2.4 信道复用技术

信道复用技术也称为多路复用技术，它是把多路信号在单一的传输线路和用单一的传输设备进行传输的技术，是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。

在远距离通信中，一些高容量的同轴电缆、地面微波、卫星设施及光缆，可传输的频率带宽都很宽，为了高效合理地利用资源，通常采用多路复用技术，即将一个物理信道分为多个逻辑信道，使多路信号同时在一个物理信道传输，以有效地使用传输介质的带宽，提高信道的传输效率。

图2.10中，多路复用器（Multiplexer）在发送端将来自多个输入线路的数据组合、调制成一路复用数据，并将此数据信号送到高容量的数据链路；多路分配器（Demultiplexer）接收复用的数据流，依照信道分离（分配）还原为多路数据，并将它们输出到适当的线路上。

多路复用技术主要有频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用和码分多路复用4种技术。

1.频分复用技术

频分多路复用技术（Frequency Division Multiplexing，FDM）是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段，每路信号占用其中的一个频段。接收时用适当的滤波器分离出不同的信号，分别进行解调，恢复各路信号。在FDM中，各个频段（带）都有一定的带宽，称为逻辑信道（有时简称信道）。为了防止由于相邻信道信号频率覆盖造成的干扰，在相邻两个频段之间要设立一定的“保护”频带。

频分复用的典型例子很多，例如，无线电广播和无线电视将多个电台或电视台的多组节目对应的声音、图像信号分别载在不同频率的无线电波上，同时在同一无线空间中传播，接收者根据需要接收特定的某种频率的信号收听或收看。同样，有线电视也是基于同一原理。

频分多路复用技术较适用于传输模拟信号。其主要优点是原理简单、技术成熟，系统的效率较高，可相当充分地利用信道的频带。缺点是各路信号之间容易产生串扰。引起串扰的主要原因是信号频谱之间的相互交叉和信号在被调制后，由于调制系统的非线性而带来的已调信号频谱的展宽，进而令信号失真和无法解调接收。因此，使用频分复用技术要求复用频谱之间有足够大的保护间隔，还要求调制系统具有很高的线性滤波功能。

2.时分复用技术

时分多路复用技术（Time Division Multiplexing，TDM）是按传输信号的时间进行分割，使不同的信号在不同时间内传送，即将整个传输时间分为许多时间间隔，称为时隙，每个时隙被一路信号占用。相当于在同一频率内不同相位上发送和接收信号，频率共享。换句话说，TDM就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现用一条线路传输多路信号。图2.11中画出了4个用户A、B、C、D，每个用户所占用的时隙周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度），因此，TDM信号也称为等时（isochronous）信号。

时分多路复用又分为同步时分复用（Synchronous Time Division Multiplexing，STDM）和异步时分复用（Asynchronous Time Division Multiplexing，ATDM）。

（1）同步时分复用是时分多路复用技术的一个分支。这种技术采用固定时隙分配方式，将传输信号的时间分为固定大小的时间片，每个时间片称为一帧，再将每帧划分成等长度的多个时隙，每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每帧都顺序分配到一个时隙。通常，与复用器相连接的是低速设备（如终端），复用器将低速设备送来的、在时间上连续的低速率数据经过提高传输速率，压缩到对应的时隙，使其变为在时间上间断的高速时分数据，以达到多路低速设备复用高速链路的目的。所以，与复用器相连的低速设备的数目及速率受复用器及复用传输速率的限制。

在同步时分复用方式中，由于时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都要占用一定的时隙，形成了时隙浪费，其时隙利用率很低。图2.12说明了这一概念。假定有4个用户A、B、C、D进行时分复用，复用器按①→②→③→④的顺序依次扫描用户A、B、C、D的各时隙，然后构成一个个时分复用帧。图中画出了4个时分复用帧，每个时分复用帧有4个时隙。可以看出，当某用户暂时无数据发送时，时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙，这就导致复用后的信道利用率不高。为了克服STDM的缺点，引入了异步时分复用（ATDM）。

