教學(xué)部-通信原理-第七章.ppt

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1、多 路 復(fù) 用,頻分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用 碼分復(fù)用,多路復(fù)用 是指在同一個(gè)信道上同時(shí)傳輸多路信號(hào)而互不干擾的一種技術(shù)。 為了在接收端能夠?qū)⒉煌返男盘?hào)區(qū)分開來，必須使不同路的信號(hào)具有不同的特征。由于信號(hào)直接來自話路，區(qū)分信號(hào)和區(qū)分話路是一致的。 最常用的多路復(fù)用方式是頻分復(fù)用（FDM）、時(shí)分復(fù)用（TDM）和碼分復(fù)用（CDM）。,多路復(fù)用,,多 路 復(fù) 用,,,,,主要多路復(fù)用 按頻段區(qū)分信號(hào)的方法叫頻分復(fù)用； 按時(shí)隙區(qū)分信號(hào)的方法叫時(shí)分復(fù)用； 按相互正交的碼字區(qū)分信號(hào)的方法叫 碼分復(fù)用。 傳統(tǒng)的模擬通信中都采用頻分復(fù)用 隨著數(shù)字通信的發(fā)展，時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用通信系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。,多 路 復(fù)

2、 用,,頻分復(fù)用,一般的通信系統(tǒng)的信道所能提供的帶寬往往要比傳送一路信號(hào)所需的帶寬寬得多。因此，如果一條信道只傳輸一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的。為了充分利用信道的帶寬，提出了信道的頻分復(fù)用。,,頻分復(fù)用就是在發(fā)送端利用不同頻率的載波將多路信號(hào)的頻譜調(diào)制到不同的頻段，以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。頻分復(fù)用的多路信號(hào)在頻率上不會(huì)重疊，合并在一起通過一條信道傳輸，到達(dá)接收端后可以通過中心頻率不同的帶通濾波器彼此分離開來。,頻分復(fù)用,,,假設(shè)共有n路復(fù)用的信號(hào)，每路信號(hào) 首先通過低通濾波器（LPF）變成頻率受限的低通信號(hào)。簡(jiǎn)便起見，假設(shè)各路信號(hào)的最高頻率都相等。 然后，每路信號(hào)通過載頻不同的調(diào)制器進(jìn)行頻譜搬移。

3、一般來說調(diào)制的方式原則上可任意選擇，但最常用的是單邊帶調(diào)制，因?yàn)樗罟?jié)省頻帶。因此，圖中的調(diào)制器由相乘器和邊帶濾波器（SBF）構(gòu)成。,頻分復(fù)用,,頻分復(fù)用系統(tǒng)組成框圖,頻分復(fù)用,,在選擇載頻時(shí)，既應(yīng)考慮到每一路已調(diào)信號(hào)的頻譜寬度fm, 還應(yīng)留有一定的防護(hù)頻帶fg。為了各路信號(hào)頻譜不重疊，要求載頻間隔為：,式中，fci和fc(i+1)分別為第i和(i1)路的載波頻率；fm是每一路已調(diào)信號(hào)的頻譜的寬度；fg為鄰路間隔防護(hù)頻帶。,頻分復(fù)用,顯然，鄰路間隔防護(hù)頻帶越大，對(duì)邊帶濾波器的技術(shù)要求越低；但這時(shí)占用的總頻帶要加寬，這對(duì)提高信道利用率不利。因此，實(shí)際中應(yīng)盡量提高邊帶濾波技術(shù)，以使fg盡量縮小。,

4、,【例】采用頻分復(fù)用的方式在一條信道中傳輸3路信號(hào)，已知3路信號(hào)的頻譜如圖所示，假設(shè)每路信號(hào)的最高頻率fH=3400Hz，均采用上邊帶（USB）調(diào)制，鄰路間隔防護(hù)頻帶為fg=600Hz。試計(jì)算信道中復(fù)用信號(hào)的頻帶寬度，并畫出頻譜結(jié)構(gòu)。,頻分復(fù)用,,解：信道中頻分復(fù)用信號(hào)的總頻帶寬度為: 對(duì)3路信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的載波頻率分別采用wc1、 wc2和 wc3 ，得到頻分復(fù)用信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)如圖所示。,頻分復(fù)用,,,頻分復(fù)用信號(hào)原則上可以直接在信道中傳輸。 但在某些應(yīng)用中，還需要對(duì)合并后的復(fù)用信號(hào)再進(jìn)行一次調(diào)制。第一次對(duì)多路信號(hào)調(diào)制所用的載波稱為副載波，第二次調(diào)制所用的載波稱為主載波。 原則上，

