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  • 多路复用技术

    2021-07-27 08:22:53
    多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术,它可以有效的提高数据链路的利用率,从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务,也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。...

    多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术,它可以有效的提高数据链路的利用率,从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务,也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。多路复用技术是为了充分利用传输媒体,人们研究了在一条物理线路上建立多个通信信道的技术。多路复用技术的实质是,将一个区域的多个用户数据通过发送多路复用器进行汇集,然后将汇集后的数据通过一个物理线路进行传送,接收多路复用器再对数据进行分离,分发到多个用户。多路复用通常分为频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多址和空分多址。

    中文名

    多路复用技术分    类

    通信

    应    用

    数据传输

    多路复用技术基本信息

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    我们平时上网最常用的电话线就采取了多路复用技术,所以你在上网的时候,家人也可以打电话了。

    多路复用最常用的两个设备是:

    多路复用技术多路复用器

    在发送端根据约定规则把多个低带宽信号复合成一个高带宽信号;

    多路复用技术多路分配器

    根据约定规则再把高带宽信号分解为多个低带宽信号。这两种设备统称为多路器(MUX)。

    常见的多路复用技术包括频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)、波分多路复用(WDM)和码分多路复用(CDMA)其中时分多路复用又包括同步时分复用和统计时分复用。.

    多路复用技术技术分类

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    多路复用技术频分多路复用

    频分多路复用技术FDM(Frequency Division Multiplexing)。

    频分多路复用利用通信线路的可用带宽超过了给定的带宽这一优点。频分多路复用的基本原理是:如果每路信号以不同的载波频率进行调制,而且各个载波频率是完全独立的,即各个信道所占用的频带不相互重叠,相邻信道之间用“警戒频带”隔离,那么每个信道就能独立地传输一路信号。

    频分多路复用的主要特点是,信号被划分成若干通道(频道,波段),每个通道互不重叠,独立进行数据传递。每个载波信号形成一个不重叠、相互隔离(不连续)的频带。接收端通过带通滤波器来分离信号。频分多路复用在无线电广播和电视领域中的应用较多。ADSL也是一个典型的频分多路复用。ADSL用频分多路复用的方法,在PSTN使用双绞线上划分出三个频段:0~4kHz用来传送传统的语音信号;20~50kHz用来传送计算机上载的数据信息;150~500kHz或140~1100kHz用来传送从服务器上下载的数据信息。

    多路复用技术时分多路复用

    时分多路复用技术TDM(Time Division Multiplexing)

    时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象,通过为多个信道分配互不重叠的时间片段的方法来实现多路复用。时分多路复用将用于传输的时间划分为若干个时间片段,每个用户分得一个时间片。时分多路复用通信,是各路信号在同一信道上占有不同时间片进行通信。由抽样理论可知,抽样的一个重要作用,是将时间上连续的信号变成时间上的离散信号,其在信道上占用时间的有限性,为多路信号沿同一信道传输提供条件。具体说就是把时间分成一些均匀的时间片,通过同步(固定分配)或统计(动态分配)的方式,将各路信号的传输时间配分在不同的时间片,以达到互相分开,互不干扰的目的。

    至2011年9月,应用最广泛的时分多路复用是贝尔系统的T1载波。T1载波是将24路音频信道复用在一条通信线路上,每路音频信号在送到多路复用器之前,要通过一个脉冲编码调制编码器,编码器每秒抽样8000次。24路信号的每一路,轮流将一个字节插入到帧中,每个字节的长度为8位,其中7位是数据位,1位用于信道控制。每帧由24×8=192位组成,附加1bit作为帧的开始标志位,所以每帧共有193bit。由于发送一帧需要125us,一秒钟可以发送8000帧。因此T1载波数据传输速率为:

    193bit×8000=1544000bps=1544Kbps=1.544Mbps

    多路复用技术波分多路复用

    波分多路复用技术WDM(Wavelength Division Multiplexing)

    波分复用用同一根光纤内传输多路不用波长的光信号,以提高单根光纤的传输能力。因为光通信的光源在光通信的“窗口”上只占用了很窄的一部分,还有很大的范围没有利用。

    也可以这样认为WDM是FDM应用于光纤信道的一个变例。如果让不用波长的光信号在同一根光纤上传输而互不干扰,利用多个波长适当错开的光源同时在一根光纤上传送各自携带的信息,就可以增加所传输的信息容量。由于是用不同的波长传送各自的信息,因此即使在同一根光纤上也不会相互干扰。在接收端转换成电信号时,可以独立地保持每个不同波长的光源所传送的信息。这种方式就叫做“波分复用”。

