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1、第4章 信道复用与数字复接,4.1 频分多路复用(FDM)4.2 正交频分复用(OFDM)4.3 时分多路复用(TDM)4.4 数字复接技术,4.1 频分多路复用（FDM）,4.1.1 直接法FDM 当复用的路数不是很大时可用直接法实现FDM。频分多路复用是指将多路信号按频率的不同进行复接并传输的方法。,频分多路复用,直接法,复级法,图 4-1 直接法FDM系统的原理图及频谱图(a)系统原理框图；(b)频谱图,在某些信道中，总信号fs(t)可以直接在信道中传输，这时所需的最小带宽为,WSSB=NWm+(N-1)Wg=Wm+(N-)Ws,在无线信道中，如采用微波频分复用线路，总信号fs(t)还必
2、须经过二次调制，这时所使用的主载波a要比副载波cN高得多。最后，系统把载波为a的已调波信号送入信道发送出去。主载波调制器MOD可以采用任意调制方式，视系统的具体情况而定，通常采用调频(FM)方式。,4.1.1 直接法FDM,当复用路数很大时，可以采用复级法实现FDM，通常利用多级调制产生合成信号fs(t)。考虑两级调制，若将N个信号分成m个组，每组由n路单边带信号组成，每路调制在一个副载波上，则各组的副载波应当相同，显然，这时选择的mnN。具有相同频谱宽度的m个已调信号再进行第二次单边带调制，所用的m个主载波为a1,a2,am，这些载波间隔应大于nWm。最后将m组单边带信号合成为总信号fs(t
3、)送入信道传输。,4.1.2 复级法FDM,图4-2 复级法FDM的系统原理框图及频谱图(a)系统原理框图；(b)频谱图,图 4-2 复级法FDM的系统原理框图及频谱图(a)系统原理框图；(b)频谱图,4.1.2 复级法FDM,直接法和复接法的最大容量均为N=mn，但直接法所用的载波数为mn，复接法为(m+n)，故可节约载波数为(mn-m-n)。在两级复用系统中，复级法需要(mn+m)个调制器，而直接法需要mn个，两级复用比单级多用m个调制器。实际的多路载波电话系统采用多级调制、分层结构形式，图4-3给出了实际系统的框图和频谱结构图。,4.1.2 复级法FDM,图 4-3 多路载波电话系统的组
4、成及频谱结构图(a)多路载波电话系统原理框图；(b)话音信号基带频谱图；(c)基群信号的频谱配置；(d)超群信号的频谱配置,4.1.2 复级法FDM,图 4-3 多路载波电话系统的组成及频谱结构图(a)多路载波电话系统原理框图；(b)话音信号基带频谱图；(c)基群信号的频谱配置；(d)超群信号的频谱配置,4.1.2 复级法FDM,图 5-3 多路载波电话系统的组成及频谱结构图(a)多路载波电话系统原理框图；(b)话音信号基带频谱图；(c)基群信号的频谱配置；(d)超群信号的频谱配置,4.1.2 复级法FDM,一个超群由5个基群复用而成，共60路电话，调制时所有主载波为fam=372+48m，m
5、=1，2，5。同样选用单边带下边带调制，经滤波后复接成一个超群，频率范围为312552 kHz，共240 kHz带宽。若采用单边带上边带调制，则频率范围为60300kHz。一个主群由10个超群复用而成，共600路电话。主群频率配置方式共有两种标准，L600和U600，其频谱配置如图4-4所示。L600的频率为602788 kHz，U600的频率范围为5643084 kHz。,4.1.2 复级法FDM,图 4-4 主群频谱配置图(a)L600主群频谱配置图；(b)U600主群频谱配置图,4.1.2 复级法FDM,图 4-4 主群频谱配置图(a)L600主群频谱配置图；(b)U600主群频谱配置图
6、,4.1.2 复级法FDM,图 4-5 调频立体声系统原理框图发送端框图；(b)基带信号频谱；(c)复用信号频谱；(d)接收端框图,4.1.2 复级法FDM,图 4-5 调频立体声系统原理框图发送端框图；(b)基带信号频谱；(c)复用信号频谱；(d)接收端框图,4.2 正交频分复用(OFDM),采用多载波传输的方式来将高速串行数据分解为多个并行的低速数据后采用多载波FDM方式传输的。经过串/并变换后,每路数据码元宽度加长，从而减少了码间串扰的影响，又由于每路采用窄带调制，可减少频率选择性衰落的影响。如果采用正交函数序列作为副载波，可使载波间隔达到最小，从而提高频带利用率，这就是所谓的正交频分复
7、用(OFDM)。图46示出了单载波调制、FDM及OFDM三种方式的比较。,图 4-6 单载波调制、FDM、OFDM三种方式的比较,图 4-7 OFDM的时域原理框图,4.2.1 OFDM的基本原理,由图4-7可见，1，2，N是输入端高速串行信息数据码元，S/P是串/并变换单元，f1，f2，,fN是N个正交副载波，并行码元经正交副载波调制后，在时域波上相加合并发送至信道。Ts是串行码元的周期，Tp是发送的并行码元的周期，一般有TpNTs，N是给定信号带宽B中所送用的副载波数。N越大，实际发送的并行码元信号周期TpNTs就越长，抗码间串扰(ISI)的能力也就越强，同时，OFDM信号的功率谱也就越逼
