通信原理第6章多路复用和多址技术

第6章多路复用技术6.1概述6.2频分复用6.3时分复用6.4码分复用6.5小结●多路复用●目的：在一条链路上传输多路独立信号●基本原理：正交划分方法●信号的正交性假定有两个信号f1(t)和f2(t)，如果在区间(t1，t2)上满足：则称f1(t)和f2(t)在(t1，t2)上互为正交●3种多路复用基本方法：频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM）时分复用（TimeDivisionMultiplexing,TDM）码分复用（CodeDivisionMultiplexing,CDM）6.1概述(a)频分制(b)时分制(c)码分制fNf1f2t2tNt1tNt1t2I21t12tf(t)f(t)dt0●3种多路复用新方法：空分复用(SpaceDivisionMultiplexing,SDW)极化复用(PolarizationDivisionMultiplexing,PDW)波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)●复接●目的解决来自若干条链路的多路信号的合并和区分●关键技术问题多路TDM信号时钟的统一和定时问题●多址接入●目的多个用户共享信道、动态分配网络资源●方法频分多址、时分多址、码分多址、空分多址、极化多址以及其他利用信号统计特性复用的多址技术等6.1概述第6章多路复用技术6.1概述6.2频分复用6.3时分复用6.4码分复用6.5小结●频分复用基本概念在同一个信道内用不同的频率传送各路消息，以实现多路通信●方法采用SSB调制搬移频谱，以节省频带●3路频分复用电话通信系统原理6.2频分复用(a)发送端原理方框图4.3~7.4kHz8.3~11.4kHz4kHz12kHz8kHz多路信号输出相乘带通低通话音输入1f1相乘带通低通话音输入2f2相乘带通低通话音输入3f3300~3400Hz300~3400Hz300~3400Hz12.3~15.4kHz4kHz8kHz12kHz基带语音信号300–3400Hz4.3–7.4kHz8.3–11.4kHz12.3–15.4kHzf0演示●3路频分复用电话通信系统原理●FDM信号的频谱及带宽●为防止邻路信号间互相干扰，各载频之间的间隔应满足其中，fm为每一路的最高频率；fg为邻路间防护频带●n路单边带信号所需最小带宽为式中，B1为一路信号占用的带宽●FDM应用●有线电视●全电视信号●模拟电话多路复用系统●FM立体声广播(1)ttccmgffff6.2频分复用多路信号输入(b)接收端原理方框图话音输出1话音输出2话音输出3相乘低通带通f1相乘低通带通f1相乘低通带通f14.3~7.4kHz8.3~11.4kHz12.3~15.4kHz3400Hz3400Hz3400Hz8kHz12kHz4kHz●FDM实现：调制→合成→传输→分路1(1)(1)()(1)nmgmgmmBnfnfnfffnBf演示4kHz8kHz12kHz基带语音信号300–3400Hz4.3–7.4kHz8.3–11.4kHz12.3–15.4kHzf0●FDM应用●模拟电话多路复用系统多路载波电话系统是按照ITU建议，采用单边带调制频分复用方式(a)是其分层结构，由12路电话复用为一个基群(BasicGroup)；5个基群复用为一个超群(SuperGroup)，共60路电话；由10个超群复用为一个主群(MasterGroup)，共600路电话6.2频分复用●FDM应用●调频立体声广播调频立体声广播系统占用频段为88~108MHz，采用FDM方式。在调频之前，首先采用载波抑制双边带调制将左右两个声道信号之差(L-R)与左右两个声道信号之和(L+R)实行频分复用在19kHz处发送一个单频信号，用于接收端提取相干载波和立体声指示L＋RL－R下边带L－R上边带辅助通信通道导频载频DSB-SC019152338535975f/kHz6.2频分复用＋＋×38kHz振荡器÷2衰减∑＋－＋＋L－RL＋R＋＋＋左声道L右声道R去调频发射机(a)LPF0~15kHzBPF23~53kHz＋＋LPF0~15kHz×导频滤波19kHz×2LR＋＋＋－来自鉴频器立体声指示(b)12(L＋R)12(L－R)●频分多路复用系统的特点:●优点信道复用率高，分路方便，因此，频分多路复用是目前模拟通信中常采用的一种复用方式，特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛●缺点●对系统线性的要求很高，要求系统的非线性失真很小；●用硬件实现时，设备的生产技术较为复杂，特别是滤波器的制作和调试较繁难，成本较高●不易小型化6.2频分复用第6章多路复用技术6.1概述6.2频分复用6.3时分复用6.4码分复用6.5小结●时分复用(TDM)基本概念●定义利用各信号的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法●FDM与TDM的区别●FDM系统中，各信号在频域上是分开的而在时域上混叠在一起；●在TDM系统中，各信号在时域上是分开的，而在频域上是混叠在一起的●理论基础：抽样定理6.3时分复用m1(t)m2(t)●TDM的基本原理抽样电子开关以适当的速率交替对输入的N路基带信号分别进行自然抽样，得到TDM-PAM波形。