通信原理之多路复用和多址技术

第九章多路复用和多址技术通信原理课程组主要内容9.1概述9.2频分复用9.3时分复用9.4码分复用9.5多址技术小结思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 、习题9.1概述一、多路复用目的：在一条链路上传输多路独立信号基本原理：正交划分方法3种多路复用基本方法：频分复用（FDM）时分复用（TDM）码分复用（CDM）9.1概述(a)频分制(b)时分制(c)码分制fNf1f2t2tNt1tNt1t29.1概述3种多路复用新方法：空分复用(SDW)极化复用(PDW)波分复用(WDM)9.1概述二、复接目的：解决来自若干条链路的多路信号的合并和区分。关键技术问题：多路TDM信号时钟统一和定时问题。9.1概述三、多址接入目的：多个用户共享信道、动态分配网络资源。方法：频分多址、时分多址、码分多址、空分多址、极化多址以及其他利用信号统计特性复用的多址技术。返回9.2频分复用(FDM)方法：采用SSB调制搬移频谱，以节省频带。3路频分复用电话通信系统原理:9.2频分复用(FDM)(a)发送端原理方框图4.3~7.4kHz8.3~11.4kHz4kHz12kHz8kHz多路信号输出相乘带通低通话音输入1f1相乘带通低通话音输入2f2相乘带通低通话音输入3f3300~3400Hz300~3,400Hz300~3,400Hz4kHz8kHz12kHz基带语音信号300–3,400Hz4.3–7.4kHz8.3–11.4kHz12.3–15.4kHzf09.2频分复用(FDM)多路信号输入(b)接收端原理方框图话音输出1话音输出2话音输出3相乘低通带通f1相乘低通带通f1相乘低通带通f14.3~7.4kHz8.3~11.4kHz12.3~15.4kHz3400Hz3400Hz3400Hz8kHz12kHz4kHz9.2频分复用(FDM)国际电信联盟(ITU)建议：基群--12路;占用48kHz带宽;位于12～60kHz之间.12路群的频谱图121234kHzf(kHz)12kHz16kHz20kHz56kHz9.2频分复用(FDM)超群--由5个基群组成;60路;占用240kHz带宽;主群--由10个超群组成;600路。9.2频分复用(FDM)频分复用的主要缺点：－－要求系统的非线性失真很小，否则将因非线性失真而产生各路信号间的互相干扰；－－用硬件实现时，设备的生产技术较为复杂，特别是滤波器的制作和调试较繁难；－－成本较高。返回9.3时分复用(TDM)基本原理见下图。NNsi(t)低通1低通2低通N信道低通1低通2低通Ns1(t)s2(t)1帧T/NT+T/N2T+T/N3T+T/N同步旋转开关s1(t)s2(t)s2(t)s1(t)sN(t)sN(t)时隙1旋转开关采集到的信号信号s1(t)的采样信号s2(t)的采样时分多路复用原理9.3时分复用(TDM)基本条件：－－要求系统的非线性失真很小，否则将因非线性失真而产生各路信号间的互相干扰；－－用硬件实现时，设备的生产技术较为复杂，特别是滤波器的制作和调试较繁难；－－成本较高。9.3时分复用(TDM)主要优点：－－便于信号的数字化和实现数字通信；－－制造调试较易，更适合采用集成电路实现；－－生产成本较低，具有价格优势。9.3时分复用(TDM)国际电信联盟(ITU)建议：－－准同步数字体系PDH；－－同步数字体系SDH。9.3.1准同步数字体系(PDH)E体系：我国大陆、欧洲采用；T体系：美国、日本等地采用。