8、近于理想低通特性。,4.2.1 OFDM的基本原理,图 4-8 基于FFT的FDM系统组成框图,4.2.2 基于FFT的OFDM系统组成,图 4-9 具有保护间隔的OFDM的时域和频域示意图,4.2.2 基于FFT的OFDM系统组成,图 4-10 COFDM高清晰度电视传输系统框图,OFDM的主要优缺点如下：(1)经串/并变换，大大降低了符号速率，同时插入了保护间隔，几乎全部消除了符号间的串扰。但由于保护间隔的插入将带来功率与信息在速率上的损失。(2)在带宽受限系统中的低符号速率传输，只需采用简单均衡就可以达到很好的性能。(2)多载波系统对频率和定时同步的要求更加严格，同步误差会导致系统性能的
9、迅速恶化。(3)因OFDM符号其峰值功率与平均功率的比值较大，导致对系统前端放大器的线性范围要求增加。,4.2.2 基于FFT的OFDM系统组成,4.3 时分多路复用（TDM）,4.3.1TDM基本原理 由于单路抽样信号在时间上离散的相邻脉冲间有很大的空隙，在空隙中插入若干路其他抽样信号，只要各路抽样信号在时间上不重叠并能区分开，那么一个信道就有可能同时传输多路信号，达到多路复用的目的。这种多路复用称为时分多路复用（TDM）。,4-11TDM系统框图及波形(a)TDM系统框图；(b)第1路抽样信号；(c)第2路抽样信号；(d)N路PAM信号FDM波形,4.3.1TDM基本原理,图 4-11TD
10、M系统框图及波形(a)TDM系统框图；(b)第1路抽样信号；(c)第2路抽样信号；(d)N路PAM信号FDM波形,4.3.1TDM基本原理,1.抽样速率fs、抽样脉冲宽度和复用路数N的关系抽样脉冲的宽度要比抽样周期Ts还小。对于N路时分复用信号，在抽样周期Ts内要顺序地插入N路抽样脉冲，而且各个脉冲间要留出一些空隙作保护时间，若取保护时间tg和抽样脉冲宽度相等，这样抽样脉冲的宽度=Ts/2N，N越大，就越小，但不能太小。因此，时分复用的路数也不能太大。,4.3.2 TDM信号的带宽及相关问题,时分复用信号的带宽有不同的含义。从传输主要能量的观点考虑,从另一方面考虑，只要幅度信息没有损失，那么脉
11、冲形状的失真就无关紧要。,2.信号带宽B与路数N的关系,时分复用后得到的总和信号仍然是基带信号，只不过这个总和信号的脉冲速率是单路抽样信号的N倍，即,这个信号可以通过基带传输系统直接传输，也可以经过频带调制后在频带传输信道中进行传输。4.时分复用系统必须严格同步 在TDM系统中，发送端的转换开关与接收端的分路开关要严格同步，否则系统就会出现紊乱。实现同步的方法与脉冲调制的方式有关。,3.时分复用信号仍然是基带信号,图 4-12 FDM与TDM特性比较（a）FDM；(b)TDM,1.关于复用原理,4.3.3 TDM与FDM的比较,2.关于设备复杂性就复用部分而言，FDM设备相对简单，TDM设备较
12、为复杂；就分路部分而言，TDM的滤波器比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠，而且TDM中的所有滤波器都是相同的滤波器。FDM中要用到不同的载波和不同的带通滤波器，因而滤波设备相对复杂。总的比较，TDM的设备要简单些。,4.3.3 TDM与FDM的比较,3.关于信号间干扰在FDM系统中，信道的非线性会在系统中产生交调失真和高次谐波，引起话间串扰，因此，FDM对线性的要求比单路通信时要严格得多。在TDM系统中，多路信号在时间上是分开的，因此,对线性的要求与单路通信时的一样，对信道的非线性失真要求可降低，系统中各路间串话比FDM的要小。,4.3.3 TDM与FDM的比较,4.关于传输带宽从前面关于FD
13、M及TDM对信道传输带宽的分析可知，两种系统的带宽是一样的，N 路复用时对信道带宽的要求都是单路的N 倍。码分复用（CDM）不同于FDM和TDM，FDM中不同信息所用的频率是不同的，TDM中不同信息是用不同时隙来区分的，而CDM中各路信息是用各自不同的编码序列来区分的，它们均占有相同的频段和时间。,4.3.3 TDM与FDM的比较,图 4-13 TDMPCM方框图(a)发送端方框图；(b)接收端方框图,4.3.4 时分复用的PCM系统,4.3.5 PCM 30/32路典型终端设备介绍,1.基本特性话路数目：30。抽样频率：8 kHz。压扩特性：A=87.6/13折线压扩律，编码位数k=8，采用
