第5章信道復用本章學習要求：掌握：信道的定義掌握：無線信道與有線信道掌握：復用技術和多址技術掌握：頻分復用FDM和時分復用TDM了解：分多址FDMA、時分多址TDMA、碼分多址CDMA和混合多址等幾種方式5．1通信信道概述信道定義：以傳輸媒質為基礎的信號通道。狹義信道:信號的傳輸媒質廣義信道:包括有關的變換裝置調制信道：編碼信道：有線信道：明線,電纜,光纖,波導管等。無線信道：地波、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛星中繼等。關心的是調制器輸出的信號形式、解調器輸入端信號與噪聲的最終特性。編碼器輸出端到譯碼器輸入端的部分。狹義信道調制信道編碼信道明線5雙絞線568A標準：綠白，綠，橙白，藍，藍白，橙，棕白，棕

568B標準：橙白，橙，綠白，藍，藍白，綠，棕白，棕

抗干擾能力較差。帶寬和傳輸距離：決定于銅線的粗細同軸電纜(CoaxialCable)同軸電纜的分類基帶同軸電纜：50歐姆電纜，用于數字傳輸。數據傳輸速率：10Mb/s，信號傳輸距離：1-1.2km。寬帶同軸電纜：75歐姆電纜，用于模擬傳輸。CATV中標準傳輸電纜，帶寬可達：300-450MHz,傳輸距離：100km。同軸電纜的優缺點抗干擾能力強帶寬寬，數據傳輸速率高，傳輸距離遠。價格貴，很重，無法結構化布線應用：電視網絡、近距離計算機網絡、長途電話傳輸光纖、光纜軸心：玻璃材質,用來傳送光波訊號。被覆層：折射率極低的物質。外皮：不透光的材質,用以隔絕外在的干擾源,保護脆弱的軸心。光纖結構纖芯包層按折射率分類階躍型梯度型按模式分類多模光纖單模光纖折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2單模階躍折射率光纖(a)(b)(c)光電轉換器光纖的類型單模光纖：軸心直徑較細,約5~10微米,傳輸距離長,

散射率小,傳輸效能極佳。多模光纖：軸心直徑較寬,約50~100微米,傳輸距離短,傳輸效能略差。光纖工作波段目前，在試驗室中光纖帶寬超過50Tbps；82.5Gbps，810Gbps，3210Gbps的光纖傳輸已經實用常用的三個波長窗口（光纖波段） 0.85um：衰減（attenuation)大，傳輸速率和距離受限制，但價格便宜1.30um：衰減小，無色散（dispersion）補償、功率放大情況下，最大傳40km（最壞情況）1.55um：衰減小，無色散補償、功率放大情況下，最大傳80km（最壞情況）無線信道無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制地球大氣層的結構對流層：地面上0~10km平流層：約10～60km電離層：約60～400km地面對流層平流層電離層10km60km0km電離層對于傳播的影響反射散射大氣層對于傳播的影響散射吸收電磁波的分類：地波頻率<2MHz有繞射能力距離：數百或數千千米天波頻率：2~30MHz特點：被電離層反射一次反射距離：<4000km寂靜區：17傳播路徑地面圖3-1地波傳播地面信號傳播路徑圖3-2天波傳播復用技術

MultiplexingTechniques一般來說，正在通信的兩個站點不會完全用盡數據鏈路的全部帶寬。“復用”(multiplexing)就是使一條數據鏈路能同時傳輸多路信號的一組技術。復用技術最常用在使用大容量光纖、同軸電纜或微波鏈路的長途通信方面，以及廣域網的主干連接。P105圖6.1復用與無復用

Multiplexingvs.NoMultiplexing鏈路和通道（信道）

LinkandChannel在多路復用技術中，“鏈路”一詞指的是物理路線。“通道”（信道）一詞指的鏈路的一部分，它能在一對給定的線路間實現數據的傳輸。一條鏈路可以有許多(n)條通道。Inmultiplexing,thewordlinkreferstothephysicalpath.Thewordchannelreferstotheportionofalinkthatcarriesatransmissionbetweenagivenpairoflines.Onelinkcanhavemany(n)channels.

