1、通信原理通信原理第九章第九章多路复用和多址技术多路复用和多址技术29.1 概述n多路复用多路复用目的：多路信号同时在同一信道中传输3种多路复用基本方法：n频分复用（FDM）n时分复用（TDM）n码分复用（CDM）3种多路复用新方法：n空分复用(SDW)n极化复用(PDW)n波分复用(WDM)multiplexing39.1 概述n频分复用原理频分复用原理f1f2fNOOOmultiple access49.1 概述n时分复用原理时分复用原理t1t2tNOOOfrequency division multiplexing(FDM)59.1 概述n码分复用原理码分复用原理t1t2tNOOOtime
2、 division multiplexing(TDM)69.1 概述n复接复接 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信号时钟的统一和定时问题。n多址接入多址接入目的：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等。code division multiplexing(CDM)79.2 频分复用n频分复用的合路频分复用的合路LPF调制器BPF f1CH1信号LPF调制器BPF f2CH2LPF调制器BPF fnCHn信道space division multiplexing(S
3、DM)89.2 频分复用n频分复用的频谱构成频分复用的频谱构成ffffCH1CH2CHn合路 BBgBspolarization division multiplexing(PDM)99.2 频分复用n频分复用的分路频分复用的分路wave division multiplexing(WDM)LPF解调器BPFCH1输出LPFBPFCH2LPFBPFCHn信道 f1 f2 fn解调器解调器109.2 频分复用n12 路群的多级调制路群的多级调制multiple connection调制器84k三路复用BPF1224调制器96k调制器108k调制器120kBPFBPFBPF607272848496
4、9610860108124356789101112信号三路复用三路复用三路复用119.2 频分复用n多级调制和单级调制的比较多级调制和单级调制的比较实例：12 路语音信号采用频分复用。每路信号的频率范围均为 300 Hz 3400 Hz。单级调制LPF 1种 12 个，载波12 种 12 个，调制器 12 种 12 个，BPF 12 种 12 个。共计 37 种 48 个。两级调制LPF 1 种12 个，一级载波 3 种 12 个，一级调制器3 种 12 个，一级 BPF 3 种 12 个，二级载波 4 种 4 个，二级调制器 4 种 4 个，二级 BPF 4 种 4 个。共计 22 种 60
5、 个。basic group129.2 频分复用n频分复用实例：国际电信联盟建议频分复用实例：国际电信联盟建议基群一基群由12路话路构成，占用 48 kHz 带宽，位于 60 108 kHz 之间；超群一超群由 5 个基群 60 路话路组成，占用 240 kHz 的带宽，位于 312 552 kHz；主群一主群由 10 个超群 600 路话路组成，占用 2.4 GHz 的带宽。super group139.3 时分复用n时分复用原理时分复用原理将时间分为若干个互不重叠的小时段（时隙），各路信号占用各自的时隙，合路成一个复用信号。n基本特点基本特点TDM 在时域上各路信号是分割开的，但在频域上各
6、路信号是混叠在一起的。这一点正好与 FDM 相反。TDM 容易用数字电路实现，因而也容易集成。而 FDM 要使用调制解调器和滤波器，所以集成比较困难。master group149.3 时分复用n时分复用实现框图时分复用实现框图LPFCH1LPFCH2LPFCHn多路选择信道多路选择LPFLPFLPFCH1CH2CHn同步time slot159.3 时分复用n时分复用原理图示时分复用原理图示ttttcommutator169.3 时分复用n时分复用时隙分配和帧结构时分复用时隙分配和帧结构12n12n12TTc时隙长度帧周期frame179.3 时分复用n话路时分复用技术标准（国际电信联盟）话
7、路时分复用技术标准（国际电信联盟）准同步数字体系（PDH）nE体系nT体系同步数字体系（SDH）International Telecommunications Union(ITU)189.3 时分复用n准同步数字系列准同步数字系列 E体系体系层次层次比特率比特率（Mb/s）路数路数（路（路 64 kb/s）E 12.04830E 28.448120E 334.368480E 4139.2641920E 5565.1487680plesiochronous digital hierarchy(PDH)199.3 时分复用n准同步数字系列准同步数字系列 T体系体系层次层次比特率比特率（Mb/s）