9.3.1准同步数字体系(PDH)8064560.160（北美）5760397.200（日本）T－54032274.176（北美）144097.728（日本）T–467244.736（北美）48032.064（日本）T-3966.312T-2241.544T-1T体系7680565.148E-51920139.264E-448034.368E-31208.448E-2302.048E-1E体系路数（路64kb/s）比特率（Mb/s）层次8064560.160（北美）5760397.200（日本）T－54032274.176（北美）144097.728（日本）T–467244.736（北美）48032.064（日本）T-3966.312T-2241.544T-1T体系7680565.148E-51920139.264E-448034.368E-31208.448E-2302.048E-1E体系路数（路64kb/s）比特率（Mb/s）层次130(30路64kb/s)一次群2.048Mb/sPCM复用设备14路2.048Mb/s二次群8.448Mb/s二次复用4复用设备三次群34.368Mb/s三次复用复用设备144路8.448Mb/s五次复用复用设备五次群565.148Mb/s4路139.264Mb/s四次群139.264Mb/s复用设备144路34.368Mb/s四次复用图9.3.2E体系结构图130(30路64kb/s)一次群2.048Mb/sPCM复用设备14路2.048Mb/s二次群8.448Mb/s二次复用4复用设备三次群34.368Mb/s三次复用复用设备144路8.448Mb/s五次复用复用设备五次群565.148Mb/s4路139.264Mb/s四次群139.264Mb/s复用设备144路34.368Mb/s四次复用图9.3.2E体系结构图PCM一次群的帧结构：TS16信令32个时隙F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F151帧125s偶帧TS0*1A11111帧同步码奇帧TS0*0011011话路(CH1~CH15)话路(CH16~CH30)CH308bitTS20TS22TS28TS26TS24TS30TS19TS21TS23TS29TS27TS25TS31(1bit=488.3ns)8bit(1bit=488.3ns)1复帧＝16帧保留TS10TS12TS14TS16TS18TS9TS11TS13TS15TS17TS4TS6TS2TS0TS8TS5TS7TS3TS1随路信令：CH30CH15F15CH18CH3F3CH17CH2F2CH16CH1F1Xxyx0000F087654321比特帧9.3.2复接与码速调整一、复接目的：解决来自若干条链路的多路信号的合并和区分；复接与分接：将低次群合并成高次群的过程称为复接；反之，将高次群分解为低次群的过程称为分接；关键技术问题：多路TDM信号时钟的统一和定时问题。9.3.2复接与码速调整二、码速调整低次群合成高次群时，需要将低次群信号的时钟调整一致，再作合并。为此，要增加一些开销。例如，一次群的速率是2.048Mb/s，4路一次群的总速率应该是8.192Mb/s，但是实际上二次群的速率是8.448Mb/s，这额外的256kb/s中就包括码速调整所需的开销；9.3.2复接与码速调整码速调整方案：有多种。如：正码速调整、负码速调整、正/负码速调整等；9.3.2复接与码速调整－－正码速调整法：其基本原理为：复接设备对各路输入信号抽样时，抽样速率比各路码元速率略高。出现重复抽样的情况时，需减少一次抽样，或将所抽样值舍去。(a)(b)(c)正码速调整时的抽样(a)输入码元波形(b)无误差抽样时刻(c)速率略高的抽样时刻注：Cji 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示第j支路的第i个码速调整控制比特。