    如果将一系列载有信息的不同波长的光载波,在光领域内以1至几百纳米的波长间隔合在一起沿单根光纤传输,在接收器再一一定的方法,将各个不同波长的光载波分开。在光纤上的工作窗口上安排100个波长不同的光源,同时在一根光纤上传送各自携带的信息,就能使光纤通信系统的容量提高100倍。

    多路复用技术码分多址

    码分多址技术CDMA(Code Division Multiple Access)

    码分多址是采用地址码和时间、频率共同区分信道的方式。CDMA的特征是个每个用户有特定的地址码,而地址码之间相互具有正交性,因此各用户信息的发射信号在频率、时间和空间上都可能重叠,从而使用有限的频率资源得到利用。

    CDMA是在扩频技术上发展起来的无线通信技术,即将需要传送的具有一定信号带宽的信息数据,从一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。接收端也使用完全相同的伪随机码,对接受的带宽信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现信息通信。

    不同的移动台(或手机)可以使用同一个频率,但是每个移动台(或手机)都被分配带有一个独特的“码序列”,该序列码与所有别的“序列码”都不相同,因为是靠不同的“码序列”来区分不同的移动台(或手机),所以各个用户相互之间也没有干扰从而达到了多路复用的目的。

    多路复用技术空分多址

    空分多址技术SDMA(Space Division Multiple Access)

    这种技术是将空间分割构成不同的信道,从而实现频率的重复使用,达到信道增容的目的。举例来说,在一个卫星上使用多个天线,各个天线的波束射向地球表面的不同区域地面上不同区域的地球站,他们在同一时间,即使用相同的频率进行工作,它们之间也不会形成干扰。SDMA系统的处理程序如下:

    1、系统将首先对来自所有天线中的信号进行快照或取样,然后将其转换成数字形式,并存储在内存中。

    2、计算机中的SDMA处理器将立即分析样本,对无线环境进行评估,确认用户、干扰源及所在的位置。

    3、处理器对天线信号的组合方式进行计算,力争最佳地恢复用户的信号。借助这种策略,每位用户的信号接收质量将提高,而其他用户的信号或干扰信号则会遭到屏蔽。

    4、系统进行模拟计算,使天线阵列可以有选择地向空间发送信号。再次在此基础上,每位用户的信号都可以通过单独的通信信道空间-空间信道实现高效的传输。

    5、在上述处理的基础上,系统就能够在每条空间信道上发送和接受信号,从而使这些信号称为双向信道。

    利用上述流程,SDMA系统就能够在一条普通信道上创建大量的频分、时分或码分双向空间信道,没一条信道扣可以完全活的整个阵列的增益和抗干扰功能。从理论上而言,带m个单元的阵列能够在每条普通行道上支持m条空间信道。但在实际应用中支持的信道数量将略低于这个数目,具体情况则取决于环境。由此可见,SDMA系统可使系统容量成倍增加,使得系统在有限的频谱内可以支持更多的用户,从而成倍的提高频谱使用效率。

    自2011年9月,近几十年来,无线通信经历了从模拟到数字,从固定到移动的重大变革。而就移动通信而言,为了更有效地利用有限的无线频率资源,时分多址技术(TDMA)、频分多址技术(FDMA)、码分多址技术(CDMA)得到了广泛的应用,并在此基础上建立了GSM和CDMA(是区别于3G的窄带CDMA)两大主要的移动通信网络。就技术而言,现有的这三种多址技术已经得到了充分的应用,频谱的使用效率已经发挥到了极限。空分多址技术(SDMA)则突破了传统的三维思维模式,在传统的三维技术的基础上,在第四维空间上极大地拓宽了频谱的使用方式,使用移动用户仅仅由于空间位置的不同而复用同一个传统的物理信道称为可能,并将移动通信技术引入了一个更为崭新的领域。[1]

