第六讲-物理层之三：多路复用和同步技术-课件.ppt

1、为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰的技术。输而互不干扰的技术。1 link,n channels n inputs n outputs一、多路复用一、多路复用 多路复用多路复用(multiplexing)为什么多为什么多路复用路复用数据速率越高传输设施的成本有效就越高。数据速率越高传输设施的成本有效就越高。大多数个人数据通信设备要求相对低的数据率。大多数个人数据通信设备要求相对低的数据率。信号之间的差别。信号之间的差别。频率上的不同、信号出现频率上的不同、信号出现时间上的不同或信号码型时间上的不同或信号码型结构上的不同。结构上的不同

2、。实现多路复用的关键实现多路复用的关键把多路信号汇合到一把多路信号汇合到一条信道上之后，在接条信道上之后，在接收端必须能正确地分收端必须能正确地分割出各种信号。割出各种信号。分割信号的依据分割信号的依据 多路复用技术多路复用技术 频分多路复用频分多路复用时分多路复用时分多路复用(同步同步TDM)统计统计TDM(异步异步TDM或智能或智能TDM)频分多路复用频分多路复用每个数据信号被调制到具有不同频率的载波上，所有的信每个数据信号被调制到具有不同频率的载波上，所有的信号在一个信道上同时传送。号在一个信道上同时传送。channel 1channel 4channel 3channel 2Time

3、Frequency 1.频分多路复用频分多路复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)宽带模拟传输技术宽带模拟传输技术Subcarrierfsc1 FDM一般描述一般描述Subcarrierfsc2SubcarrierfscNTransmiterfcm1(t)m2(t)mN(t)s(t)=FDMmc(t)ssc1(t)ssc2(t)sscN(t)(a)发送器发送器|Mc(f)|fsc1fsc2fscNBscNBsc2Bsc1Bf0(b)组成信号的频谱组成信号的频谱Receiver Bandpass filter,fsc1Bandpass filter,fsc

4、2Bandpass filter,fscNDemodulator,fsc1Demodulator,fsc2Demodulator,fscNs(t)m1(t)m2(t)mN(t)(c)接收器接收器 在一个媒体上同时传送三路语音信号在一个媒体上同时传送三路语音信号|Mi(f)|f(Hz)03003400 4000646068f(kHz)f(kHz)Upper sidebandLower sideband60646872Lower sideband,Ssc1(t)Lower sideband,Ssc3(t)(a)Mi(f)的频谱的频谱(b)fsc1=64kHz的频谱的频谱(c)使用子载波使用子载波6

5、4,68,72的合成信号频谱的合成信号频谱 12 48kHz 60-108kHz 基群基群 基群基群 60 240kHz 312-552kHz 超群超群 超群超群 (5*12)(5*48)300 1.232MHz 812-2044kHz 主群主群 (5*60)(5*240+4*8)600 2.52MHz 564-3084kHz 主群主群北美及国际北美及国际FDM载波标准载波标准语音语音 信道数信道数 带宽带宽 频谱频谱 AT&T CCITTf12=108f11=104f2=68f1=64f5=552f4=504f3=456f2=408f1=360f5=2044f4=1804f3=1556f2=

6、1308f1=10602#1#11#12#语音输入语音输入 子载波子载波 带宽带宽0-4kHz CCITT的的FDM层次结构层次结构60646468100104104108360312360408408456456504504552812106010601308130815561556180418042044基群基群超群超群主群主群5超群输入到超群输入到主群复合器主群复合器 5基群输入到基群输入到超群复合器超群复合器(TDM,Time Division Multiplexing)channel 1channel 4channel 2Time Frequency channel 1channel

7、 2channel 3以时间作为分割信号的依据。它利用每个信号在以时间作为分割信号的依据。它利用每个信号在时间上交叉，可在一个传输通路上传输多个数字时间上交叉，可在一个传输通路上传输多个数字信号信号(或运载数字数据的模拟信号或运载数字数据的模拟信号)2.时分多路复用时分多路复用基带传输技术基带传输技术 同步时分多路复用同步时分多路复用 同步同步TDM的一般描述的一般描述Buffer Buffer Buffer Modem Scanoperationm2(t)m1(t)mN(t)mc(t)s(t)(a)发送器发送器1(b)TDM帧帧Frame 时间槽：空或满时间槽：空或满Buffer Buffe

