计算机网络通信原理多路复用技术.

1第八章多路复用技术龚小红福建工程学院计算机网络通信原理——多路复用技术2多路复用的概念•多路复用技术是将多个信源的彼此无关的信号，组合在一条物理信道上进行传送的技术。•多路复用的目的是充分利用昂贵的通信线路，尽可能地容纳较多的用户传输较多的信息。•常用的多路复用技术有：频分多路复用(FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）、时分多路复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）、波分多路复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）和码分多址（CDMA，CodeDivisionMultipleAccess）计算机网络通信原理——多路复用技术3第八章多路复用技术1.频分多路复用2.时分多路复用3.数字复接技术4.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•所谓频分复用(FrequencydivisionMultiplexing，FDM)是指按照频率的不同来区分多路信号的方法。ft频带1频带2频带3频带4频带5•在频分复用中，传输信道的频带被分成若干个相互不重叠的频段，每个频段构成一个子信道，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。按频域分割信道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•在发送端，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，避免它们的频谱出现相互混叠。•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(BPF)分离出各路已调信号，解调后恢复出基带信号。LPF1CH1调制器1BPF1LPF2CH2调制器2BPF1LPFnCHn调制器nBPF1……相加器信道BPF1BPF2BPFn解调器1解调器2解调器n……LPF1LPF2LPFn计算机网络通信原理——多路复用技术6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。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f1,f2,…,fn，并使各路已调信号频谱之间留有一定的保护带。S1S2S3频分复用器频分复用器f2f1f3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三路音频模拟信号复用一个带宽为12KHz的物理信道：1Channel330031001Channel21Channel16064687260646872Channel1Channel3Channel2频率(KHz)(c)频率(KHz)(b)频率(Hz)(a)3003400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；•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。•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：B＞∑fi•优点：原理简单、技术成熟、系统效率高、信道的频带利用率高。•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第八章多路复用技术1.频分多路复用2.时分多路复用3.数字复接技术4.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•时分复用(TimedivisionMultiplexing-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。•时分复用把信道用于传输的时间划分为许多时间片(TS:TimeSlot)，各路信号依次轮流占用一个时间片进行传输。时分复用器时分复用器S1S1S2S3S3S2S1S3S2S1t1t3t2t1t3t2t1按时域分割信道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•当物理信道可支持的位传输速率足够快时，可以将信道的传输时间划分成若干时隙，并将各时隙轮流地分配给各路信号，使若干路信号合用单一的通信媒体，时间域上互不重叠。•时分多路复用技术要求传输介质支持的最大数据传输速率超过各路信源所要求的数据传输速率的总和。•任一瞬间只有一路信号占用线路，但每个信号都占用整个频带。多路信号分时地在信道内传送。•时分多路复用技术既可用于基带局域网，也可用于宽带网络。计算机网络通信原理——多路复用技术12TDM与FDM的比较1.关于复用原理•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。计算机网络通信原理——多路复用技术13TDM与FDM的比较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的滤波器比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。计算机网络通信原理——多路复用技术14TDM与FDM的比较3.•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。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•同步时分多路复用：分配给每个数据源的时间片是固定的，各个数据源的时间片不可互相转让。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•异步时分多路复用：允许动态地分配时间片，各个数据源的时间片空闲时可以转让。也称为统计时分多路复用。计算机网络通信原理——多路复用技术16同步TDM(SynchronousTDM)计算机网络通信原理——多路复用技术17TDM,复用(Multiplexing)计算机网络通信原理——多路复用技术18TDM,分用(Demultiplexing)计算机网络通信原理——多路复用技术19异步TDM(AsynchronousTDM)计算机网络通信原理——多路复用技术20时分复用的PCM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•目前国际上推荐的PCM基群有两种标准：PCM30/32路(A律压扩特性)制式和PCM24路(μ律压扩特性)制式。•国际通信时，规定以A律压扩特性为标准。我国规定采用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路用作勤务。•标准电话的最高频率是3.4kHz，每条话路占用4kHz。•根据奈奎斯定理，每路话音信号采样速率fs=8000Hz，故对应的每帧时间间隔为T=1/fs=125μs。计算机网络通信原理——多路复用技术22PCM30/32路制式基群帧结构F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F15F0F1F2F3复帧结构TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS8TS9TS10TS11TS12TS13TS14TS15TS16TS17TS18TS19TS20TS21TS22TS23TS24TS25TS26TS27TS28TS29TS30TS31×001101100001A211×1A111111abcdabcdabcdabcdabcdabcd帧结构偶帧TS0话路时隙CH1～15帧同步时隙帧同步信号话路时隙CH16～29复帧同步信号备用比特保留给国内通信用CH1信令CH16信令CH2信令CH17信令CH15信令CH30信令奇帧TS0CH30F1TS16F2TS16F15TS1616帧，2.0ms3.9微秒计算机网络通信原理——多路复用技术23PCM30/32路制式基群帧结构•在PCM30/32路的制式中，一帧有32个时隙，每个时隙为125/32=3.9μs，各个时隙从0到31顺序编号，分别记作TS0，TSl，TS2，…，TS31。•①TS1~TS15、TS17~TS31为30个话路时隙。•②TS0为帧同步码，监视码时隙。•③TS16为信令(振铃、占线、摘机……等各种标志信号)时隙。•每个话路时隙包含8位码，一帧共包含256个比特。信息传输速率为：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2ms，复帧中各帧顺次编号为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•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125μs。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，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125μs，共包含193个比特。信息传输速率为：fb=8000(24×8+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•PCM24路制式与PCM30/32路制式的帧结构不同，12帧构成一个复帧，复帧周期为1.5ms。•12帧中奇数帧的第193比特构成101010帧同步码组。而偶数帧的第193比特构成复帧同步码000111。这种帧结构同步建立时间要比PCM30/32帧结构长。信道24信道1信道2信道3信道401193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第八章多路复用技术1.频分多路复用2.时分多路复用3.数字复接技术4.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•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。•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125μs，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。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信号是同步的，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。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定时码速调整复接定时恢复分接同步12341234支路外钟