848b206b10kb/s0.424帧长每支路比特数每支路最大码速调整速率标称码速调整比第I组第1至10b第11b第12b第13至212b第II组第1至4b第5至212b第III组第1至4b第5至212b第IV组第1至4b第5至8b第9至212b帧同步码(1111010000)向远端数字复用设备送告警信号为国内通信保留自支路来的比特码速调整控制比特Cj1(见注)自支路来的比特码速调整控制比特Cj2(见注)自支路来的比特码速调整控制比Cj3(见注)用于码速调整的比特自支路来的比特比特数帧结构4支路数2048支路比特率(kb/s)ITU建议的8.448Mb/s二次群的复接帧结构复接帧结构图：1~45~2121~45~2121~49~2121~10111213~2125~8复接帧(848b)第I组(212b)第II组(212b)第III组(212b)第IV组(212b)Cj1Cj2Cj3支路比特支路比特支路比特支路比特复接帧同步码告警国内用支路来的或码速调整码9.3.3同步数字体系(SDH)一、SDH的体系结构在SDH中，信息是以“同步传送模块STM”传送的。同步传送模块(STM)由信息有效负荷和段开销SOH组成块状帧结构，其重复周期为125µs。9.3.3同步数字体系(SDH)SDH分为若干等级：9,953.28STM-642,488.32STM-16622.08STM-4155.52STM-1比特率(Mb/s)等级STM的基本模块是STM-1。STM-1包含一个管理单元群AUG和段开销SOH。9.3.3同步数字体系(SDH)二、SDH和PDH的关系：通常都是将若干路PDH接入STM-1内，即在155.52Mb/s处接口。这时，PDH信号的速率都必须低于155.52Mb/s，并将速率调整到155.52上。例如，可以将63路E-1，或3路E-3，或1路E-4，接入STM-1中。9.3.3同步数字体系(SDH)SDH的结构以及和PDH连接关系图：指针处理映射复用定位调整44.736Mb/s34.368Mb/s1VC-3C-3C-4TU-3TUG-33139.264Mb/sVC-2VC-12VC-11C-12C-11C-2TU-11TU-2TU-12TUG-234771.544Mb/s6.312Mb/s2.048Mb/sC-n容器-nSTM-NVC-3VC-4AU-4AU-3AUGN13SDH体系结构图9.3.3同步数字体系(SDH)三、SDH的结构容器（C-n）：是一种信息结构，它为后接的虚容器(VC-n)组成与网络同步的信息有效负荷。虚容器（VC-n）：也是一种信息结构，它由信息有效负荷和路径开销信息组成帧。每帧长125µs或500µs。支路单元（TU-n）：也是一种信息结构，它为低阶路径层和高阶路径层之间进行适配。9.3.3同步数字体系(SDH)四、SDH的帧结构STM-N有效负荷段开销SOH段开销SOH管理单元指针9行261N9N270N列（bytes）91345SDH的帧结构返回9.4码分复用(CDM)一、基本原理1、码组正交的概念：设x和y表示两个码组：式中i=1,2,…,N9.4码分复用(CDM)互相关系数定义：两码组正交的必要和充分条件:9.4码分复用(CDM)例如：0000-1+1+1+1+1-1-1-1s3s1s2s4正交码组tttt9.4码分复用(CDM)用“1”和“0”表示二进制码元方法：“1”“-1”“0”“+1”互相关系数定义式：式中，A－x和y中对应码元相同的个数；D－x和y中对应码元不同的个数。9.4码分复用(CDM)上例中，01110010+1-1-1-1+1+1-1+19.4码分复用(CDM)优点：映射关系“”“”9.4码分复用(CDM)码组自相关系数定义：设xi取值+1或-1，式中：x的下标i+j应按模N运算，即xN+ixi。9.4码分复用(CDM)例：设x=(x1,x2,x3,x4)=(+1,-1,-1,+1)，则其自相关系数为：9.4码分复用(CDM)设xi取值“0”或“1”，则有自相关系数：式中，A为xi和xi+j中对应码元相同的个数；D为xi和xi+j中对应码元不同的个数。