8、r Buffer mc(t)m1(t)m2(t)mN(t)Scanoperation(c)接收器接收器23N1Frame 23N TDM的实质的实质m1(t)m2(t)mn(t)低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波m1(t)m2(t)mn(t)n路时分复用系统的关键路时分复用系统的关键收发端旋转开关必须严格收发端旋转开关必须严格的同步，即同频同相，才的同步，即同频同相，才能保证正常的通信。能保证正常的通信。利用了采样原理。利用了采样原理。总时间总时间T划分的时间片数划分的时间片数N=复用器输入端的低速线路数。复用器输入端的低速线路数。复用器输出线路容量复用器输出线路容量 复用器输入

9、线路容量复用器输入线路容量例例1.Bell系统的系统的T1载波能处理复用在一起的载波能处理复用在一起的24条话路。条话路。使用了使用了PCM和和TDM技术。技术。按照奈氏定理，每秒按照奈氏定理，每秒8000次对次对24路话音通道依次抽样，产路话音通道依次抽样，产生生7个数据位和个数据位和1个控制位。个控制位。每条信道获得每条信道获得 78000 56000bps 数据位数据位 18000 8000bps 控制位控制位每次抽样还有一附加位每次抽样还有一附加位(用于帧同步用于帧同步)。T1载波的总数据率载波的总数据率 24560002480008000=1.544Mbps 每帧包含：每帧包含：24

10、81(附加位附加位)193比特比特 其中第其中第193位用于帧同步位用于帧同步(01010101)一边是一组一边是一组I/O线路另一边是一条高速复用线路线路另一边是一条高速复用线路每条每条I/O线路有一缓冲区线路有一缓冲区对于对于n条条I/O线路在线路在TDM帧中只有帧中只有k个时间槽可用个时间槽可用3.统计时分多路复用统计时分多路复用 异步异步TDM(统计统计TDM)动态地按照需要来分配时隙的多路复用方式。动态地按照需要来分配时隙的多路复用方式。工作原理工作原理输出线路容量输出线路容量 输入线路容量输入线路容量即低速线路数即低速线路数n 高速线路的时隙数高速线路的时隙数k输出时，多路复用器接

11、收一帧，将各时间槽的输出时，多路复用器接收一帧，将各时间槽的数据分发到相应的输出缓冲区。数据分发到相应的输出缓冲区。输入时多路复用器的功能是扫描输入缓冲区收集输入时多路复用器的功能是扫描输入缓冲区收集数据直到一帧为满，就发送出去。数据直到一帧为满，就发送出去。统计统计TDM与同步与同步TDM比较比较ABCD Users t0 t1 t2 t3 t4 A1C1B1D1A2B2C2D2同步同步TDMA1A2C2First cycleSecond cycleB1B2C2统计统计TDM额外的可用带宽First cycleSecond cycleTo remote computer每个时隙不但要传送数据

12、，同时还要传送相应的地每个时隙不但要传送数据，同时还要传送相应的地址信息，每个时隙会有一定的开销。址信息，每个时隙会有一定的开销。FLAGFLAGAddress ControlStatistical TDMsub frameFCS 统计统计TDM的帧的帧AddressData Address Length Data Address Length Data (a)每一帧只有一个源每一帧只有一个源(b)每一帧具有多个源每一帧具有多个源 统计统计TDM的关键的关键四、波分多路复用四、波分多路复用 (WDM,Wavelength division multiplexing)频分多路复用在光纤信道的使用

13、。频分多路复用在光纤信道的使用。相同于电子相同于电子FDM。衍射光栅是完衍射光栅是完全无源的，因全无源的，因而可靠性高。而可靠性高。光纤到楼光纤到楼双向同时双向同时(two-way simultaneous)。二、同步技术二、同步技术1.信道通信方式信道通信方式 单工通信单工通信(Simplex)在任何时候只允在任何时候只允许按照一个方向许按照一个方向传输信息。传输信息。半双工通信半双工通信(Half-deplex)通信双方可交替地向对方传通信双方可交替地向对方传输信息，但任何时候只允许输信息，但任何时候只允许在一个方向上传输。在一个方向上传输。双向交替双向交替(two-way alterna

14、te)全双工通信全双工通信(Full-deplex)允许在两个方向同时传送信息。允许在两个方向同时传送信息。数据的每一位分别在不同的并行信道上同时传输。数据的每一位分别在不同的并行信道上同时传输。即一组二进制位同时在一根电缆的一束线路上并行传输。即一组二进制位同时在一根电缆的一束线路上并行传输。Sender Receiver Data line 优点：传输速率高优点：传输速率高 缺点：采用多条线路成本高缺点：采用多条线路成本高2.并行传输和串行传输并行传输和串行传输 并行传输方式并行传输方式1001构成数据代码的若干位串行排列成数据流，在一构成数据代码的若干位串行排列成数据流，在一条信道上传输

