常用的多路复用技术

2.7.2　常用的多路复用技术

简单的交通车辆规划

图2-23　交通车辆规划1

图2-24　交通车辆规划2

现有A、B两个车队，分别由50辆轿车和100辆卡车组成，均要通过某单行2车道道路。可供车队选择的通行方式有很多，其中较为简单的是每个车队占一个车道，分别通行，如图2-23所示。

若现在某车道由于某种原因禁行，仅有一条车道可供两个车队通行，则两车队可穿插通行，如A车队1辆，B车队1辆，如图2-24所示。

上述两种通行方式，分别类似于多路复用中的频分复用和时分复用。

1.频分复用

频分复用（FDM）是将给定的频谱资源按频率划分，将各路信号频谱互相错开传输，并留有足够的防护频带间隔，以便防止或减小各路频带之间的干扰，如图2-25所示。

图2-25　FDM示意图

2.时分复用

时分复用（TDM）是把传输时间划分为若干时隙，各路信号错时传输，如图2-26所示。

图2-26　TDM示意图

帧

数据帧：数据帧是数据链路层的协议数据单元，它包括3部分：帧头、数据部分、帧尾。其中，帧头和帧尾包含一些必要的控制信息，比如同步信息、地址信息、差错控制信息等；数据部分则包含网络层传下来的数据，比如IP数据报。在发送端，数据链路层把网络层传下来的数据封装成帧，然后发送到链路上去；在接收端，数据链路层把收到的帧中的数据取出并交给网络层。

图2-27　多路数字电话系统中的信号传递

不同的数据链路层协议对应着不同的帧，所以帧有多种，比如PPP帧、MAC帧等，其具体格式也不尽相同。

在多路数字电话系统中，在PCM30/32路的制式中，一帧由32个时隙组成；一个时隙为8位码组。时隙1～15、17～31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”，即传同步信号，时隙16（TS16）用于传送各话路的标志信号码，即传送信令信号，如图2-27所示。

FLASH帧：是影像动画中最小单位的单幅影像画面，相当于电影胶片上的每一格镜头。一帧就是一副静止的画面，连续的帧就形成动画，如电视图像等。

火车运输

图2-28　数据帧与火车

数据帧类似火车，如图2-28所示。一帧被划分成若干个时隙，就像火车由若干的车厢构成一样。将火车的各节车厢进行编号后，如要运送大量的各类水果：苹果、鸭梨、草莓、香蕉……为了方便区分各类水果，可以规定每列火车的第2节车厢运送苹果；第3节车厢运送鸭梨；第4节车厢运送草莓；第5节车厢运送香蕉；……尽管这种方式有利于终点站按需卸载货物，但是如果现存苹果比较少，两列火车就足以运完，下批苹果要两天后才需运输。那么按照上述方式，这段时间内装运苹果的第2节车厢将一直闲置。如图2-29所示。

图2-29　火车运输装货

为了进一步提高火车资源的利用率，可以将运输方案改进为按需分配车厢，即根据代运货物多少动态分配车厢，从而避免车厢空闲。例如，当没有苹果需要运输时，就减少1节车厢。变动的车厢数量，使得车厢编号失去了意义。由于事先并不知道哪个车厢运送哪类水果，为了方便终点卸货，需要在每个车厢上标注运送货物的信息。由于每次都需要重新标注货物信息，因此给始发站带来了额外的工作量。

这两种货物运输方案的思想在通信系统中分别称为同步时分复用和统计时分复用。

时分复用的方式主要有两种：同步时分复用和统计时分复用。

（1）同步时分复用

在同步时分复用中，将每帧的时隙按顺序进行编号，所有帧中编号相同的时隙将成为一个恒定速率的子信道，传递一路的信息。

（2）统计时分复用

在统计时分复用（Statistical Time Division Multiples，STDM）中，为了提高时隙利用率，通常动态分配时隙，因此帧长是不固定的。变动的帧长使时隙的位置失去了意义。由于事先并不知道哪个数据源产生的数据占用什么位置，为了使接收端的复用器能正确分离各路数据，就必须使每个时隙中带有地址信息。因为每个时隙中既有数据又包含地址，所以STDM的每个时隙必定存在额外开销。但尽管如此，理论和实践证明，无论采用何种数据传输方式，STDM的效率总是要比TDM的效率高1.5～4倍。如图2-30所示。