的取值范围：9.4码分复用(CDM)按照互相关系数值的不同，当=0时，称码组为正交编码当0时，称码组为准正交码当<0时，称其为超正交码例：9.4码分复用(CDM)按照互相关系数值的不同正交编码和其反码还可以构成双正交码，例：(0,0,0,0)(1,1,1,1)(0,0,1,1)(1,1,0,0)(0,1,1,0)(1,0,0,1)(0,1,0,1)(1,0,1,0)9.4码分复用(CDM)四路码分复用原理方框图：misi＋s1m4s2m4s3m4s4m4积分m1m2m3m4s4s2s1s3积分积分积分9.4码分复用(CDM)四路码分复用波形图：四路码分复用波形图TTTTTTttt(c)mi(t)si(t)(b)si(t)(a)mi(t)t(d)misi(e)(misi)sit(f)(misi)sidttttttttttttttttt返回9.5多址技术一、频分多址(FDMA)每载波多路(MCPC)体制：预先分配的FDM/FM/FDMA体制9.5多址技术INTELSATII和III卫星系统中采用：9.5多址技术按需分配多址(DAMA)体制：INTELSATIV卫星中采用的DAMA体制为每载波单路按需分配多址(SPADE)体制。9.5多址技术SPADE体制特点：1）载波只受单路64kb/s的PCM信号调制－QPSK；2）信道间隔为45kHz，一个卫星转发器的带宽可以容纳800路载波，其中留有6个载频位置空闲备用，故可提供794路载波使用；3）各载波动态地按需分配；4）用一个160kHz带宽的公共信令信道作动态分配用，其比特率为128kb/s，采用BPSK调制。9.5多址技术由于SPADE体制的按需分配，它的容量相当于提高到4倍，即800路的SPADE信道相当于3200路MCPC信道。9.5多址技术FDMA的优缺点：主要优点：设备较简单，价格较低，不需要精确的时钟同步；主要缺点：要求传输信道的非线性失真要小。例如，在卫星通信系统中，若一个星上转发器内同时转发多个载波信号，则星上（行波管）放大器的非线性将在各载波信号间产生交叉调制，使星上（行波管）放大器只能工作在线性好的一段功率范围。9.5多址技术一、时分多址(TDMA)单路时分多址系统：－－ALOHA系统工作原理：用随机接入的方法通过一颗卫星把几个地面计算机连接起来，用数据分组方式传输，分组的长度是一定的。9.5多址技术－－时隙ALOHA(S-ALOHA)系统：改进之处：1)卫星向所有地球站发送一同步脉冲序列，将时间划分为等于分组长度的时隙。2)分组开始发送的时间必须在时隙的起点。(这样的一种简单规定就能使碰撞率减少一半，因为只有在同一时隙中发送的消息才可能发生碰撞。)9.5多址技术工作原理：分组c到达时刻t分组d到达时刻站2分组c发送时刻分组d发送时刻发送成功分组发送碰撞分组t分组b到达时刻分组a到达时刻站1分组a发送时刻分组b发送时刻发送成功分组发送碰撞分组9.5多址技术－－预约ALOHA（R-ALOHA）系统：两种基本模式：未预约模式（静止状态）；预约模式。9.5多址技术（R-ALOHA）系统的一种实现方案：请求静止状态t预约模式：6个时隙N个子时隙预约分组的第一个可用时隙0510152025ACK第一时隙的发送t往返传输1次的时间S-ALOHA系统和R-ALOHA系统的性能比较pp归一化通过量p平均延迟(时隙)延迟-通过量性能比较（2个时隙，6个子时隙）归一化通过量p理想曲线平均延迟延迟-通过量曲线典型曲线9.5多址技术多路时分多址系统：1)只需用一个载波，不会发生FDMA的交叉调制。2)当需要和大量对象通信时，TDMA体制比FDMA经济。3)在多波束系统中，可以方便地实现每个波束和其他波束的通信。4)在各地球站间以及地球站和卫星之间需要精确的同步系统，这增加了TDMA系统的复杂度和价格。－－多路TDMA优缺点：9.5多址技术－－工作原理：以INTELSAT系统为例发射地球站：以低速连续数字流进入缓存器之一。另一个缓存器则用高速取出。在一个TDMA帧中，缓存器交替地工作。