在多路復用技術中，“鏈路”一詞指的是物理路線。“通道”（信道）一詞指的鏈路的一部分，它能在一對給定的線路間實現數據的傳輸。

一條鏈路可以有許多(n)條通道。Note復用技術種類

CategoriesofMultiplexing異步時分復用:亦稱統計時分復用(STDM)5.2頻分復用(FDM)

Frequency-divisionMultiplexing頻分復用

FrequencyDivisionMultiplexingFDM是一種模擬技術，用于鏈路帶寬大于要傳輸的幾路信號帶寬之和的情況。每路信號都被調制到一個不同的載波頻率上，然后組合成一個復合信號。各載波頻率之間應有一定間隔（防護頻帶），保證各路信號不會重疊。應用示例：廣播電臺和有線電視信道分配后，即使沒有數據傳送也被占用。FDM：模擬復用技術

FDM:AnalogMultiplexingTechnique如果源端發送的是數字信號，復用前要先轉換為模擬信號。頻分復用是一種模擬多路復用技術，用于將多路模擬信號合成為一路復合信號。FDMisananalogmultiplexingtechniquethatcombinesanalogsignals.Note頻分復用示意圖

FrequencyDivisionMultiplexingDiagram頻分復用：“齊頭并進”型復用P106圖6.3頻分復用系統FDMSystem復合基帶調制信號的頻譜

SpectrumofCompositebasebandmodulatingsignalFDM復用過程時域圖

FDMMultiplexing,TimeDomain復用器FDM解復用過程時域圖

FDMDemultiplexing,TimeDomainP106圖6.5FDM復用過程頻域圖

FDMMultiplexing,FrequencyDomainFDM解復用過程頻域圖

FDMDemultiplexing,FrequencyDomain例5個通道,帶寬均為100kHz，如果通道間需要10kHz的防護頻帶，求鏈路的最小帶寬。解：5×100+4×10=540kHz模擬載波系統

AnalogCarrierSystems由美國AT&T公司推出的分級的FDM結構基群12路話音信道(每路4kHz)=48kHz頻譜60kHz～108kHz超群60路話音信道由5個基群信號通過FDM二次調制形成–超群復用器主群10個超群組成（600路話音信道）-主群復用器巨群由６個主群組成模擬載波系統層次結構示意圖

AnalogHierarchyP108圖6.9應用示例:ADSL

ExampleofFDMApplicationADSL(非對稱數字用戶線路）利用現有電話線(實際帶寬1.1MHz)實現寬帶網絡連接非對稱(Asymmetric)的含義下行速率大于上行采用頻分復用技術最低的25kHz用于傳統電話話音傳輸使用回聲抵消或FDM技術來分配兩個頻帶(上行和下行)在頻帶內部使用FDM技術距離可達5.5千米ADSL信道設置

ADSLChannelConfiguration6.2波分復用

Wavelength-divisionMultiplexing波分復用示意圖

Wavelength-divisionMultiplexingDiagram波分復用：光纖通道上的頻分復用波分復用

WavelengthDivisionMultiplexing不同頻率的多路光線在同一光纖上傳輸，即在一根光纖上采用頻分復用技術，承載若干不同頻率的光信號。FDM的一種形式。每一種顏色（波長）的光承載一個數據信道。波分復用與分離過程中棱鏡的作用

PrismsinWavelength-divisionMultiplexingandDemultiplexingWDM技術非常復雜，原理卻非常簡單：光源的組成與分離由棱鏡完成。P109圖6.115.3時分復用

Time-DivisionMultiplexingTDM：數字復用技術

TDM:DigitalMultiplexingTechnique如果源端發送的是模擬信號，復用前要先轉換為數字信號。時分復用是一種數字多路復用技術，用于將多個低速通道組合成為一個高速通道。TDMisadigitalmultiplexingtechniqueforcombiningseverallow-rate

channelsintoonehigh-rateone.Note時分復用示意圖

TimeDivisionMultiplexingTDM:“交替前進”型多路復用同步時分復用SynchronousTDMTDM是一種數字復用技術，它將不同源端的數字數據合并到一個時間共享的鏈路上，適用于媒體數據速率容量超過要傳輸的幾路數字信號總速率的情況。幾路數字信號可以通過交替使用不同的“時隙”(timeslot,亦譯成“時間片”或“時槽”)在一條傳輸線路上傳送。交替可以按位、按字節塊或大數據塊進行。時隙被預先固定分配給每個數據源。即使某個數據源并沒有數據傳送，該時隙也得分配給它。每個數據源對應的時隙數量可以是不同的。TDM幀