    多路复用技术采用原因

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    一是通信工程中用于通信线路架设的费用相当高,需要充分利用通信线路的容量;二是网络中传输介质的传输容量都会超过单一信道传输的通信量,为了充分利用传输介质的带宽,需要在一条物理线路上建立多条通信信道。

    多路复用技术基本原理

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    FDM、TDM、WDM、CDMA的基本原理

    频分多路复用的基本原理是在一条通信线路上设置多个信道,每路信道的信号以不同的载波频率进行调制,各路信道的载波频率互不重叠,这样一条通信线路就可以同时传输多路信号。

    时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象,通过多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现,因此时分多路复用更适用于数字信号的传输。它又分为同步时分多路复用和统计时分多路复用。

    波分多路复用是光的频分多路复用,它是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。

    码分多路复用也是一种共享信道的方法,每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信,但使用的是基于码型的分割信道的方法,即每个用户分配一个地址码,各个码型互不重又叠,通信各方之间不会相互干扰,且抗干扰能力强.码分多路复用技术主要用于无线通信系统,特别是移动通信系统.它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响,而且增大了通信系统的容量.笔记本电脑或个人数字助理(Personal Data Assistant, PDA) 以及掌上电脑(Handed Personal COmputer,HPC)等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术。

    参考资料

    1.

    严体华 张志新 主编 网络管理员教程 清华大学出版社 第9-13页

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  • 引言大家好,我们知道在...同时对于无线传输媒介来说,有限的可用频率更是一种非常宝贵的通讯资源,因此如何提高通信线路的利用率是数据通信中的一个不可忽视的内容,这也是我即将给大家介绍的多路复用技术。文章目...

    引言

    大家好,我们知道在整个通信基础设施的投资成本中,由传输媒介所组成的通信线路占有相当大的比重。那对于有线的传输媒介来说,一方面由于资源有限,制造成本增加,即使说采用了原料丰富的光纤线路,但是线路铺设的费用依然也是在逐年增长,同时对于无线传输媒介来说,有限的可用频率更是一种非常宝贵的通讯资源,因此如何提高通信线路的利用率是数据通信中的一个不可忽视的内容,这也是我即将给大家介绍的多路复用技术。

    文章目录

    1.频分复用技术

    2.时分复用技术

    1.时分复用技术

    定义:多路复用技术是指在一条通信线路上传输多路信号,以提高通信线路利用率的技术。

    在实际应用中,我们经常用到的多路复用技术有频分复用、时分复用、码分复用和波分复用。

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    在实际生活中我们可以看到多辆汽车在不同的车道并行的在马路上行驶,这就相当于我给大家介绍的第一种多路复用技术频分复用。

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    任何移动用户的信号一般只占据一个宽带有线的频率范围,而在实际用中一个信道可以被利用的频率的范围比一路信号需要的频率要宽得多,如果在这样的一个信道上只传输一路信号的话,就像在宽阔的马路上只有一个车道一样,显然太浪费!

    因而我们可以把以频率分割的方式把一条信道分成若干个子信道,从而实现多路复用,这就是频分复用的基本原理。

    传统的多路载波电话系统就是一种典型的平分多路复用系统,我们在图中可以看出,横坐标是时间纵坐标是频率,该信道按照频率的不同被分割成了四个子信道,为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰,相邻子信道的频谱之间留有一定的频率间隔!

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    每个子信道传输一路用户的信号,那么从总体上看,在这条信道中同时传输四个用户的信号,左边的设备是一个复用器,右边对应的就是一个分用器,复用器的作用就是把各路用户的信号进行频谱搬移,搬移到分配给它的频段范围,分用器就相当于一个滤波器,把各种信号区别开来,所以说我再次强调频分复用的所有用户在同样的时间内占据着不同的带宽资源,注意这里的带宽是指以合资为单位的带宽。

    目前频分复用技术在利用无线传输介质,比如无线电通信微波通信卫星通信中仍然在得到广泛的使用。后面即将给大家介绍的波分复用,其本质也是一种频分复用。

    2.时分复用技术

    接下来我们再来看一下时分复用技术,顾名思义,时分复用是采用时间分片的方式来实现传输信道的多路复用,也就是说每一路信号传输都使用信道的全部带宽,但它只是使用其中的某个时隙。

