通信原理教程09章 多路复用和多址技术.ppt

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通信原理 第九章 多路复用和多址技术 概述  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： 频分复用（FDM） 时分复用（TDM） 码分复用（CDM） 3种多路复用新方法： 空分复用(SDW) 极化复用(PDW) 波分复用(WDM) multiplexing 2 概述  频分复用原理 f 1 f 2 f N O O O  multiple access 3 概述  时分复用原理 t 1 t 2 t N O O O  frequency division multiplexing (FDM) 4 概述  码分复用原理 t 1 t 2 t N O O O  time division multiplexing (TDM) 5 概述  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。  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) 6 频分复用  频分复用的合路 LPF 调制器 BPF f1 CH1 信号 LPF 调制器 BPF f2 CH2 LPF 调制器 BPF fn CHn 信道 space division multiplexing (SDM) 7 频分复用  频分复用的频谱构成 f f f f CH1 CH2 CHn 合路 Δ B BgBs polarization division multiplexing (PDM) 8 频分复用  频分复用的分路 wave division multiplexing (WDM) LPF解调器BPF CH1 输出 LPFBPF CH2 LPFBPF CHn 信道 f1 f2 fn 解调器 解调器 9 频分复用  12 路群的多级调制 multiple connection 调制器 84k 三路 复用 BPF12 24 调制器 96k 调制器 108k 调制器 120k BPF BPF BPF 60 72 72 84 84 96 96 108 60 108 1 2 4 3 5 6 7 8 9 10 11 12 信号 三路 复用 三路 复用 三路 复用 10 频分复用  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 个。 basic group 11 频分复用  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 GHz 的带宽。 super group 12 时分复用  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。  基本特点 TDM 在时域上各路信号是分割开的，但在频域 上各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 group 13 时分复用  时分复用实现框图 LPF CH1 LPF CH2 LPF CHn 多路 选择  信道 多路 选择 LPF LPF LPF  CH1 CH2 CHn同步 time slot 14 时分复用  时分复用原理图示 t t t t commutator 15 时分复用  时分复用时隙分配和帧结构 1 2 n 1 2 n 1 2 T Tc 时隙长度 帧周期 frame 16 时分复用  话路时分复用技术标准（国际电信联盟） 准同步数字体系（PDH） E体系 T体系 同步数字体系（SDH） International Telecommunications Union (ITU) 17 时分复用  准同步数字系列 —— E体系 层次 比特率 （Mb/s） 路数 （路 64 kb/s） E  1 30 E  2 120 E  3 480 E  4 1920 E  5 7680 plesiochronous digital hierarchy (PDH) 18 时分复用  准同步数字系列 —— T体系 层次 比特率 （Mb/s） 路数 （路 64 kb/s） T  1 24 T  2 96 T  3 （日本） 480 （北美） 672 T  4 （日本） 1440 （北美） 4032 T  5 （日本） 5760 （北美） 8064 synchronous digital hierarchy (SDH) 19 时分复用  E体系结构 1 30 ×4 1 2 3 4 一次群 Mbit/s 二次群 Mbit/s 三次群 Mbit/s 四次群 Mbit/s×30 ×4 ×4 ×4 五次群 Mbit/s 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 hierarchy 20 时分复用  PCM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 configuration 21 时分复用  PCM一次群帧结构图示 16 帧， ms F0 F15F14F13F12F11F10F9F8F7F6F5F4F3F2F1 TS 31 TS 30 TS 29 TS 28 TS 27 TS 26 TS 25 TS 24 TS 23 TS 22 TS 21 TS 20 TS 19 TS 18 TS 17 TS 16 TS 15 TS 14 TS 13 TS 12 TS 11 TS 10 TS 9 TS 8 TS 7 TS 6 TS 5 TS 4 TS 3 TS 2 TS 1 TS 0 32 路时隙，256 bit，125 μs × 0 0 1 1 0 1 1 × 1 1 1 1 1 1A1 偶帧 奇帧 帧同步时隙 信令时隙 话路时隙 22 时分复用  随路信令 TS 31 TS 30 TS 29 TS 28 TS 27 TS 26 TS 25 TS 24 TS 23 TS 22 TS 21 TS 20 TS 19 TS 18 TS 17 TS 16 TS 15 TS 14 TS 13 TS 12 TS 11 TS 10 TS 9 TS 8 TS 7 TS 6 TS 5 TS 4 TS 3 TS 2 TS 1 TS 0 0 0 0 0 1 A2 1 1 a b d a b c dc a b d a b c dc 信令时隙 F1 F15 CH1 CH16 CH15 CH30 F0 同步 信令 信令 23 时分复用  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。 24 时分复用  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。 码速调整的代价 例如，一次群的速率是 群的总速率应该是 群的速率是 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 25 时分复用  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 t t t 26 时分复用  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 SOH 组成块状帧结构，其重复周期为125µs。 SDH的速率等级 等级 比特率(Mb/s) STM-1 STM-4 STM-16 2, STM-64 9, synchronous transfer module (STM) 27 时分复用  SDH和PDH的关系 将若干路PDH接入STM-1内，即在 接口。这时，PDH信号的速率都必须低于 例如，可以将63路E-1，或3路E-3，或1路E-4， 接入STM-1中。 