信道复用技术

2020/01/18 22:56
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信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

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**频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing) **

  • 用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。
  • 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)

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如图:

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输入端

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三种输入波形分别使用不同频率的波进行调制,调制之后的波再叠加得到总的波形。

输出端

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总的波形经过分离器(Filter)分离,再经过相应的波形解调得到原来需要传输的波形。这就叫做频分复用技术。

频分复用FDW的例子

比如打电话:

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三台电话的三种波形在合并之前没有采取信道复用,那么一端的两台电话同时打给另一端的同一台电话就会出现占线;传输过程中三种波形通过合并为一个波实现了信道复用。

再看下面例子:

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最左侧的电话有12个语音信道,每个信道占带宽4kHZ,通过频分复用可以变成48kHZ的一个组(信道);5个组再进一步频分复用形成60个语音信道的一个240kHZ的超级组;10个超级组再进一步复用形成了600个了2.52MHZ的Master groud;还可以进一步复用。

比如电话公司通过频分复用技术,用一根电话线(干道电路)就可以为整个公司提供通信服务。


**时分复用TDM(Time Division Multiplexing) **

  • 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧)。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
  • 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是 TDM 帧的长度)。
  • TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
  • 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

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A、B、C、D在TDM帧中的位置是不变的。

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可以看到四个信号分别对应TDM帧中的四部分,比如最右边的帧1010,对应四个信号的最后一位数据1010;以此类推(注意是从低位向高位的顺序存放数据)

时分复用器

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缺点:时分复用可能会造成线路资源的浪费。

使用时分复用系统传送计算机数据时,会给每部分数据分配固定的资源(比如A1~A3),由于计算机数据的突发性质,可能会造成有的部分比如A2、A3、B2等部分没有数据,但是C却不能使用A与B所占的资源,所以用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

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**统计时分复用 STDM(Statistic TDM) **

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这种方式为传输的每一种数据都贴上标签,接收时按照标签来辨别各自属于那一部分数据。

简单点说就是,原来的时分复用,固定顺序,分配固定空间,不管各个空间内是否存有数据;统计时分复用,随意顺序,有需求才分配空间并贴上固定的标签,以便接收后分类。

通俗来说:时分复用:把容量为100人的三个宿舍1,2,3分别分配给A、B、C三个班,而不管宿舍有没有住满;统计时分复用:先把ABC三个班的人放在一起,先塞满了1号宿舍,再分配2号宿舍,每个班的人凭借各班的标签区分是哪班的学生。

显然统计时分复用,资源利用率更高。


波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

波分复用就是光的频分复用。image-20200117145101265

示意图:

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码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)

最普通的例子就是手机打电话。比如联通公司发送总的信号是一样的,那么当多人同时打电话时如何判断打的是A手机而不是B手机呢?

常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

  • 各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰。
  • 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被他人发现。
  • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片(chip)。

CDMA的工作原理

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发送端

  • 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列;

    • 如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列;
    • 如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码;
  • 例如,S 站的 8 bit 码片序列是 00011011;

    • 发送比特 1 时,就发送序列 00011011;
    • 发送比特 0 时,就发送序列 11100100;

接收端

CDMA的重要特点

  • 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交(orthogonal)。

码片序列的正交关系

  • 令向量 S 表示站 S 的码片向量,令 T 表示其他任何站的码片向量。
  • 两个不同站的码片序列正交,就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0:

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例如:若向量S=(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1 )

​ 向量T=(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)

代入上式可知两个码片序列是正交的;

正交关系的另一个特性

  • 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 ;

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  • 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1;

现在就可以解释打电话的问题了:

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如果联通公司发的总信号的码片序列如图R所示,R承载了电话A~D所传输的信息,电话A~D使用自己电话的码片序列与R进行规格化内积,得到的结果是+1和-1表示该手机能接收到该信号,结果是0表示该手机不能接收到该信号。

比如 A·R=(1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1;

其余的以此类推带入公式算即可,得到A·R=1;B·R=-1;C·R=0;D·R=1;即A、B、D都能接收到信号。

所以想要在别人通信的时候自己也能听到,只需要造一个与监听对象手机相同的码片序列的电话卡,即可对通话信息进行解码,获取相同的通话信息。

缺点

  • 把1bit分为了m bit 这样手机数量越多码片就会分得越长,m越大,则表示1bit需要增多的频率。
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