5、兩次調(diào)制可以是任意方式的調(diào)制方式。如果第一次調(diào)制采用單邊帶調(diào)制，第二次調(diào)制采用調(diào)頻方式，一般記為SSB/FM。,頻分復(fù)用,,,【例】設(shè)有一個(gè)DSB/FM頻分復(fù)用系統(tǒng)，副載波用DSB調(diào)制，主載波用FM調(diào)制。如果有50路頻帶限制在3.3kHz的音頻信號(hào)，防護(hù)頻帶為0.7kHz。如果最大頻移為1000kHz，計(jì)算傳輸信號(hào)的頻帶寬度。,頻分復(fù)用,,再進(jìn)行FM調(diào)制后所需的傳輸帶寬為：,頻分復(fù)用,解：50路音頻信號(hào)經(jīng)過DSB調(diào)制后，在相鄰兩路信號(hào)之間加防護(hù)頻帶fg，合并后信號(hào)的總帶寬為：,,時(shí)分復(fù)用（TDM）是建立在抽樣定理基礎(chǔ)上的。抽樣定理指明：滿足一定條件下，時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)可以用時(shí)間上離散的抽樣脈

6、沖值代替。因此，如果抽樣脈沖占據(jù)較短時(shí)間，在抽樣脈沖之間就留出了時(shí)間空隙，利用這種空隙便可以傳輸其它信號(hào)的抽樣值。時(shí)分復(fù)用就是利用各路信號(hào)的抽樣值在時(shí)間上占據(jù)不同的時(shí)隙，來達(dá)到在同一信道中傳輸多路信號(hào)而互不干擾的一種方法。,時(shí)分復(fù)用,,（1）TDM多路信號(hào)的合路和分路都是數(shù)字電路，比FDM的模擬濾波器分路簡(jiǎn)單、可靠。,與頻分復(fù)用相比，時(shí)分復(fù)用具有以下的主要優(yōu)點(diǎn)：,（2）信道的非線性會(huì)在FDM系統(tǒng)中產(chǎn)生交調(diào)失真和多次諧波，引起路間干擾，因此FDM對(duì)信道的非線性失真要求很高。而TDM系統(tǒng)的非線性失真要求可降低。,時(shí)分復(fù)用,,通過舉例來說明時(shí)分復(fù)用技術(shù)的基本原理。 假設(shè)有3路PAM信號(hào)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，

7、其具體實(shí)現(xiàn)方法如圖所示。各路信號(hào)首先通過相應(yīng)的低通濾波器（預(yù)濾波器）變?yōu)轭l帶受限的低通型信號(hào)。然后再送至旋轉(zhuǎn)開關(guān)（抽樣開關(guān)） ，每秒將各路信號(hào)依次抽樣一次，在信道中傳輸?shù)暮铣尚盘?hào)就是3路在時(shí)間域上周期地互相錯(cuò)開的PAM信號(hào)，即TDM-PAM信號(hào)。,時(shí)分復(fù)用,時(shí)分復(fù)用的PAM系統(tǒng)（TDM-PAM）,,抽樣時(shí)各路每輪一次的時(shí)間稱為一 幀 ，長度記為Ts，它就是旋轉(zhuǎn)開關(guān)旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，即一個(gè) 抽樣周期 。一幀中相鄰兩個(gè)抽樣脈沖之間的時(shí)間間隔叫做路 時(shí)隙 （簡(jiǎn)稱為時(shí)隙），即每路PAM信號(hào)每個(gè)樣值允許占用的時(shí)間間隔，記為TaTs/a。 3路PAM信號(hào)時(shí)分復(fù)用的幀和時(shí)隙如下圖所示。,,,,時(shí)分復(fù)用,,上

8、述概念可以推廣到n路信號(hào)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。多路復(fù)用信號(hào)可以直接送入信道進(jìn)行基帶傳輸，也可以加至調(diào)制器后再送入信道進(jìn)行頻帶傳輸。 在接收端，合成的時(shí)分復(fù)用信號(hào)由旋轉(zhuǎn)開關(guān)（分路開關(guān)，又稱選通門）依次送入各路相應(yīng)的低通濾波器，重建或恢復(fù)出原來的模擬信號(hào)。需要指明的是，TDM中發(fā)送端的抽樣開關(guān)和接收端的分路開關(guān)必須保持同步。,時(shí)分復(fù)用,,TDM-PAM系統(tǒng)目前在通信中幾乎不再采用。抽樣信號(hào)一般都在量化和編碼后以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸，目前電話信號(hào)采用最多的編碼方式是PCM和DPCM。,,時(shí)分復(fù)用的PCM系統(tǒng)（TDM-PCM）,PCM和PAM的區(qū)別在于PCM要在PAM的基礎(chǔ)上再進(jìn)行量化和編碼,,時(shí)分復(fù)用,,時(shí)分