8、路数路数（路（路 64 kb/s）T 11.54424T 26.31296T 332.064（日本）48044.736（北美）672T 497.728（日本）1440274.176（北美）4032T 5397.200（日本）5760560.160（北美）8064synchronous digital hierarchy(SDH)209.3 时分复用nE体系结构体系结构13041234一次群2.048Mbit/s二次群8.448Mbit/s三次群34.368Mbit/s四次群139.264Mbit/s30444五次群565.148Mbit/s123412341234hierarchy219.3
9、时分复用nPCM一次群帧结构一次群帧结构一帧有 32 个路时隙，TS0，TS1，TS31。TS0 用于帧同步，TS16 用于话路信令。每个路时隙包含 8 个码元，一帧为 256 个码元。每路信号的抽样频率为 fs=8 kHz，每帧的时间长度为 Ts=125 s。每 16 帧组成一个复帧，F0，F1，F15。复帧的频率为 8 kHz/16=500 Hz复帧的周期为 125 s 16=2 ms每帧的 TS16 可传输两个话路的信令。每帧 32 个路时隙中 30 个用于传输话路信号，故称 30/32系统。frame configuration229.3 时分复用nPCM一次群帧结构图示一次群帧结构图
10、示16 帧，2.0 msF0F15F14F13F12F11F10F9F8F7F6F5F4F3F2F1TS31TS30TS29TS28TS27TS26TS25TS24TS23TS22TS21TS20TS19TS18TS17TS16TS15TS14TS13TS12TS11TS10TS9TS8TS7TS6TS5TS4TS3TS2TS1TS032 路时隙，256 bit，125 s 0 0 1 1 0 1 1 11 1 1 1 1A1偶帧奇帧帧同步时隙信令时隙话路时隙239.3 时分复用n随路信令随路信令TS31TS30TS29TS28TS27TS26TS25TS24TS23TS22TS21TS20T
11、S19TS18TS17TS16TS15TS14TS13TS12TS11TS10TS9TS8TS7TS6TS5TS4TS3TS2TS1TS00 0 0 0 1 A21 1a bd a b c dca bd a b c dc信令时隙F1F15CH1CH16CH15CH30F0同步信令信令249.3 时分复用n复接技术复接技术复接技术是解决来自不同链路的多路信号的合并和区分。将低次群合并成高次群的过程称为复接。将高次群分解为低次群的过程称为分接。复接技术的关键是：多路TDM信号时钟的统一和定时问题。259.3 时分复用n码速调整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。码
12、速调整的代价 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8.448 Mb/s，这额外的256kb/s中就包括码速调整所需的开销。码速调整的方法正码速调整、负码速调整、正/负码速调整等269.3 时分复用n正码速调整法原理正码速调整法原理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。码元波形无误差的抽样正码速的抽样ttt279.3 时分复用n同步数字体系体系结构同步数字体系体系结构信息是以“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S
13、OH 组成块状帧结构，其重复周期为125s。SDH的速率等级等级比特率(Mb/s)STM-1 155.52STM-4 622.08STM-162,488.32STM-649,953.28synchronous transfer module(STM)289.3 时分复用nSDH和和PDH的关系的关系将若干路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。overhead299.3 时分复用nSDH的结构：的结构：容器（C-n）：存放
14、信息，有高阶和低阶之分。路径开销（POH）：终端站路径信息。虚容器（VC-n）：加了POH的容器。低阶低阶高阶高阶比特率比特率(Mb/s)1.5442.0486.312 34.468 44.736 139.264容器容器C-11C-12C-2C-3C-3C-4虚容器虚容器VC-11 VC-12 VC-2VC-3VC-3VC-4container309.3 时分复用nSDH的结构：的结构：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。支路单元指针（TUprt）：指向支路单元。支路单元群（TUG）：由若干个支路单元组成。管理单元（AU-n）：是一种信息结构，起信息