14、逐次比较型编码器，其输出为折叠二进制码。每帧时隙数：32。总数码率：8328000=2048 kb/s。,(1)时隙分配。在PCM30/32路的制式中，抽样周期125 s为一帧。一帧有32个时隙，每个时隙为125/32=3.9 s，因此按顺序编号为TS0、TS1、TS31。时隙的使用分配为 TS1TS15、TS17TS31为30个话路时隙。TS0为帧同步码，监视码时隙。TS16为信令(振铃、占线、摘机等各种标志信号)时隙。,2.帧与复帧结构,(2)话路比特的安排。每个话路时隙内要将样值编为8位二元码，每个码元占3.9s/8=488 ns，称为1比特，编号为18。第1比特为极性码，第24比特为段
15、落码，第58比特为段内码。（3)TS0时隙比特分配。帧同步码组为“0011011”，占用偶帧TS0的第28码位。第1比特供国际通信用，不使用时发送“1”码。奇帧比特分配为第3位为帧失步告警用，以A1表示。同步时送“0”码，失步时送“1”码。为避免奇帧TS0的第28码位出现假同步码组，第2位码规定为监视码，固定为“1”，第48位码为国内通信用，目前暂定为“1”。,2.帧与复帧结构,(4)TS16时隙的比特分配 将16帧组成一个复帧，分别用F0、F1、F15表示，复帧周期为2 ms，复帧频率为500 Hz。复帧中各子帧的TS16分配为：F0帧：14码位传送复帧同步信号“0000”；第6码位传送复帧
16、失步对局告警信号A2，同步为“0”，失步为“1”。5、7、8码位传送“1”码。F1F15各帧的TS16前4比特传115话路信令信号，后4比特传1630话路的信令信号。,2.帧与复帧结构,图 5-14帧与复帧结构,图4-15给出了PCM30/32路设备方框图。它是按群路编译码方式画出的。基本工作过程是将30路抽样序列合成后再由一个编码器进行编码。由于大规模集成电路的发展，编码和译码可做在一个芯片上，称单路编译码器。目前厂家生产的PCM 30/32路系统几乎都是单路编译码器构成的，这时每话路的相应样值各自编成8位码以后再合成总的话音码流，然后再与帧同步码和信令码汇总，经码型变换后再发送出去。单路编
17、译码片构成的PCM 30/32路方框图见图4-16。,3.PCM 30/32路设备方框图,图 4-15 PCM30/32路设备方框图,3.PCM 30/32路设备方框图,图 4-16 单路编译码片构成的PCM30/32路方框图,4.4 数字复接技术,4.4.1 数字复接设备方框图 图4-17是数字复接系统的方框图。从图中可见，数字复接设备包括数字复接器和数字分接器，数字复接器是把两个以上的低速数字信号合并成一个高速数字信号的设备；数字分接器是把高速数字信号分解成相应的低速数字信号的设备。一般把两者做成一个设备，简称为数字复接器。,图 4-17 数字复接系统方框图,4.4 数字复接技术,4.4.
18、1 数字复接设备方框图,4.4.2 复接等级和速率系列,表 4-1 两种标准系列和高次群速率,准同步复接包括码速调整与同步复接。码速调整技术可分为正码速调整、正/负码速调整和正/零/负码速调整三种。其中正码速调整应用最为普遍。正码速调整的含义是使调整以后的速率比任一支路可能出现的最高速率还要高。码速恢复过程则把因调整速率而插入的调整码元及帧同步码元等去掉，恢复出原来的支路码流。,4.4.3 正码速调整,图 4-18 异步复接二次群帧结构,4.4.3 正码速调整,图 4-19 正码速调整原理,4.4.3 正码速调整,传统准同步(PDH)系统暴露出一些固有的弱点，即(1)欧洲、北美和日本等国规定话
19、音信号编码率各不相同，这就给国际间互通造成困难。(2)没有世界性的标准光接口规范，只有通过光/电变换成标准电接口(G.703建议)才能互通，从而限制了联网应用的灵活性，也增加了网络运营成本。(3)低速支路信号不能直接接入高速信号通路上去。(4)系统运营、管理与维护能力受到限制。,4.4.4 光纤通信同步数字系列简介,同步数字系列(SDH)是由一些网络单元(例如终端复用器TM、同步数字交叉连接设备SDXC等)组成的，在光纤上进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络，其关键是：(1)具有全世界统一的网络节点接口(NNI)。(2)有一套标准化的信息结构等级，称为同步传输模块(STM1,STM4和STM16)。(3)帧结构为页面式，具有丰富的用于维护管理的比特。,4.4.4 光纤通信同步数字系列简介,(4)所有网络单元都有标准光接口。(5)有一套灵活的复用结构和指针调整技术，允许现有的准同步数字体系、同步数字体系和BISDN信号都能进入其帧结构，因而具有广泛的适应性。(6)大量采用软件进行网络配置和控制，使得功能开发、性能改变较为方便，适应将来的不断发展。,4.4.4 光纤通信同步数字系列简介,图 4-20 分插信号流图的比较,