TDM-PAM脉冲波形宽度为：式中，T为每路信号的抽样时间间隔，满足奈奎斯特间隔6.3时分复用NNsi(t)低通1低通2低通N信道低通1低通2低通Ns1(t)s2(t)1帧T/NT+T/N2T+T/N3T+T/N同步旋转开关s1(t)s2(t)s2(t)s1(t)sN(t)sN(t)时隙1旋转开关采集到的信号信号s1(t)的采样信号s2(t)的采样时分多路复用原理1PAMsTTNNf●TDM的基本原理现今电话通信中采用比较多的是PCM和DPCM编码方式，从而构成TDM-PCM和TDM-ΔM系统6.3时分复用QuantizerandencoderChannelDecoderLPFLPFLPFAnaloginputsignalsChannel1(fromsource1)Channel2(fromsource2)Channel3(fromsource3)TransmitterSamplerTDMPAMsignalTsTstTDMPCMsignalSynchronizationSamplerTDMPAMReceiverReceivedTDMPCMplusnoiseChannel1Channel2Channel3Outputanalogsignalsfsfs●TDM的基本条件●各路信号必须组成为帧●一帧应分为若干时隙●在帧结构中必须有帧同步码●TDM的主要优点：●便于信号的数字化和实现数字通信●制造调试较易，更适合采用集成电路实现●生产成本较低，具有价格优势6.3时分复用第6章多路复用技术6.1概述6.2频分复用6.3时分复用6.4码分复用6.5小结●基本原理●码组正交设x和y表示两个码组：式中，i=1,2,…,N互相关系数定义：两码组正交的必要和充分条件:例：),,,,,(21Nixxxxx),,,,,(21Niyyyyy)1,1(,iiyxNiiiyxNyx11),(0),(yx0000-1+1+1+1+1-1-1-1s3s1s2s4正交码组tttt)1,1,1,1()1,1,1,1()1,1,1,1()1,1,1,1(4321ssss6.4码分复用●基本原理●用“1”和“0”表示二进制码元方法：“1”“-1”“0”“+1”●互相关系数定义式式中，A－x和y中对应码元相同的个数；D－x和y中对应码元不同的个数。上例中，●优点：映射关系“”“”DADAyx),()1,0,1,0()0,1,1,0()1,1,0,0()0,0,0,0(4321ssss)1,1,1,1()1,1,1,1()1,1,1,1()1,1,1,1(4321ssss01001110+1-1+1+1-1-1-1+16.4码分复用●码组自相关系数●定义：设xi取值+1或-1，式中，x的下标i+j应按模N运算，即xN+ixi例：设x=(x1,x2,x3,x4)=(+1,-1,-1,+1)则其自相关系数为NijiixNjxxNj1)1(,,1,01)(141)0(412iixx0)1111(41)(4141)1(14433221411xxxxxxxxxxiiix1)1111(41)(4141)2(2434231412xxxxxxxxxxiiix0)1111(41)(4141)3(34231241413xxxxxxxxxxiiix6.4码分复用●码组自相关系数●若设xi取值“0”或“1”，则有自相关系数式中，A为xi和xi+j中对应码元相同的个数；D为xi和xi+j中对应码元不同的个数●的取值范围：●按照互相关系数值的不同，当=0时，称码组为正交编码当0时，称码组为准正交码当0时，称其为超正交码，例：●正交编码和其反码还可以构成双正交码，例(0,0,0,0)(1,1,1,1)(0,0,1,1)(1,1,0,0)(0,1,1,0)(1,0,0,1)(0,1,0,1)(1,0,1,0)DADAxxjii),(11)1,0,1(),0,1,1(),1,1,0(321sss6.4码分复用●四路码分复用原理方框图misi＋s1m4s2m4s3m4s4m4积分m1m2m3m4s4s2s1s3积分积分积分TTTTTTttt(c)mi(t)si(t)(b)si(t)(a)mi(t)t(d)misi(e)(misi)sit(f)(misi)sidttttttttttttttttt6.4码分复用●正交码●阿达玛(Hadamard)矩阵是一种方阵，仅由元素+1和-1构成，简称H矩阵●最低阶的阿达玛矩阵是2阶的，如下式为简单起见，将上式写为：●阶数为2的幂的阿达玛矩阵可以用下面的递推公式求出：式中，为直积11112H2H2HHH2/NN6.4码分复用●正交码●阿达玛(Hadamard)矩阵●直积的算法：将矩阵H2中的每个元素都用矩阵HN/2代替。例：●正规阿达玛矩阵：由上法构造出的H矩阵是对称矩阵，而且其第一行和第一列中的元素全为“+”，称为正规H矩阵2222224HHHHHHH4444248HHHHHHH6.4码分复用●正交码●阿达玛(Hadamard)矩阵●H矩阵的性质●若交换正规H矩阵的任意两行或两列，或者改变任一行（或列）中的全部元素的符号，此矩阵仍为H矩阵●高于2阶的H矩阵的阶数一定是4的倍数●目前，除N=447=188外，所有N200的H矩阵都已经找到●沃尔什(Walsh)矩阵：将H矩阵中各行按符号改变次数由少到多排列，得出沃尔什矩阵（简称W矩阵）。例：W矩阵仍保有正交性8W6.4码分复用●伪随机码●伪随机码－又称伪随机序列●具有类似白噪声的随机特性但是又能重复产生●具有良好的相关特性，可以用于码分复用、多址接入、测距、密码、扩展频谱通信和分离多径信号等许多用途●伪随机序列有多种，其中以m序列最