15、。条信道上传输。同步问题同步问题Sender Receiver Data line 串行传输方式串行传输方式优点：成本低，长距离传输时比并行传输更可靠。优点：成本低，长距离传输时比并行传输更可靠。缺点：要解决同步问题，速率低缺点：要解决同步问题，速率低接收方如何在到达的数据流中正确地接收方如何在到达的数据流中正确地区分出发送端所发出的一个个代码。区分出发送端所发出的一个个代码。1001为了保证接收端能以与发送端相为了保证接收端能以与发送端相同的速率逐一地接收数据，必须同的速率逐一地接收数据，必须要知道每一位的起止时刻，并正要知道每一位的起止时刻，并正确地识别出每一个位，从而才能确地识别出每一个

16、位，从而才能对解调后的位序列中的每一位进对解调后的位序列中的每一位进行取样和判决，得出正确的结果。行取样和判决，得出正确的结果。3.同步技术同步技术 载波同步载波同步在调制解调中，接收端在调制解调中，接收端需要一个与发送端载波需要一个与发送端载波同频同相的相干载波，同频同相的相干载波，参与解调工作，才能将参与解调工作，才能将数据从已调信号中恢复数据从已调信号中恢复出来。出来。位同步位同步区分每个完整的信号区分每个完整的信号块或帧块或帧(报文报文)的开始和的开始和结束位。要求接收端结束位。要求接收端能产生与发送端帧保能产生与发送端帧保持同步的定时脉冲。持同步的定时脉冲。帧同步帧同步为了使数字信号

17、能在各交换点为了使数字信号能在各交换点正确地进行转接或交换，就要正确地进行转接或交换，就要求通信网内各交换转接点的时求通信网内各交换转接点的时钟频率和相位的统一协调。钟频率和相位的统一协调。网同步网同步 位同步位同步在接收端设法产生一个与发送端发送来的位速率相同且在接收端设法产生一个与发送端发送来的位速率相同且在时间上对准最佳判决点的定时脉冲序列。在时间上对准最佳判决点的定时脉冲序列。外同步法外同步法它要求在发送端发送数据的同时也发送位定时信息。它要求在发送端发送数据的同时也发送位定时信息。开辟专门的传输开辟专门的传输位定时信息的信道位定时信息的信道在发送的数据中叠加上位定时信在发送的数据中叠

18、加上位定时信息。使得不包含位定时信号的位序息。使得不包含位定时信号的位序列中也有定时信息的成份。列中也有定时信息的成份。把接收解调后的基带信号从不归零波形变换成归零形把接收解调后的基带信号从不归零波形变换成归零形式的二进制信号，使得信号的频谱中出现位定时信号式的二进制信号，使得信号的频谱中出现位定时信号的频谱分量。的频谱分量。整形整形(限幅限幅)微分微分整流整流(全波全波)整形整形(展宽展宽)e1(t)e2(t)e3(t)e4(t)e5(t)(a)变换的工作过程窄带滤波窄带滤波移相移相脉冲形成脉冲形成准定时脉冲准定时脉冲位定时脉冲位定时脉冲(b)用滤波方法获得位定时脉冲要求接收端直接从接收的数

19、字信号中提取出位定时信号。要求接收端直接从接收的数字信号中提取出位定时信号。自同步法自同步法ttttte1(t)e2(t)e3(t)e4(t)e5(t)(c)波形变换过程波形变换过程 帧帧帧同步帧同步同步字符法及标志法同步字符法及标志法起止同步法起止同步法对所接收的位序列进行检测，对所接收的位序列进行检测，正确找出帧的开始与结束。正确找出帧的开始与结束。帧同步帧同步通常把专门格式的通常把专门格式的数据块称为数据块称为“帧帧”。帧同步的主要方法帧同步的主要方法同步传输同步传输异步传输异步传输同步传输方式与异步传输方式的区别同步传输方式与异步传输方式的区别4.同步通信与异步通信同步通信与异步通信取