overhead 28 时分复用  SDH的结构： 容器（C-n）：存放信息，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 高阶 比特率 (Mb/s) 容器 C-11 C-12 C-2 C-3 C-3 C-4 虚容器 VC-11 VC-12 VC-2 VC-3 VC-3 VC-4 container 29 时分复用  SDH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 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 container 30 时分复用  SDH的体系结构 STM-N AUG N AU-4 AU-3 VC-4 VC-3 3 1 TUG-3 TU-3 1 VC-3 C-3 C-4 C-2 C-11 C-12 VC-11 VC-12 VC-2 TU-11 TU-12 TU-2TUG-2 3 4 7 7 3 指针处理 复用 定位调整 映射 path overhead (POH) 31 时分复用  SDH的帧结构 管理单元指针 段开销 （SOH） 段开销 （SOH） STM-N 有效负荷 1 3 4 5 9 9N 261N 9行 270N 列（bytes） 32 时分复用  SDH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 Mbit/s； STM-N 的比特速率为  N Mbit/s。 33 码分复用（CDM）  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), 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) = 0 34 码分复用（CDM）  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) t s1 1 1 t s2 1 1 t s3 1 1 t s4 1 1 35 码分复用（CDM）  用“0”和“1”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。 36 码分复用（CDM）  用“1”和“0”表示二进制码元的实例  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)  1 1 1 1 1 1 1 1  0 1 0 0 1 1 1 0 37 码分复用（CDM）  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 。  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) = 1　　　x(1) = 0 　　　x(2) = 1 　　x(3) = 0 38 码分复用（CDM）  用“0”和“1”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。  互相关函数和自相关函数的取值范围 　　　1    1, 39 码分复用（CDM）  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  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： 　　　 s1 = (0, 1, 1)　s2 = (1, 1, 0)　s3 = (1, 0,1) 40 码分复用（CDM）  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) 41 码分复用（CDM）  四路码分复用原理方框图 s1 m1 s2 m2 s3 m3 s4 m4 s1 m1 积分 s2 m2 s3 m3 s4 m4 积分 积分 积分 42 码分复用（CDM）  四路码分复用波形图 t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t Ｔ Ｔ Ｔ Ｔ Ｔ Ｔ mi(t) si(t) mi(t) si(t)  mi si ( mi si)si T ( mi si)sidt 43 码分复用（CDM）  正交码 —— 阿达玛（Hadamard）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 44 码分复用（CDM）  正交码 —— 阿达玛（Hadamard）矩阵 4 阶阿达玛矩阵 45 码分复用（CDM）  正交码 —— 阿达玛（Hadamard）矩阵 8 阶阿达玛矩阵 46 码分复用（CDM）  阿达玛（Hadamard）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。 47 码分复用（CDM）  正交码 —— 沃尔什（Walsh）矩阵 48 码分复用（CDM）  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。  m序列 m序列是一种由线性反馈移位寄存器产生的周期 最长的序列。 49 码分复用（CDM）  4级m序列发生器 初始状态  周期＝24 – 1 = 15 a3 a2 a1 a0 a3 a2 a1 a0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 run-length 注：不能出现全0态 50 码分复用（CDM）  n级m序列发生器 递推方程 特征方程 ak1 ak2 akn1 akn cn=1c0=1 c2 cn1c1 51 码分复用（CDM）  本原多项式 　　　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 = 2n1，多项式是 xm +1 的因子； 多项式不是 xq +1，q < m 的因子。 　例： a3 a2 a1 a0 52 码分复用（CDM）  常用本原多项式 n 本原多项式 n 本原多项式 n 本原多项式 2 x2 + x + 1 10 x10+x3+1 18 x18+x7+1 3 x3 + x + 1 11 x11+x2+1 19 x19+x5+x2 +x+1 4 x4 + x + 1 12 x12+x6+x4+x+1 20 x20+x3+1 5 x5 + x2 + 1 13 x13+x4+x3+x+1 21 x21+x2+1 6 x6 + x + 1 14 x14+x10+x6 +x+1 22 x22+x+1 7 x7 + x3 + 1 15 x15+x+1 23 x23+x5+1 8 x8+x4+x3+x2 +1 16 x16+x12+x3 +x+1 24 x24+x7+x2 +x+1 9 x9 + x4 + 1 17 x17+ x3+1 25 x25+x3+1 53 码分复用（CDM）  m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 1 长度为 1 的游程数占 2 1 长度为 2 的游程数占 2 2 长度为 k 的游程数占 2 k 连“1”游程和连“0”游程数量相等 54 码分复用（CDM）  m序列的性质 移位相加特性 　例： 　　　Mp = 000111101011001 　　　Mr = 100011110101100 　　　Ms = 100100011110101 　Mr为Mp循环右移1位的结果； 　Ms为Mp循环右移3位的结果。 55 码分复用（CDM）  m序列的性质 自相关特性  ( j) jmm 0 1 1/m 56 码分复用（CDM）  m序列的性质 功率谱密度 Pm( ) O 2m/T 57 多址技术  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。  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 system 58 多址技术  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3 59 多址技术  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 １ 保 护 时 间 时 隙 ２ 保 护 时 间 时 隙 ３ 60 第九章习题 61