9、復(fù)用,3路PCM信號(hào)時(shí)分復(fù)用原理圖,,在發(fā)送端，3路話音信號(hào)m1(t)、m2(t)和m3(t)經(jīng)過低通濾波后成為最高頻率為fH的低通型信號(hào)，再經(jīng)過抽樣得到3路PAM信號(hào)，它們?cè)跁r(shí)間上是分開的，由各路發(fā)送的定時(shí)取樣脈沖進(jìn)行控制，然后將3路PAM信號(hào)一起進(jìn)行量化和編碼，每個(gè)PAM信號(hào)的抽樣脈沖經(jīng)量化后編為L位二進(jìn)制代碼。最后選擇合適的傳輸碼型，經(jīng)過數(shù)字傳輸系統(tǒng)（基帶傳輸或頻帶傳輸）傳到接收端。,在接收端，收到信碼后，首先經(jīng)過碼型反變換，然后加到解碼器進(jìn)行解碼。解碼后得到的是3路合在一起的PAM信號(hào)，再經(jīng)過分路開關(guān)把各路PAM信號(hào)區(qū)分開來，最后經(jīng)過低通濾波重建原始的話音信號(hào)m01(t)、m02(t)

10、和m03(t)。,,時(shí)分復(fù)用,TDM-PCM系統(tǒng)的二進(jìn)制代碼在每一個(gè)抽樣周期內(nèi)有 nl 個(gè)，這里n 表示復(fù)用路數(shù)，l 表示每個(gè)抽樣值編碼的二進(jìn)制碼元位數(shù)。 一位二進(jìn)制碼占用的時(shí)間稱為位時(shí)隙，長度記為Tb。容易得到: 其中,Ts為一幀的長度,Ta=Ts/a為路時(shí)隙。,,,,,幀長（時(shí)間）,,時(shí)分復(fù)用,,1、TDM-PAM信號(hào) 對(duì)于n路頻帶都是的TDM-PAM信號(hào)，每秒鐘的脈沖個(gè)數(shù)為 ，即碼元速率: 這里n表示復(fù)用路數(shù)，fs表示一路信號(hào)的 抽樣頻率。,時(shí)分復(fù)用信號(hào)的碼元速率和帶寬,時(shí)分復(fù)用,,2、TDM-PCM信號(hào) 通過抽樣、合路、量化、編碼這幾個(gè)步驟，容易看出TDM-PCM的信號(hào)的二進(jìn)制碼

11、元速率為： 這里n表示復(fù)用路數(shù)， 表示每個(gè)抽樣值編碼的二進(jìn)制碼元位數(shù),M為對(duì)抽樣值進(jìn)行量化的量化級(jí)數(shù);fs表示一路信號(hào)的抽樣頻率。,時(shí)分復(fù)用,3、TDM信號(hào)的帶寬,得到碼元速率后，按照PCM帶寬的計(jì)算方法容易得到TDM-PAM信號(hào)和TDM-PCM信號(hào)傳輸波形為矩形脈沖時(shí)的第一零點(diǎn)帶寬。,,對(duì)于多路數(shù)字電話系統(tǒng)，國際上有兩種標(biāo)準(zhǔn)化制式，即PCM 30/32路制式和PCM 24路制式 我國規(guī)定采用的是PCM 30/32路制式，一幀共有32個(gè)時(shí)隙，可以傳送30路電話，即復(fù)用的路數(shù)n=32路，其中話路數(shù)為30。PCM 30/32路系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖所示。,PCM30/32路系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu),時(shí)分復(fù)用,

