次群的帧周期为100．38μs帧长度为848bit4×205＝820bit（最少）为信息码28bit的插入码（最多）表10-128bit插入码具体安排插入码个数作用10bit二次群帧同步码（1lll010000）lbit告警lbit备用4bit（最多）码速调整用的插入码4×3＝12bit插入标志码各一次群在s38.100内插入码及信息码分配情况各一次群（支路）：码速调整之前（速率2048kbit／s左右）100.38μs内约有205～206个码元应插入6～7个码元码速调整之后（速率为2112kbit／s）100．38μs内应有212个码元（bit）第一个基群支路插入码及信息码分配情况如下图所示。图10-6基群支路插入码及信息码分配其它基群支路插入码及信息码分配情况类似。帧结构图图10-7二次群帧结构一次群码速调整后100.38μs内插入码有6～7个码速调整用的插入码有0～1个（最多1个）插入标志码有3个二次群1帧内插入码有24～28个（最多28个）码速调整用的插入码有0～4个（最多4个）插入标志码有12个信息码最少为820个插入标志码的作用——是用来通知收端第161位有无iV插入，以便收端“消插”。每个支路采用三位插入标志码的目的——是为了防止由于信道误码而导致的收端错误判决。“三中取二”，即当收到两个以上的“1”码时，认为有iV插入，当收到两个以上的“0”码时，认为无iV插入。§10.5码分复用（CDM）知识要点：CDM基本原理码分复用是用一组相互正交的码字区分信号的多路复用方法。在码分复用中，各路信号在频谱上和时间上都是混叠的，但是代表每路信号的码字是正交的，也可以是准正交或超正交的。用N21,x,,xxx和N21,y,,yyy