20、决于发送和接取决于发送和接收设备的时钟是收设备的时钟是独立的（异步）独立的（异步），还是同步的。，还是同步的。异步传输异步传输每个字符独立传输，收方在收到每一个新字符每个字符独立传输，收方在收到每一个新字符的开始位后重新同步。的开始位后重新同步。工作方式工作方式不发送长的无间断的位流以避免时钟问题；不发送长的无间断的位流以避免时钟问题；一次只发送一个字符，每个字符一次只发送一个字符，每个字符5至至8位长。位长。通过起始和结束码在每个字符内维持时钟和同步；通过起始和结束码在每个字符内维持时钟和同步；接收端有机会在下个字符的开始时重新同步。接收端有机会在下个字符的开始时重新同步。5-8 数据位数据

21、位起始位起始位奇、偶或没用奇、偶或没用1-2位、时间位、时间停止停止10保持空闲保持空闲或下一个或下一个起始位起始位(a)字符格式字符格式1 1 1 1 0 0 0 11 1 0 1 0 0 1 1起始位起始位停止位停止位(b)8位异步字符流位异步字符流两个字符之间不可两个字符之间不可预测的时间间隔预测的时间间隔线路空线路空闲状态闲状态起始位起始位停止位停止位接收器检测新接收器检测新字符的开始字符的开始每位中心抽样每位中心抽样A 1 0 0 0 0 0 1 0B 1 0 0 0 0 1 0 0C 1 0 0 0 0 1 1 1 起始位起始位 停止位起始位停止位起始位 停止位起始位停止位起始位

22、停止位，线路空闲停止位，线路空闲0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1例如：假设停止位长度为例如：假设停止位长度为1位时间，要发送位时间，要发送ASCII字符串字符串ABC。b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 Parity按照发送原则，从最低有效位开始，那么按照发送原则，从最低有效位开始，那么 A：10000010 B：01000010 C：11000011发送模式发送模式(增加起始位和停止位增加起始位和停止位)：接收端的同步是利用起始位的从接收端的同步是利用起始位的从1到到0的固定跃变，

23、的固定跃变，启动内部的时钟电路，然后对各个位依次抽样判决启动内部的时钟电路，然后对各个位依次抽样判决而取得同步的。而取得同步的。字符之间的不确定方式字符之间的不确定方式起起始始位位停停止止位位停停止止位位停停止止位位起起始始位位起起始始位位 同步原理同步原理 优点优点 实现简单，无需预先实现简单，无需预先建立系统的同步；建立系统的同步；缺点缺点 传输效率低传输效率低12345678StopStart 0 100 200 300 400 500 600 700 800 93 186 279 372 465 558 651 744数据率为数据率为10000bps，每一位时间长，每一位时间长0.1毫

24、秒毫秒(100微秒微秒)。如果接收端慢如果接收端慢7，即每位差，即每位差7微秒。微秒。则接收器每隔则接收器每隔93us(基于发送器的时钟基于发送器的时钟)对入境字符取样。对入境字符取样。异步传输适用于传输速率不高，异步传输适用于传输速率不高，特别是交互会话式的通信系统。特别是交互会话式的通信系统。发送端发送端时钟时钟接收端接收端时钟时钟假设：假设：最后一个最后一个样值出错样值出错 防止发送器和接收器之间时间漂移方式防止发送器和接收器之间时间漂移方式同步传输同步传输大量的位以稳定流发送，没有起始位也没有停止位。大量的位以稳定流发送，没有起始位也没有停止位。发送器和接收器必须同步它们的时钟才能使接

25、收器知道发送器和接收器必须同步它们的时钟才能使接收器知道新字节的开始。新字节的开始。在发送器和接收器之间提供单独的时钟线在发送器和接收器之间提供单独的时钟线将时钟信息嵌入到数据信号中将时钟信息嵌入到数据信号中 同步传输中的另一级同步同步传输中的另一级同步 使接收器确定一块数据的开始和结束。使接收器确定一块数据的开始和结束。同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号，字符同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号，字符间无间隙。每个比特与时钟信号严格一一对应。间无间隙。每个比特与时钟信号严格一一对应。preamblepostambledata 同步通信的分类同步通信的分类面向字节协议面向字节协议采用采用

26、ASCII字符字符(如如SYN，SOH及及ETX)来控制来控制数据块的传输。数据块的传输。面向比特协议面向比特协议以一个稳定的位流来传输数以一个稳定的位流来传输数据。采用一个特殊的标志据。采用一个特殊的标志01111110来定界帧。来定界帧。数据块数据块(帧帧)：数据前后同步码控制信息数据前后同步码控制信息首先，接收端要从接收到的数据流中正确区分每个比特首先，接收端要从接收到的数据流中正确区分每个比特，即位同步。然后，在位同步的基础上实现帧同步。，即位同步。然后，在位同步的基础上实现帧同步。发送器在每个字符块之前插发送器在每个字符块之前插入两个或多个控制字符入两个或多个控制字符 面向字节协议面

