2.4 信道復用技術

信道復用技術也稱為多路復用技術，它是把多路信號在單一的傳輸線路和用單一的傳輸設備進行傳輸的技術，是把多個低速信道組合成一個高速信道的技術。

在遠距離通信中，一些高容量的同軸電纜、地面微波、衛星設施及光纜，可傳輸的頻率帶寬都很寬，為了高效合理地利用資源，通常采用多路復用技術，即將一個物理信道分為多個邏輯信道，使多路信號同時在一個物理信道傳輸，以有效地使用傳輸介質的帶寬，提高信道的傳輸效率。

圖2.10中，多路復用器（Multiplexer）在發送端將來自多個輸入線路的數據組合、調制成一路復用數據，并將此數據信號送到高容量的數據鏈路；多路分配器（Demultiplexer）接收復用的數據流，依照信道分離（分配）還原為多路數據，并將它們輸出到適當的線路上。

多路復用技術主要有頻分多路復用、時分多路復用、波分多路復用和碼分多路復用4種技術。

1.頻分復用技術

頻分多路復用技術（Frequency Division Multiplexing，FDM）是把信道的可用頻帶分成多個互不交疊的頻段，每路信號占用其中的一個頻段。接收時用適當的濾波器分離出不同的信號，分別進行解調，恢復各路信號。在FDM中，各個頻段（帶）都有一定的帶寬，稱為邏輯信道（有時簡稱信道）。為了防止由于相鄰信道信號頻率覆蓋造成的干擾，在相鄰兩個頻段之間要設立一定的“保護”頻帶。

頻分復用的典型例子很多，例如，無線電廣播和無線電視將多個電臺或電視臺的多組節目對應的聲音、圖像信號分別載在不同頻率的無線電波上，同時在同一無線空間中傳播，接收者根據需要接收特定的某種頻率的信號收聽或收看。同樣，有線電視也是基于同一原理。

頻分多路復用技術較適用于傳輸模擬信號。其主要優點是原理簡單、技術成熟，系統的效率較高，可相當充分地利用信道的頻帶。缺點是各路信號之間容易產生串擾。引起串擾的主要原因是信號頻譜之間的相互交叉和信號在被調制后，由于調制系統的非線性而帶來的已調信號頻譜的展寬，進而令信號失真和無法解調接收。因此，使用頻分復用技術要求復用頻譜之間有足夠大的保護間隔，還要求調制系統具有很高的線性濾波功能。

2.時分復用技術

時分多路復用技術（Time Division Multiplexing，TDM）是按傳輸信號的時間進行分割，使不同的信號在不同時間內傳送，即將整個傳輸時間分為許多時間間隔，稱為時隙，每個時隙被一路信號占用。相當于在同一頻率內不同相位上發送和接收信號，頻率共享。換句話說，TDM就是通過在時間上交叉發送每一路信號的一部分來實現用一條線路傳輸多路信號。圖2.11中畫出了4個用戶A、B、C、D，每個用戶所占用的時隙周期性地出現（其周期就是TDM幀的長度），因此，TDM信號也稱為等時（isochronous）信號。

時分多路復用又分為同步時分復用（Synchronous Time Division Multiplexing，STDM）和異步時分復用（Asynchronous Time Division Multiplexing，ATDM）。

（1）同步時分復用是時分多路復用技術的一個分支。這種技術采用固定時隙分配方式，將傳輸信號的時間分為固定大小的時間片，每個時間片稱為一幀，再將每幀劃分成等長度的多個時隙，每個時隙以固定的方式分配給各路數字信號，各路數字信號在每幀都順序分配到一個時隙。通常，與復用器相連接的是低速設備（如終端），復用器將低速設備送來的、在時間上連續的低速率數據經過提高傳輸速率，壓縮到對應的時隙，使其變為在時間上間斷的高速時分數據，以達到多路低速設備復用高速鏈路的目的。所以，與復用器相連的低速設備的數目及速率受復用器及復用傳輸速率的限制。

在同步時分復用方式中，由于時隙預先分配且固定不變，無論時隙擁有者是否傳輸數據都要占用一定的時隙，形成了時隙浪費，其時隙利用率很低。圖2.12說明了這一概念。假定有4個用戶A、B、C、D進行時分復用，復用器按①→②→③→④的順序依次掃描用戶A、B、C、D的各時隙，然后構成一個個時分復用幀。圖中畫出了4個時分復用幀，每個時分復用幀有4個時隙?？梢钥闯觯斈秤脩魰簳r無數據發送時，時分復用幀中分配給該用戶的時隙只能處于空閑狀態，其他用戶即使一直有數據要發送，也不能使用這些空閑的時隙，這就導致復用后的信道利用率不高。為了克服STDM的缺點，引入了異步時分復用（ATDM）。