3.码分复用

码分复用（CDM）中各用户信号的频率和时间可相互重叠，用户信号的划分是利用不同地址码序列实现的，如图2-31所示。

CDM为不同信道分配不同的地址码，对要传输的数据用该地址码进行编码，如图2-32所示。地址码通常是伪随机码（PN码），如m序列、M序列、GOLD序列等。地址码不仅本身具有良好的自相关性，并且不同地址码之间相互正交，即互相关值近似为0。

图2-30　TDM与STDM

图2-31　CDM示意图

图2-32　CDM编解码示意图

m序列

图2-33　m序列产生电路逻辑框图

地址码通常是伪随机码（PN码），m序列就是典型的PN码。

1.m序列的产生

m序列由具有线性反馈的移位寄存器产生。例如，借助四个移位寄存器可以生成长度（周期）为15的m序列，如图2-33所示。

在时钟脉冲的作用下，移位寄存器的状态不断变化。若移位寄存器的初始状态为c₀＝0、c₁＝0、c₂＝0、c₃＝1，则下一时刻c₁＝0、c₂＝0、c₃＝1，而c₀等于上一时刻c₀和c₃的异或结果，即c₀＝0⊕1＝1。由此可以得到m序列的状态转移变化图表，如表2-14所示。

表2-14　状态转移变化图表

其中时刻15的状态结果与时刻0相同，因此m序列周期长度为15。若以c₃作为m序列的输出，则m序列为｛1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0｝。

2.m序列的性质

（1）n级m序列的长度为N＝2ⁿ-1，例如，n＝4，则N＝2⁴-1＝15。

（2）在m序列中，“1”的个数比“0”的个数多1。例如，序列｛1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0｝属于4级m序列，其中有8个“1”和7个“0”。

（3）用宽度为n的窗口沿m序列滑动N次，除全“0”外，其他每种n位状态刚好出现一次。

例如，序列｛1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0｝从右至左进行滑动N次的结果如表2-15所示。

表2-15　滑动结果

（4）在m序列中定义连续相同的一组符号为一个游程，把相同符号的个数称为游程的长度，则对任一m序列有：

①“1”的长度为n的游程只有1个，“0”的长度为n的游程为0个。如序列｛1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0｝中有1个“1111”，没有“0000”。

②“1”的长度为n-1的游程为0个，“0”的长度为n-1的游程为1个。如序列｛1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0｝中没有“111”，有一个“000”。

③“1”的长度为k，“0”的长度为k的游程，各为2^n-k-2个，其中1≤k≤n-2。

例如，序列｛1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0｝中“1”和“0”不同长度的游程个数如表2-16所示。

表2-16　游程个数

（5）一个m序列与该序列的任意位相移后的序列模2加后仍为具有某种相移的该m序列。

例如，序列｛1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0｝将每次相移后的结果进行编号，如表2-17所示。

表2-7　相移后结果

随意取两个编号的序列，如编号为3和编号为11的两个序列，模2加后为

新的序列与编号9对应的序列一致。

（6）若用“＋1”代表m序列｛b｝中的“1”；“-1”代表m序列｛b｝中的“0”，则自相关函数是周期性的双电平。函数图如图2-34所示。

图2-34　m序列自相关函数图

例如，m序列｛1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0｝，若用“＋1”代表序列中的“1”；“-1”代表序列中的“0”，则自相关函数如表2-18所示。

海底光缆

表2-18　m序列的自相关函数

同步技术

为了使整个数字通信系统准确、有序、可靠地工作，收、发双方必须有一个统一的时间标准，该时间标准依靠定时系统来完成收、发双方时间的一致性，即实现时间上的同步。

同步是使系统的收、发两端在时间上和频率上保持步调一致。同步的准确性对通信质量有很大的影响。同步是系统正常运行的前提，若不同性能不好将使数字通信设备的抗干扰能力下降、误码增加等。

同步技术可以分为载波同步、位同步（码元同步）、帧同步和网同步。

同步的方式可以分为外同步（由发送端提供专门的同步信息）和自同步法（发送端不提供专门的同步信息，接收端设法从所收的信号中提取同步信息）。

4.空分复用

正如交通网中，地上可以开车，地下可以通地铁，空分复用（SDM）就是利用不同用户空间位置上的差异实现用户区分，如图2-35所示。

5.波分复用

在光纤通信中，利用同一根光纤同时传输两种或多种不同波长的光载波信号（携带有各种类型的信息）的复用方式，称为波分复用（WDM）。从概念上讲，波分复用与频分复用是相同的。

图2-35　SDM示意图