（2）异步时分复用又称统计时分复用（Statistical Time Division Multiplexing）或智能时分复用（Intelligent Time Division Multiplexing）。它能动态地按需分配时隙，避免每帧中出现空闲时隙。同时，对每个时隙加上用户标识，以区别该时隙属于哪个用户。由于用户的数据并不按固定的时间间隔来发送，所以称为异步。集中器（concentrator）常使用这种统计时分复用。图2.13是异步时分复用的原理图，一个使用异步时分复用的集中器连接4个低速用户，然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。输出线路上每个时隙之前的短时隙（白色）是用户的地址信息。

异步时分复用使用STDM帧来传送复用的数据，但每个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户的数据可随时发往集中器的输入缓存，集中器按顺序依次扫描输入缓存，将缓存中的输入数据放入STDM帧中，对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，因此，异步时分复用可以提高线路的利用率。

在异步时分复用中，只有某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它。当用户暂停发送数据时不给它分配时隙。线路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。所以，每个用户的传输速率可以高于平均速率（即通过多占时隙），最高可达到线路的总传输能力（即占用所有的时隙）。例如，线路的总传输能力为28.8Kb/s，3个用户共用此线路，在同步时分复用方式中每个用户的最高速率为9600b/s，而在ATDM中每个用户的最高速率可达28.8Kb/s。

3.波分复用技术

波分多路复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）是指光的频分复用，用于光纤通信中，用不同波长的光波来承载不同的通信子信道，多路复用信道同时传输所有子信道的波长。也就是说，波分复用是将多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经光复用器（也称合波器）汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输；在接收端，经光分用器（也称分波器）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机做进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输多种不同波长光信号的技术，称为波分复用。

图2.14说明了波分复用的概念。8路传输速率均为2.5Gb/s的光载波（其波长均为1310nm）经光调制后，分别将波长变换到1550～1557nm，每个光载波相隔1nm。经过合波器后，在一根光纤中传输，数据传输的总速率达到8×2.5Gb/s=20Gb/s。但光信号传输了一段距离后就会衰减，因此对衰减了的光信号必须进行放大才能继续传输。现在，已经有了很好的掺铒光纤放大器EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）。它是一种光放大器，不需要像以前那样复杂，先要把光信号转换成电信号，经过电放大器放大后，再转换成为光信号。掺铒光纤放大器EDFA不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大，并且在1550nm波长附近有35nm（即4.2THz）频带范围提供较均匀的、最高可达40～50dB的增益。两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达120km，合波器和分波器之间的无光电转换的距离可达600km（只需放入4个光纤放大器）。而在使用波分复用技术和光纤放大器之前，要在600km的距离传输20Gb/s，需要铺设8根速率为2.5Gb/s的光纤，而且每隔35km要用一个再生中继器进行光电转换后的放大，并再转换为光信号（这样的中继器总共要有128个）。

根据通信系统设计的不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照信道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用）。CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔为0.2～1.2nm。CWDM和DWDM的区别主要有两点：一是CWDM载波通道间距较宽，因此同一根光纤上只能复用5～6个不同波长的光波；二是CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度较大，成本也较高。CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本。CWDM利用光多路复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实现。在链路的接收端，利用多路分配器将分解后的波长分别送到不同的光纤，从而接到不同的接收机。

WDM传输容量大，可节约宝贵的光纤资源。对单模光纤系统而言，收发一路信号需要使用一对光纤；而对于WDM系统，不管有多少路信号，整个复用系统只需要一对光纤。例如，对于16路传输速率为2.5Gb/s的系统来说，单模光纤系统需要32根光纤，而WDM系统仅需2根光纤。另外，WDM对各类业务信号是“透明”的，可以传输不同类型的信号，如数字信号、模拟信号等，并能对其进行合成和分解。同时，采用WDM技术的网络扩容比较方便。