（2）異步時分復用又稱統計時分復用（Statistical Time Division Multiplexing）或智能時分復用（Intelligent Time Division Multiplexing）。它能動態地按需分配時隙，避免每幀中出現空閑時隙。同時，對每個時隙加上用戶標識，以區別該時隙屬于哪個用戶。由于用戶的數據并不按固定的時間間隔來發送，所以稱為異步。集中器（concentrator）常使用這種統計時分復用。圖2.13是異步時分復用的原理圖，一個使用異步時分復用的集中器連接4個低速用戶，然后將它們的數據集中起來通過高速線路發送到一個遠地計算機。輸出線路上每個時隙之前的短時隙（白色）是用戶的地址信息。

異步時分復用使用STDM幀來傳送復用的數據，但每個STDM幀中的時隙數小于連接在集中器上的用戶數。各用戶的數據可隨時發往集中器的輸入緩存，集中器按順序依次掃描輸入緩存，將緩存中的輸入數據放入STDM幀中，對沒有數據的緩存就跳過去。當一個幀的數據放滿了，就發送出去。STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態地分配時隙，因此，異步時分復用可以提高線路的利用率。

在異步時分復用中，只有某一路用戶有數據要發送時才把時隙分配給它。當用戶暫停發送數據時不給它分配時隙。線路的空閑時隙可用于其他用戶的數據傳輸。所以，每個用戶的傳輸速率可以高于平均速率（即通過多占時隙），最高可達到線路的總傳輸能力（即占用所有的時隙）。例如，線路的總傳輸能力為28.8Kb/s，3個用戶共用此線路，在同步時分復用方式中每個用戶的最高速率為9600b/s，而在ATDM中每個用戶的最高速率可達28.8Kb/s。

3.波分復用技術

波分多路復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）是指光的頻分復用，用于光纖通信中，用不同波長的光波來承載不同的通信子信道，多路復用信道同時傳輸所有子信道的波長。也就是說，波分復用是將多種不同波長的光載波信號（攜帶各種信息）在發送端經光復用器（也稱合波器）匯合在一起，并耦合到同一根光纖中進行傳輸；在接收端，經光分用器（也稱分波器）將各種波長的光載波分離，然后由光接收機做進一步處理以恢復原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸多種不同波長光信號的技術，稱為波分復用。

圖2.14說明了波分復用的概念。8路傳輸速率均為2.5Gb/s的光載波（其波長均為1310nm）經光調制后，分別將波長變換到1550～1557nm，每個光載波相隔1nm。經過合波器后，在一根光纖中傳輸，數據傳輸的總速率達到8×2.5Gb/s=20Gb/s。但光信號傳輸了一段距離后就會衰減，因此對衰減了的光信號必須進行放大才能繼續傳輸。現在，已經有了很好的摻鉺光纖放大器EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）。它是一種光放大器，不需要像以前那樣復雜，先要把光信號轉換成電信號，經過電放大器放大后，再轉換成為光信號。摻鉺光纖放大器EDFA不需要進行光電轉換而直接對光信號進行放大，并且在1550nm波長附近有35nm（即4.2THz）頻帶范圍提供較均勻的、最高可達40～50dB的增益。兩個光纖放大器之間的光纜線路長度可達120km，合波器和分波器之間的無光電轉換的距離可達600km（只需放入4個光纖放大器）。而在使用波分復用技術和光纖放大器之前，要在600km的距離傳輸20Gb/s，需要鋪設8根速率為2.5Gb/s的光纖，而且每隔35km要用一個再生中繼器進行光電轉換后的放大，并再轉換為光信號（這樣的中繼器總共要有128個）。

根據通信系統設計的不同，每個波長之間的間隔寬度也有不同。按照信道間隔的不同，WDM可以細分為CWDM（稀疏波分復用）和DWDM（密集波分復用）。CWDM的信道間隔為20nm，而DWDM的信道間隔為0.2～1.2nm。CWDM和DWDM的區別主要有兩點：一是CWDM載波通道間距較寬，因此同一根光纖上只能復用5～6個不同波長的光波；二是CWDM調制激光采用非冷卻激光，而DWDM采用的是冷卻激光。冷卻激光采用溫度調諧，非冷卻激光采用電子調諧。由于在一個很寬的波長區段內溫度分布很不均勻，因此溫度調諧實現起來難度較大，成本也較高。CWDM避開了這一難點，因而大幅降低了成本。CWDM利用光多路復用器將在不同光纖中傳輸的波長結合到一根光纖中傳輸來實現。在鏈路的接收端，利用多路分配器將分解后的波長分別送到不同的光纖，從而接到不同的接收機。

WDM傳輸容量大，可節約寶貴的光纖資源。對單模光纖系統而言，收發一路信號需要使用一對光纖；而對于WDM系統，不管有多少路信號，整個復用系統只需要一對光纖。例如，對于16路傳輸速率為2.5Gb/s的系統來說，單模光纖系統需要32根光纖，而WDM系統僅需2根光纖。另外，WDM對各類業務信號是“透明”的，可以傳輸不同類型的信號，如數字信號、模擬信號等，并能對其進行合成和分解。同時，采用WDM技術的網絡擴容比較方便。

