信道复用技术

Posted 2021-03-15 AhuntSun

信道复用技术

复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念。

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）

如图：

输入端

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

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：

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：

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。

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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。

A、B、C、D在TDM帧中的位置是不变的。

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

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)

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。

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波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

波分复用就是光的频分复用。

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

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：

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 ；

• 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：

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。