TDMFrames交替

Interleaving同步時分復用技術

SynchronousTDM復用器將不同的輸入交替組合成幀，然后送入傳輸鏈路。傳輸鏈路的容量必須能容納所有的輸入。如果上圖中每路輸入的帶寬是9.6kbps，傳輸鏈路所需總帶寬至少要48kbps。復用過程

MultiplexingProcess因為將每個時隙分配給特定的輸入線路，如果這些輸入線路沒有全部進入工作狀態，就會出現空閑的時隙。上圖中，只有前三個幀是完全填滿的。而24個時隙中有6個空閑未用，意味著鏈路傳輸能力的四分之一被浪費了。同步TDM系統分離過程

DemultiplexingProcess5.6多址通信方式基本概念多址接入與信道分類頻分多址(FDMA),頻道劃分,頻帶獨享,時間共享時分多址(TDMA),時隙劃分,時隙獨享,頻率共享碼分多址(CDMA),碼型劃分，時隙、頻率共享空分多址(SDMA),空間角度劃分,頻率/時隙/碼共享53

多址概念：—以信道區分通信對象，一個信道只容納一個用戶進行通話，不同的用戶同時進行通話，互相以信道來區分。多址接入：—如何建立用戶之間的無線信道的連接。多址方式是移動通信網體制范疇，關系到系統容量，小區構成，頻譜和信道利用效率以及系統復雜性。54FDMATDMACDMA數分多址概念CDMA基本原理55共52頁56SDMAFDMATDMACDMA頻分多址(FDMA),頻道劃分,頻帶獨享,時間共享時分多址(TDMA),時隙劃分,時隙獨享,頻率共享碼分多址(CDMA),碼型劃分，時隙、頻率共享空分多址(SDMA),空間角度劃分,頻率/時隙/碼共享57頻分多址方式

系統原理頻分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess-FDMA):頻道劃分，頻帶獨享，時間共享共52頁58頻分多址方式7.2頻分多址方式FDMA系統的頻譜管理FDD,FrequencyDivisionDuplex共52頁59......反向信道保護頻帶前向信道保護頻隙f1’f2’fN’f1

f2

fN

共52頁60頻分多址方式FDMA系統的特點1.單路單載波傳輸：每個頻道只傳送一路業務信息。載波間隔必須滿足業務信息傳輸帶寬的要求。2.信號連續傳輸：在分配好話音信道后，基站和移動臺同時連續不斷的發送和接收。3.需要周密的頻率規劃，是一個頻道受限和干擾受限系統。4.實現簡單，無需自適應均衡。5.基站需要多個收發信道設備,越區切換復雜。6.頻率利用率低，容量小。7.3 時分多址共52頁61GSM系統的幀長為4.6ms（每幀8個時隙），每一個時隙分配給一個用戶。時分多址系統原理（TimeDivisionMultipleAccess-TDMA):時隙劃分，時隙獨享，頻率共享共52頁627.3時分多址時分復用各個移動臺在上行幀內只能按指定的時隙向基站發送信號。為了保證在不同傳播時延情況下，各移動臺到達基站處的信號不會重疊，通常上行時隙內必須有保護間隔，在該間隔內不傳送信號。基站按順序安排在預定的時隙中向各移動臺發送信息。2TDMA的幀結構63保護間隙TDMA/TDD:64一個幀......反向信道保護間隙前向信道保護時隙t1’t2’tN’t1

t2

tN

移動臺A基站基站移動臺B時分多址TDMA/FDD(GSM):65f前向信道反向信道tt…………t1t2t3t4tNt1’t2’t3’t4’tN’延時3個時隙移動臺A基站基站移動臺A

時分多址TDMA系統的同步與定時位同步針對每個時隙，接收機解調所需方法（1）用專門的信道傳輸（2）插入業務信道中傳輸幀同步針對每個幀，進行復用/解復用所需方法：在每幀的前面設置一個同步碼同步碼的要求：傳輸效率高（碼短）同步可靠性、抗干擾強（碼長）建立時間短、錯誤捕獲概率小、同步保持時間長、失步概率小66矛盾7.3時分多址TDMA系統的特點突發傳輸速率高>語音編碼速率，N·Rbit/s；發射信號速率隨N的增大而提高,需要自適應均衡；不需雙工器；基站復雜性減小，只需一部收發信機；頻率利用率高，容量大越區切換簡單共52頁675.6CDMA蜂窩移動通信系統

5．6．1CDMA系統的基本原理5．6．1．1CDMA的基本概念頻分多址FDMA時分多址TDMA碼分多址CDMA三種基本多址接入方式示意5．6．1．2CDMA移動通信系統分類根據系統所采用的擴頻技術，即獲得寬帶信號所采用的調制方式進行劃分，把CDMA移動通信系統分為直接序列擴頻DS系統、跳頻FH系統、跳時TH以及它們的混合等幾種。

1.