27、向字节协议数据块以字符方式数据块以字符方式(通常为通常为ASCII)出现；帧中的所有附加出现；帧中的所有附加信息也为字符形式。每一块用一起始标志来达到同步。信息也为字符形式。每一块用一起始标志来达到同步。主要用来同步字符块主要用来同步字符块接收器通过检测接收器通过检测SYN来识别来识别一帧的开始一帧的开始同步空闲或同步空闲或SYN字符字符由由IBM在在60年代开发，曾用在年代开发，曾用在DECnet的的DDCMP和和ARPANET的的IMPIMP上。上。SYNSYNSOHheaderSTXdataETXCRC.ETX DLE.ETX或或DLE可出可出现在数据部分现在数据部分.DLEETX DL

28、EDLE.用用DLE封装封装ETX（字节填充技术）（字节填充技术）用用DLE封封装装ETX例：例：BISYNC（Binary Synchronous Protocol）采用多个同步符作为帧的起始标志。采用多个同步符作为帧的起始标志。开始时可能出现误同步。传输时低位在前，高位在后。开始时可能出现误同步。传输时低位在前，高位在后。1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 帧开始帧开始随机比特随机比特SYNSYNSOHSYN附：附：ASCII传输控制字符传输控制字符SOH：标题开始。指示标题的开始。：标题开

29、始。指示标题的开始。标题信息包括地址、序号，类型等。标题信息包括地址、序号，类型等。STX：正文开始。指示数据正文由此开始：正文开始。指示数据正文由此开始ETX：正文结束，指示数据正文到此结束：正文结束，指示数据正文到此结束DLE：数据链转义，通常在：数据链转义，通常在DLE后跟一两个非控后跟一两个非控 制字符共同组成制字符共同组成“转义序列转义序列”，可作新的，可作新的功功 能符使用，以扩充控制字符的功能。能符使用，以扩充控制字符的功能。SYN：同步。同步。在同步传输时，用此字符填充数据间歇。在同步传输时，用此字符填充数据间歇。将每个帧看作是一组比特将每个帧看作是一组比特(位位)。数据块的长

30、度不作规定。数据块的长度不作规定，也可以不是，也可以不是8比特的整数倍。数据块被当作比特序列看比特的整数倍。数据块被当作比特序列看待。它用一特殊的比特模式标志一帧的开始与结束。待。它用一特殊的比特模式标志一帧的开始与结束。目前广泛采用目前广泛采用 “01111110”序列序列。开放标志开放标志(前同步码前同步码)：标志一帧开始的比特模式：标志一帧开始的比特模式关闭标志关闭标志(后同步码后同步码)：标志一帧结束的比特模式：标志一帧结束的比特模式 面向比特协议面向比特协议例：例：SDLC(Synchronous Data Link Control Protocol)0111111001111110

31、0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0Opening flagClosing flag插入额外的位（位填充技术）插入额外的位（位填充技术）01111110可出现在数据部分。可出现在数据部分。任何时候发出任何时候发出5个连续的个连续的1后，插入一个后，插入一个0。由由IBM在开发，后被在开发，后被ISO标准化为标准化为HDLC(High-Level Data Link Control Protocol)。对于以字符为单位的帧结构，每当帧正文出现控制字符对于以字符为单位的帧结构，每当帧正文出现控制字符时时 就在其前插入一个就在其前插入一个DLE字符，使原始控制字符的语义发字符，使原始控制字符的语义发生变化；接收端收到后会自动删去这个生变化；接收端收到后会自动删去这个DLE。填充技术填充技术用来消除所传输信息中可能出现同步控制代码的技术。用来消除所传输信息中可能出现同步控制代码的技术。0 删除它删除它对于以位为单位对于以位为单位的帧结构，则可用的帧结构，则可用位填技术。位填技术。10 为关闭模式为关闭模式1 该帧应丢弃该帧应丢弃在发送端除了帧标志外在发送端除了帧标志外，每连续出现五个，每连续出现五个“1”便自动插入一个便自动插入一个“0”；在接收端，每收到连续在接收端，每收到连续五个五个“1”，便根据下一，便根据下一个入境位作出决策个入境位作出决策