12、,PCM 30/32路系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu),時(shí)分復(fù)用,,從圖可以看到，在PCM 30/32路的制式中， 一個(gè)復(fù)幀由16幀組成，一幀由32個(gè)時(shí)隙組成，一個(gè)時(shí)隙有8個(gè)比特。 對(duì)于PCM30/32路系統(tǒng)，由于抽樣頻率為8000Hz，因此，抽樣周期（即PCM 30/32路的幀周期）為1/8000=125us；一個(gè)復(fù)幀由16幀組成，這樣復(fù)幀周期為2ms；一幀內(nèi)包含32路，則每路占用的時(shí)隙為125/32=3.91us；每時(shí)隙包含8位折疊二進(jìn)制，因此，位時(shí)隙占488ns。,從傳輸速率來講，每秒鐘能傳送8000幀，而每幀包含328256bit，因此，傳碼率為256 8000=2.048MBaud ，信息速率為2.04

13、8Mbit/s。,時(shí)分復(fù)用,,前面討論的PCM 30/32路和PCM 24路時(shí)分多路系統(tǒng)，稱為數(shù)字基群（即一次群）。為了能使寬帶信號(hào)（如電視信號(hào)）通過PCM系統(tǒng)傳輸，就要求有較高的傳碼率。因此提出了采用數(shù)字復(fù)接技術(shù)把較低群次的數(shù)字流匯合成更高速率的數(shù)字流，以形成PCM高次群系統(tǒng)。CCITT推薦了兩種一次、二次、三次和四次群的數(shù)字等級(jí)系列，如表所示。,,PCM高次群系統(tǒng),時(shí)分復(fù)用,數(shù)字復(fù)接系列（準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH）,時(shí)分復(fù)用,,數(shù)字通信系統(tǒng)，除了傳輸電話外，也可傳輸其它相同速率的數(shù)字信號(hào)，例如可視電話、頻分制載波信號(hào)以及電視信號(hào)。為了提高通信質(zhì)量，這些信號(hào)可以單獨(dú)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳輸，也可以和相應(yīng)

14、的PCM高次群一起復(fù)接成更高一級(jí)的高次群進(jìn)行傳輸?；赑CM30/32路系列的數(shù)字復(fù)接體制的結(jié)構(gòu)如圖所示。,時(shí)分復(fù)用,,基于PCM30/32路系列的數(shù)字復(fù)接體制,時(shí)分復(fù)用,,碼分復(fù)用是用一組相互正交的碼字區(qū)分信號(hào)的多路復(fù)用方法。在碼分復(fù)用中，各路信號(hào)碼元在頻譜上和時(shí)間上都是混疊的，但是代表每路信號(hào)的碼字是正交的。,碼分復(fù)用,,用x=(x1,x2,xN)和y=(y1,y2,yN)表示兩個(gè)碼長為的碼字（也稱為碼組），二進(jìn)制碼元 ,i=1,2N。 定義兩個(gè)碼字的互相關(guān)系數(shù)為:,碼字正交的概念,,,碼字x和y相互正交,碼字x和y準(zhǔn)正交,碼字x和y超正交,碼分復(fù)用,,,沃爾什（Walsh）

15、碼,沃爾什碼 就是哈德瑪矩陣H(n)行向量,,,,,,,任意兩個(gè)碼字之間的互相關(guān)系數(shù)為0，即碼字之間兩兩正交。例如4個(gè)碼字1 1 1 1、1 1 1 -1、1 1 1 -1、1 1 1 1之間兩兩正交，即任意兩個(gè)碼字的互相關(guān)系數(shù)為0。,碼分復(fù)用,如果將正交碼字用于碼分復(fù)用中作為“載波”，則合成的多路信號(hào)經(jīng)信道傳輸后，在接收端可以采用計(jì)算互相關(guān)系數(shù)的方法將各路信號(hào)分開。,恢復(fù)出第j個(gè)用戶的原始數(shù)據(jù),信道/系統(tǒng),發(fā),收,碼分復(fù)用,,碼分復(fù)用原理圖,碼分復(fù)用,,需要指出的是，在CDM系統(tǒng)中，各路信號(hào)在時(shí)域和頻域上是重疊的，這時(shí)不能采用傳統(tǒng)的濾波器（對(duì)FDM而言）和選通門（對(duì)TDM而言）來分離信號(hào)，而是用與發(fā)送信號(hào)相匹配的接收機(jī)通過相關(guān)檢測(cè)才能正確接收。,碼分復(fù)用,,,碼分復(fù)用,,最后指出，碼分復(fù)用除了可以采用正交碼，還可以采用準(zhǔn)正交碼和超正交碼，因?yàn)榇藭r(shí)的鄰路干擾很小，可以采用設(shè)置門限的方法來恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)。而且，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，碼分復(fù)用通常與擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合起來使用。,碼分復(fù)用,,