直擴DS方式——直接序列擴頻調制方式，它將數字信號與高速率的擴頻序列碼直接相乘后調制到載波上進行發射，其原理框圖如下圖所示。2.跳頻FH方式——簡稱FH方式，其載頻在同一個時間周期內不變，但在下一個時間周期內卻可能跳變到了另一個許可的頻率上，其跳變的模式由偽隨機擴頻序列碼決定。一般將所有可用的載波頻率集合稱為跳頻集。DS—CDMA收發框圖

FH—CDMA收發框圖

載波發生器數據信息調制向上轉換器向下轉換器數據信息解調本地PN碼生成本地載波發生PN碼生成同步追蹤3.跳時方式——跳時擴頻的信號以快速突發脈沖的形式在時隙上傳輸，而使用的時隙則由分配給用戶的編碼決定，簡稱TH方式。4．混合方式——指為了綜合利用各多址方式的優點并抑制其缺點，同時采用前述三種多址方式中的兩種或多種的調制方式。目前常用的混合方式是DS—CDMA方式。5．6．1．3CDMA移動通信系統的網絡結構

CDMA系統網絡結構5．6．2CDMA移動通信系統的特點

1.強抗干擾能力;2.系統容量大，接通率高;3.系統容量的配置靈活;4.語音質量更佳;5.不易掉話;6.延長手機電池壽命;7.低攔截概率LPI.5．6．3CDMA移動通信系統關鍵技術

通信系統的性能衡量從有效性、可靠性和安全性三個方面著。CDMA移動通信系統采取的措施主要包括：用于抗慢衰落的功率控制技術;抗頻率選擇性衰落的Rake接收;抗空間選擇性衰落的分集接收和發送技術;抗掉話現象的軟切換技術;提高通話質量的線性預測話音編碼技術。5．6．3．1功率控制技術

“遠近效應”現象——如果所有的移動臺都以同樣的發射功率工作，則離基站遠的移動臺的信號在到達基站時將受到離基站近的移動臺信號的影響甚至被淹沒，出現強信號壓制弱信號的情況。解決上述現象的有效技術是功率控制。反向開環功率控制——用于控制小區內所有移動臺發射信號在到達基站時都達到標稱功率，以補償陰影、拐彎等效應及平均路徑衰落。反向閉環功率控制——根據接收信號估算出移動臺的開環功率并立即進行調整或補償，使移動臺保持最適當的發射功率。前向功率控制——基站根據測量結果自行調整每個移動臺的發射功率，對路徑衰落小的移動臺分派較小的前向鏈路功率，而對那些遠離基站的和誤碼率較高的移動臺分派較大的前向鏈路功率。5．6．3．2PN地址碼的選擇與實現

CDMA系統中的信號都占用同樣的頻段同時發送，它們對信道的區分完全依賴于用收端的再生地址碼對信號的相關解調來完成。地址碼選擇的好壞必將影響系統的容量、抗干擾力、接入及切換速率等性能。所選用的地址碼應該具有足夠多的地址碼碼組序列、各地址碼組間彼此獨立（互相關函數值為零或很小）、不同的碼元數應平衡相等等幾個特點。通常用偽噪聲序列模擬符合上述要求的高斯噪聲信號，常用的有序列、序列和碼。5．6．3．3軟切換技術

“硬切換”方式，即當一個正在通話中的移動用戶從一個基站覆蓋區進入另一個基站覆蓋區時，因為原基站與新基站的載波頻率不同，移動臺必須在接收新基站的信號之前，切斷與原基站的聯系，然后再尋找新進入的覆蓋區的基站頻率進而與之進行聯系，此即通常所說的“先斷開后連接”。“軟切換”技術，即先連接、再斷開。在通信用戶進行越區切換時，手機并不斷掉與原基站的聯系而是同時與新基站進行聯系，只有當手機確認已經和新基站聯系上已后，它才將與原基站的聯系斷開，使掉話的發生率大為降低。5．6．3．4CDMA的話音編碼技術

CDMA通信系統的話音編碼主要采用