    比如我们把上课的教室看作一个信道,不同的老师在每天不同的时间段去使用这件教室就相当于是时分复用,因为我们从宏观上来看,同一天这个教室被分配给了多个用户使用,那从微观上来看,在某一时刻该教室还只是分配给了一个老师。

    从如何分配传输介质资源的观点来看,时分多路复用又分为两种,分别是静态的时分复用和动态的时分复用。

    那我们现在看到的就是静态的时分复用,在这个例子中将时间划分为一个个等长的周期,称为时分复用帧,有四个用户进行时分复用,在第一个周期里A、B两个用户有数据发送,第二个周期中B、C两个用户有数据,第三个周期中只有C用户有数据发送,第四个周期A、D两个用户有数据发送。

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    那我们从这个动画演示中可以看出,每一个时分复用的用户在每一个帧中的位置是固定不变的,A用户的数据固定的出现在每一个时分复用帧的最前面,B用户总是在第二个位置,C用户是在第三位置,那么D用户的数据总是在最后。

    00:31

    我们也注意到,如果说某用户在分给它的时隙内没有数据要传输的时候,那么对应时隙就是空闲的,比如说第一个周期中的C和D,第二个周期中的A和D等等,也就是说每个用户的数据是周期性的出现在信道上,但是也必须提醒大家注意,尽管该时隙没有用户在用是空闲的情况下,其他的用户也是无权使用的。

    从这个例子中我们可以看出,静态的时分复用中多个用户的信号分别在预定的时隙内传输,他们的分配关系是固定的,并且是周期性的使用,收发双方之间就保持同步,所以又称为同步的时分复用。

    同时我们也注意到它存在着复用后的信道利用率比较低,那怎么对它改进?于是就有了动态的时分复用,动态时分复用又称为统计时分复用,简称为STDM,它是一种按需分配媒体资源的方式,也就是说只有当用户有数据要传输的时候才分配资源,那如果用户暂停发送数据的时候就不分配,这样的话同样的复用信道可以让更多的用户来使用。

    换句话说,就是用户数据传输速率之和可以大于高速线路的传输容量,从而提高信道利用率,但是对于这样一种方式它的控制结构相对比较复杂,并且还要在复用器中去设置足够容量的缓存单元,否则的话会由于来不及发送数据会导致数据丢失。

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    计算机网络物理层之信道复用技术

    信道复用技术

    复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

    它允许用户使用一个共享信道进行通信,降低成本,提高利用率。
    效果图

    频分复用、时分复用和统计时分复用

    频分复用FDM

    • 将整个带宽分为多份,用户在分配到一定的额带后,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事件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)。
      效果图

    时分复用TDM

    • 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)的。

    • TDM信号也称为等时(isochronous)信号。

    • 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
      效果图

    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,由于计算机数据的突发性质,用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

    效果图

    统计时分复用STDM(statistic TDM)

    效果图

    波分复用

    效果图

    码分复用

    • 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,不易被敌人发现。

    码片序列

    • 每一个比特时间划分为m个短的间隔,称为码片(chip)。
    • 每个站被指派一个唯一的m bit码片序列
      1. 如发送比特1,则发送自己的m bit码片序列。
      2. 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。
      1. 发送比特1时,就发送序列00011011,
      2. 发送比特0时,就发送序列11100100。
    • S站的码片序列:(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)

    码片序列实现了扩频

    • 假定S站要发送消息的数据率为bbit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片,因此S站实际上发送的数据率提高到mbbit/s,同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。
    • 这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。
    • 扩频通信通常有两大类:
      1. 一种是直接序列扩频DSSS(direct sequence spread spectrum),如上面讲的使用码片序列就是这一类。
      2. 另一种是跳频扩频FHSS(frequency hopping spread spectrum)。

    CDMA(码分多址)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)。
    • 在实用的系统中是使用伪随机码序列
      • 码序列:结构可以预先确定,可重复产生和复制,具有某种随机序列的序列码:
        • “随机码”:就是无论这个码有多长都不会出现循环的现象;
        • “伪随机码”:在码长达到一定程度时会从其第一位开始循环。由于出现的循环长度相当大,例如CDMA采用42的伪随机码,重复的可能性为4.4万亿分之一,所以可以当成随机码使用。

    码片序列的正交关系

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    正交关系的另一个重要特性

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    CDMA(码分多址)的工作原理

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