15、管理作用。管理单元指针（GUprt）：指向管理单元。管理单元群（GUP）：由若干个管理单元组成。段开销（SOH）：有关段的信息。virtual container319.3 时分复用nSDH的体系结构的体系结构STM-NAUGNAU-4AU-3VC-4VC-331TUG-3TU-31VC-3C-3C-4C-2C-11C-12VC-11VC-12VC-2TU-11TU-12TU-2TUG-234773指针处理复用定位调整映射path overhead(POH)329.3 时分复用nSDH的帧结构的帧结构管理单元指针段开销（SOH）段开销（SOH）STM-N 有效负荷134599N261N9行27
16、0N 列（bytes）339.3 时分复用nSDH的体系结构的体系结构STM-1 是SDH最基本、最重要的结构；STM-N 按同步复用、字节间插形成；STM-1 的帧容量为 270 9=2430 byte；STM-1 的帧容量为 2430 8=19440 bit；STM-1 的帧速率为 8000帧/s；STM-1 的比特速率为 155.520 Mbit/s；STM-N 的比特速率为 155.520 N Mbit/s。349.4 码分复用（CDM）n码组的互相关函数码组的互相关函数设 x 和 y 两个等长码组，x=(x1,x2,xi,xN)y=(y1,y2,yi,yN)式中，xi,yi(1,1)
17、,i=1,2,N。它们的互相关函数定义为两个码组正交的充分和必要条件为 (x,y)=0NiiiyxNyx11),(359.4 码分复用（CDM）n正交码组实例正交码组实例s1=(+1,+1,+1,+1)s2=(+1,+1,1,1)s3=(+1,1,1,+1)s4=(+1,1,+1,1)ts111ts211ts311ts411369.4 码分复用（CDM）n用用“0”和和“1”表示的互相关函数表示的互相关函数“0”表示“+1”“1”表示“1”互相关系数定义式式中，A 为 x 和 y 中对应码元相同的个数；D为 x 和 y 中对应码元不同的个数。DADAyx),(379.4 码分复用（CDM）n用
18、用“1”和和“0”表示二进制码元的实例表示二进制码元的实例n特点特点“1”和“1”表示“0”和“1”表示s1=(1,1,1,1)s2=(1,1,1,1)s3=(1,1,1,1)s4=(1,1,1,1)s1=(0,0,0,0)s2=(0,0,1,1)s3=(0,1,1,0)s4=(0,1,0,1)1111111101001110389.4 码分复用（CDM）n码组的自相关函数码组的自相关函数式中，x的下标 i+j 应按模N运算，即xN+i xi。n自相关函数实例设 x=(x1,x2,x3,x4)=(1,1,1,1)则其自相关系数为x(0)=1x(1)=0 x(2)=1 x(3)=0NijiixN
19、jxxNj1)1(,1,01)(399.4 码分复用（CDM）n用用“0”和和“1”表示的自相关函数表示的自相关函数“0”表示“+1”“1”表示“1”自相关系数定义式式中，A 为 x 和 y 中对应码元相同的个数；D为 x 和 y 中对应码元不同的个数。n互相关函数和自相关函数的取值范围互相关函数和自相关函数的取值范围1 1,DADAxxjii),(409.4 码分复用（CDM）n有关码组正交的几个定义有关码组正交的几个定义当 =0 时，码组为正交编码当 0 时，码组为准正交编码当 0 时，码组为超正交编码n超正交编码超正交编码若一码组中的任意两个码组均超正交，则称这种编码为超正交编码。例：s
20、1=(0,1,1)s2=(1,1,0)s3=(1,0,1)419.4 码分复用（CDM）n双正交编码双正交编码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)429.4 码分复用（CDM）n四路码分复用原理方框图四路码分复用原理方框图s1m1s2m2s3m3s4m4iiisms1m1积分s2m2s3m3s4m4积分积分积分439.4 码分复用（CDM）n四路码分复用波形图四路码分复用波形图tttttttttttttttttttttmi(t)si(t)mi(t)s
21、i(t)mi si(mi si)siT(mi si)sidt449.4 码分复用（CDM）n正交码正交码 阿达玛（阿达玛（Hadamard）矩阵）矩阵2 阶阿达玛矩阵2 阶阿达玛矩阵简洁表示阶数为 2 的整幂的阿达玛矩阵的递推公式11112H2H22HHHNN459.4 码分复用（CDM）n正交码正交码 阿达玛（阿达玛（Hadamard）矩阵）矩阵4 阶阿达玛矩阵22222224HHHHHHHH469.4 码分复用（CDM）n正交码正交码 阿达玛（阿达玛（Hadamard）矩阵）矩阵8 阶阿达玛矩阵4444248HHHHHHH479.4 码分复用（CDM）n阿达玛（阿达玛（Hadamard）矩