4.码分复用技术

码分复用CDM（Code Division Multiplexing）是在码域上进行多路信号的组合和分离。每个信道分配不同的基本地址码序列，使得不同信道分得的码序列彼此正交，接收机只要对其欲接收的信号的地址码进行相关检测，即可获得信号。即多路信号调制在不同的码型上进行复用，占据相同的频带和相同的时间。

实际中更常用的名词是码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）。CDMA以传输信号的码型不同来区分信道，建立多址接入。CDMA是一种扩频技术，本质上，扩频为每个用户信号标记了唯一的目的地址。CDMA的任意一对发射信号之间的正交性都是基于代数性质的，但是实际产生的宽带扩频函数并没有真正正交，任意一对发射信号之间的互相关代表了干扰，因此，CDMA方式存在各用户间的相互干扰——多址干扰。

下面简述CDMA的工作原理。在CDMA中，每一位时间再划分为m个短的间隔，称为码片（Chip）。通常m的值是64或128。为了说明简单，设m=8。

使用CDMA的每个站被指派一个唯一的m位码片序列（Chip Sequence）。一个站如果要发送二进制数1，则发送它自己的m位码片序列；如果要发送二进制数0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，指派给S站的8位码片序列是00011011。当S发送二进制数1时，发送序列为00011011；发送二进制数0时，则发送11100100。为了方便，我们按惯例将码片中的0写为-1，将1写为+1。因此，S站的码片序列是（-1-1-1+1+1-1+1+1）。

现假定S站要发送信息的数据率为b b/s。由于每一位要转换成m位的码片，S站实际发送的数据率提高到mb b/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来的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，一种是直接序列（Direct Sequence），如上面使用码片序列就是这一类，记为DS-CDMA；另一种是跳频（Frequency Hopping），记为FH-CDMA。

CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且还必须互相正交（Orthogonal）。在实用的系统中使用伪随机码序列。

用数学公式可以清楚地表示码片序列的这种正交关系。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，则向量S和T的规格化内积（Inner Product）为0：

例如，向量S为（-1-1-1+1+1-1+1+1），同时设向量T为（-1-1+1-1+1+1+1-1），相当于T站的码片序列为00101110。将向量S和T的各分量值代入式（2.9）可看出两个码片序列是正交的。不仅如此，向量S和各站码片反码的向量的内积也为0。还有一点也很重要，即任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积为1：

而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值为-1，从式（2.10）可以很清楚地看出，因为求和的各项变为-1。

现在，假定在一个CDMA系统中有多个站相互通信，每个站所发送的是数据位和本站码片序列的乘积，因而是本站的码片序列（相当于发送二进制数1）和该码片序列的二进制反码（相当于发送二进制数0）的组合序列，或没有数据发送。还假定所有的站所发送的码片序列都是同步的，即所有的码片序列都在同一个时刻开始，利用全球定位系统GPS可以做到。

现假定有一个X站要接收S站发送的数据。X站必须知道S站所特有的码片序列，X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积的运算，X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和，根据式（2.9）和（2.10），再根据叠加原理（假定各种信号经过信道到达接收方是叠加的关系），那么求内积得到的结果是：所有其他站的信号都被过滤掉（其内积的相关项都是0），而只剩下S站发送的信号。当S站发送二进制数1时，在X站计算内积的结果为+1；当S站发送二进制数0时，内积的结果为-1。

图2.15是CDMA的工作原理。设S站要发送的数据是110三个码元，CDMA将每个码元扩展为8个码片，而S站选择的码片序列为（-1-1-1+1+1-1+1+1）。S站发送的扩频信号Sx只包含互为反码的两种码片序列。T站选择的码片序列为（-1-1+1-1+1+1+1-1），也发送110三个码元，T站的扩频信号为Tx。因为所有的站都使用相同的频率，所以每个站都能够收到所有的站发送的扩频信号。本例中，所有的站收到的都是叠加的信号Sx+Tx。

当接收站打算接收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积，这相当于分别计算S·Sx和S·Tx，然后再求它们的和，显然后者是0，而前者就是S站发送的数据位。