4.碼分復用技術

碼分復用CDM（Code Division Multiplexing）是在碼域上進行多路信號的組合和分離。每個信道分配不同的基本地址碼序列，使得不同信道分得的碼序列彼此正交，接收機只要對其欲接收的信號的地址碼進行相關檢測，即可獲得信號。即多路信號調制在不同的碼型上進行復用，占據相同的頻帶和相同的時間。

實際中更常用的名詞是碼分多址CDMA（Code Division Multiple Access）。CDMA以傳輸信號的碼型不同來區分信道，建立多址接入。CDMA是一種擴頻技術，本質上，擴頻為每個用戶信號標記了唯一的目的地址。CDMA的任意一對發射信號之間的正交性都是基于代數性質的，但是實際產生的寬帶擴頻函數并沒有真正正交，任意一對發射信號之間的互相關代表了干擾，因此，CDMA方式存在各用戶間的相互干擾——多址干擾。

下面簡述CDMA的工作原理。在CDMA中，每一位時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片（Chip）。通常m的值是64或128。為了說明簡單，設m=8。

使用CDMA的每個站被指派一個唯一的m位碼片序列（Chip Sequence）。一個站如果要發送二進制數1，則發送它自己的m位碼片序列；如果要發送二進制數0，則發送該碼片序列的二進制反碼。例如，指派給S站的8位碼片序列是00011011。當S發送二進制數1時，發送序列為00011011；發送二進制數0時，則發送11100100。為了方便，我們按慣例將碼片中的0寫為-1，將1寫為+1。因此，S站的碼片序列是（-1-1-1+1+1-1+1+1）。

現假定S站要發送信息的數據率為b b/s。由于每一位要轉換成m位的碼片，S站實際發送的數據率提高到mb b/s，同時S站所占用的頻帶寬度也提高到原來的m倍。這種通信方式是擴頻（Spread Spectrum）通信中的一種。擴頻通信通常有兩大類，一種是直接序列（Direct Sequence），如上面使用碼片序列就是這一類，記為DS-CDMA；另一種是跳頻（Frequency Hopping），記為FH-CDMA。

CDMA系統的一個重要特點就是這種體制給每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，而且還必須互相正交（Orthogonal）。在實用的系統中使用偽隨機碼序列。

用數學公式可以清楚地表示碼片序列的這種正交關系。令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，則向量S和T的規格化內積（Inner Product）為0：

例如，向量S為（-1-1-1+1+1-1+1+1），同時設向量T為（-1-1+1-1+1+1+1-1），相當于T站的碼片序列為00101110。將向量S和T的各分量值代入式（2.9）可看出兩個碼片序列是正交的。不僅如此，向量S和各站碼片反碼的向量的內積也為0。還有一點也很重要，即任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積為1：

而一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值為-1，從式（2.10）可以很清楚地看出，因為求和的各項變為-1。

現在，假定在一個CDMA系統中有多個站相互通信，每個站所發送的是數據位和本站碼片序列的乘積，因而是本站的碼片序列（相當于發送二進制數1）和該碼片序列的二進制反碼（相當于發送二進制數0）的組合序列，或沒有數據發送。還假定所有的站所發送的碼片序列都是同步的，即所有的碼片序列都在同一個時刻開始，利用全球定位系統GPS可以做到。

現假定有一個X站要接收S站發送的數據。X站必須知道S站所特有的碼片序列，X站使用它得到的碼片向量S與接收到的未知信號進行求內積的運算，X站接收到的信號是各個站發送的碼片序列之和，根據式（2.9）和（2.10），再根據疊加原理（假定各種信號經過信道到達接收方是疊加的關系），那么求內積得到的結果是：所有其他站的信號都被過濾掉（其內積的相關項都是0），而只剩下S站發送的信號。當S站發送二進制數1時，在X站計算內積的結果為+1；當S站發送二進制數0時，內積的結果為-1。

圖2.15是CDMA的工作原理。設S站要發送的數據是110三個碼元，CDMA將每個碼元擴展為8個碼片，而S站選擇的碼片序列為（-1-1-1+1+1-1+1+1）。S站發送的擴頻信號Sx只包含互為反碼的兩種碼片序列。T站選擇的碼片序列為（-1-1+1-1+1+1+1-1），也發送110三個碼元，T站的擴頻信號為Tx。因為所有的站都使用相同的頻率，所以每個站都能夠收到所有的站發送的擴頻信號。本例中，所有的站收到的都是疊加的信號Sx+Tx。

當接收站打算接收S站發送的信號時，就用S站的碼片序列與收到的信號求規格化內積，這相當于分別計算S·Sx和S·Tx，然后再求它們的和，顯然后者是0，而前者就是S站發送的數據位。