高速时钟必须精确控制突发时间。接收地球站：接收到的突发信号存入一个扩展缓存器。另一个缓存器则以所需的低速取出。9.5多址技术（b）接收站（a）发射站缓存器2缓存器1缓存器1缓存器2低速连续输入低速连续输出突发输出突发输入低速输入时钟高速输出时钟高速输入时钟低速输出时钟压缩扩展缓存器9.5多址技术－－同步方法：1)指定一个地球站为主站，它周期性地发射参考定时脉冲。2)其他地球站为从站，它们也发射自己的定时脉冲。从站的下行链路除了接收自己发送的定时脉冲外，还收到主站发射的参考定时脉冲。两者的时间差就是主站和从站定时之间的误差。于是从站可以调整自己的时钟以减小此误差。9.5多址技术－－同步方法：卫星地球站（从站）地球站（主站）主站参考脉冲（上行）从站和主站脉冲（下行）从站脉冲（上行）定时误差9.5多址技术一、局域网中的多址技术载波侦听/冲突检测多址(CSMA/CD)技术：例：以太网中应用以太网的结构9.5多址技术基本原理：假设一个设备在接入网络之前能够侦听网络的状态。只有当侦听到电缆上没有其他信号传输时，才能向电缆上发送信号。数据是分组传输的。9.5多址技术侦听方法：以双相码、10Mb/s速率传输格式为例。1)存在跳变表明网上有载波存在。2)若从最后一次跳变开始在0.75－1.25个码元时间内看不到跳变，就表明载波没有了，即表示一组的终结。100ns跳变搜索窗1.25T0.75TT为码元持续时间码元“1”码元“1”码元“0”9.5多址技术令牌环形多址技术：典型单向令牌环形网的结构。1比特延迟接口收听模式至计算机自计算机T单向环环接口计算机(a)令牌环形网(b)收听和发送模式令牌环网络接口发送模式至计算机自计算机T9.5多址技术基本工作原理：接口有两种工作模式：收听和发送。－－在收听模式下，接口将收到的比特流先收下，再转发出去，所以最小有1比特的延迟。－－在发送模式下，环路断开，该计算机能将其数据发送到环上。－－令牌是一个特定的码组（例如，11111111）。当环中所有计算机都空闲时，令牌在环中循环。－－为了防止在信息数据中出现令牌码组，方法之一是采用填充比特。例如，若令牌为连续的8个“1”，则当信息数据中出现连续的7个“1”后就填入一个“0”。在接收时，连续收到7个“1”后，就将下一个“0”删除。9.5多址技术令牌环形网长度的设计：－－环网的总延迟时间不应小于令牌的“长度”。－－最坏情况：当其他各站都处于关闭状态时，接口短路，环网只有电缆的延迟时间。－－故总电缆长度应该使延迟时间不小于令牌“长度”。9.5多址技术例如：设信号发送速率是RMb/s，则1码元占用(1/R)微秒。信号在典型同轴电缆中的传播时间约为200m/s，所以，1码元在环上传输时相当占用200/R米长度。若令牌由8比特组成，信号发送速率为10Mb/s，则令牌的持续时间等于8/10s。令牌在电缆上占用的长度将为200m/s(8/10)s=160m。所以，此环网的电缆总长度不应小于160m。9.5多址技术令牌的设计：令牌必须不会出现在信息数据流中。例如，若传输码元采用的是双相码，由于双相码在一个码元的中间必然出现电平突变，所以这时可以采用中间无突变的码型作为令牌。9.5多址技术CSMA/CD网和令牌环形网的性能比较：比较条件：电缆长度=2km，网内有50个站，平均组（帧）长度是1000b，报头长为24b。当传输速率=10Mb/s时，若归一化通过量p>0.22，令牌环网好于CSMA/CD。这是因为当通过量大时，CSMA/CD网中频繁发生冲突，故延迟时间增大。9.5多址技术CSMA/CD网和令牌环形网的性能比较：归一化通过量p归一化通过量p归一化延迟时间归一化延迟时间令牌环网令牌环网(a)传输速率＝1Mb/s(b)传输速率＝10Mb/s延迟时间和通过量的比较返回小结1.同步的基本原理、实现方法2.同步的性能指标及其对通信系统性能的影响返回思考题、习题思考题：9.1，9.2，9.3，9.4，9.5，9.7返回