22、阵的性质）矩阵的性质正规阿达玛矩阵：H 矩阵对称，且其第一行和第一列中的元素全为“+”。若交换正规 H 矩阵的任意两行或两列，或者改变任一行（或列）中的全部元素的符号，此矩阵仍为 H 矩阵，但不一定正规。高于 2 阶的 H 矩阵的阶数一定是 4 的倍数。489.4 码分复用（CDM）n正交码正交码 沃尔什（沃尔什（Walsh）矩阵）矩阵8W499.4 码分复用（CDM）n伪随机码伪随机码具有类似白噪声的随机特性但是又能重复产生。具有良好的相关特性，可以用于码分复用、多址接入、测距、密码、扩展频谱通信和分离多径信号等许多用途。伪随机序列有多种，其中以 m 序列最为重要。nm序列序列m序列是一种由
23、线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列。509.4 码分复用（CDM）n4级级m序列发生器序列发生器初始状态 周期24 1=15a3a2a1a0a3a2a1a01111010110010000111101011001000011110101100100001111010110011000run-length注：不能出现全0态519.4 码分复用（CDM）nn级级m序列发生器序列发生器递推方程特征方程ak1ak2akn1akncn=1c0=1c2cn1c1niikinknkkkacacacaca12211niiinnxcxcxccxf010)(529.4 码分复用（CDM）n本原多项式本原多项式
24、使一个线性反馈移位寄存器产生最长周期序列的充分必要条件是其特征方程 f(x)为本原多项式。本原多项式满足以下三个条件：多项式是既约的，即不能分解因子；设 m=2n1，多项式是 xm+1 的因子；多项式不是 xq+1，q m 的因子。例：例：1)(4xxxfa3a2a1a0539.4 码分复用（CDM）n常用本原多项式常用本原多项式n本原多项式本原多项式n本原多项式本原多项式n本原多项式本原多项式2x2+x+110 x10+x3+118x18+x7+13x3+x+111x11+x2+119 x19+x5+x2+x+14x4+x+112 x12+x6+x4+x+1 20 x20+x3+15x5+x
25、2+113 x13+x4+x3+x+1 21x21+x2+16x6+x+114 x14+x10+x6+x+1 22x22+x+17x7+x3+115x15+x+123x23+x5+18 x8+x4+x3+x2+1 16 x16+x12+x3+x+1 24 x24+x7+x2+x+19x9+x4+117x17+x3+125x25+x3+1549.4 码分复用（CDM）nm序列的性质序列的性质均衡性：一个周期内，“1”的个数比“0”的个数多一个。游程分布：游程是指序列中取值相同的一段元素。并把这段元素的个数称为游程长度。000 1111 0 1 0 11 00 1n长度为 1 的游程数占 2 1n
26、长度为 2 的游程数占 2 2n长度为 k 的游程数占 2 k n连“1”游程和连“0”游程数量相等559.4 码分复用（CDM）nm序列的性质序列的性质移位相加特性例：Mp=000111101011001Mr=100011110101100Ms=100100011110101Mr为Mp循环右移1位的结果；Ms为Mp循环右移3位的结果。srpMMM569.4 码分复用（CDM）nm序列的性质序列的性质自相关特性1,2,1,10,1)(mjmjj(j)jmm011/m579.4 码分复用（CDM）nm序列的性质序列的性质功率谱密度)(12)2/()2/sin(1)(2022mmTnmTmTmmP
27、nnPm()O2m/T589.5 多址技术n多址技术的基本概念多址技术的基本概念不同地域的不同用户同时（或几乎同时）使用统一信道的技术。n多址技术与复用技术的异同点多址技术与复用技术的异同点通过频分复用、时分复用和码分复用等技术使多路信号共用统一信道。多址技术指的是相距遥远的用户远程分享一个信道，如卫星通信等；而复用技术是指一个地区的用户分享一个信道，如电话。复用系统中，用户的需求通常是固定的；而多址系统中，用户的需求变化是很大的。multiple user system599.5 多址技术n频分多址频分多址原理：将一个带宽有限的信道按频率划分成多个子带，分配给不同的用户。实例：卫星通信系统frequency division multiple access(FDMA)时间频率频带1保护带频带2保护带频带3609.5 多址技术n时分多址时分多址原理：将一个带宽有限的信道按时间划分成多个时隙，分配给不同的用户。实例：卫星通信系统time division multiple access(TDMA)时间频率时隙保护时间时隙保护时间时隙61第九章习题
