6.1.4　多路复用与多址通信

在通信系统中，信道所能提供的带宽往往比传输一路信息所需要带宽宽得多，因此，一个信道只传送一路信号有时是很浪费的。为了充分利用信道的带宽，因而提出了复用的概念。“复用”是将若干彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复用信号方法。

常用的信号复用方法可以采用按时间、空间、频率或波长等来区分不同信号。按时间区分信号的复用方法称为时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）。按空间区分不同信号的方法称为空分复用（Spatial Division Multiplexing，SDM）。按频率或波长区分不同信号的方法称为频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）或波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）。空分复用实际上利用多条并行的信道，如采用电缆代替双绞线、光缆代替单根光纤等，技术上相对简单，通常不单独使用，往往与其他的复用方法一起使用。TDM是数字系统的主要复用方法，借助于把时间帧划分成若干时隙，每路信号各占一个属于自己的时隙的方法实现在同一信道上传输多路信号。如多路数字电话系统、数字复接设备等。FDM是模拟系统的主要复用方法，它是将信道可用带宽分成若干较小的子频带（简称子带），每路信号各占一个属于自己的子带的方法实现在同一信道上传输多路信号。WDM方法原则上与FDM相同，但它主要应用于光通信系统，通过不同的光波长来携带不同的信号在同一光纤信道中传输，从而实现多路通信。

与“复用”很容易混淆的一个概念是“多址”。它们都是为了充分利用信道带宽来实现多路通信的，“复用”是两点之间的不同信号通过复用实现的通信。“多址”是不同地点（常称为多址）的信号通过复用实现多点之间的通信。也可以用以上的方法来区分不同信号。另外，多址还常采用码分的方法区分不同的信号，相应地称为码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）。

目前常用的多址技术有频分多址（Frequence Division Multiple Access，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、空分多址（Spatial Division Multiple Access，SDMA）、CDMA和混合多址（时分多址/频分多址TDMA/FDMA、码分多址/频分多址CDMA/FDMA等）。其中，FDMA、TDMA、SDMA的基本原理与复用是一样的，分别采用了频率、时间、空间分割的方法。CDMA方式是一种利用不同波形的信号（即不同的编码）实现多址运用的方式，这里被分割的参量不是简单的频率或时间，而是信号的波形（也叫波形分割），即码的结构。

1．频分复用与多址

频分复用就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道），每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰（条件之一）。图6-25展示了FDM的一种典型应用，该应用为非对称的数字用户环线（Asymmetrical Digital Subscriber Loop，ADSL）。

图6-25　ADSL频分复用示意图

图6-25中将ADSL链路的信号分为用户电话拨号的低频语音信号（频率在4kHz以下）、用户上网上行数据信号（频率范围在25.875～138kHz）、用户上网下行数据信号（频率范围在138kHz以上至1.104MHz之间），此三种信号相互占用各自逻辑子信道，相互不干扰，最终体现在现实中用户利用ADSL上网和打电话两不误。

频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用外，还有一种是正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）。

传统的频分复用典型的应用莫过于广电混合光纤同轴网（Hybrid Fiber Coaxial，HFC）网络电视信号的传输了，不管是模拟电视信号还是数字电视信号都是如此，因为对于数字电视信号而言，尽管在每一个频道（8MHz）以内是时分复用传输的，但各个频道之间仍然是以频分复用的方式传输的。

OFDM实际是一种多载波数字调制技术。OFDM全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍，正交指各个载波的信号频谱是正交的。

OFDM系统比FDM系统要求的带宽要小得多。由于OFDM使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道中的数据，为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。OFDM技术已被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环线、数字视频广播（Digital Video Broadcasting，DVB）、高清晰度电视（High Definition TV，HDTV）、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）和第4代（4G）移动通信系统等。

2．时分复用与多址

时分复用是将多路不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一个信道传输。在接收端再用某种方法，将各个时间段内的信号提取出来还原成原始信号的通信技术。这种技术可以在同一个信道上传输多路信号。

时分复用是建立在抽样定理基础上的。抽样定理使连续（模拟）的基带信号有可能在时间上被离散出现的抽样脉冲值所代替。这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙，利用这种空隙便可以传输其他信号的抽样值。因此，这就有可能沿一条信道同时传送若干个基带信号。

TDM把时间分成一些均匀的时间间隙，简称时隙（Time Slot，TS），将各路信号的传输时间分配在不同的时隙内，以达到互相分开、互不干扰的目的。

时分多址是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），再根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而不混。同时，基站发向多个移动台的信号都按顺序安排。在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。

时分复用采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。时分多路复用以时间作为信号分割的参量，故必须使各路信号在时间轴上互不重叠。4路时分复用系统的示意图如图6-26所示。

图6-26　四路时分复用示意图

时分多路复用适用于数字信号的传输。由于信道的位传输率超过每一路信号的数据传输率，因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号单独占用，在规定的时间内，多个数字信号都可按要求传输到达，从而也实现了一条物理信道上传输多个数字信号。假设每个输入的数据比特率是9.6Kbit/s，线路的最大比特率为76.8Kbit/s，则可传输8路信号。

在通信网中，30/32脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）系统是典型时分复用的应用，它由16个帧组成一个复帧，每个帧分成32个时隙，每个时隙传输8位数据，其中第0时隙用于传输帧同步信号，第16时隙用于传输复帧同步信号和线路信号，其余30个时隙为话路信号。30/32路PCM系统时隙分配示意图如图6-27所示。

图6-27　30/32路PCM系统时隙分配示意图

现实中往往存在需要传输的数据源之间的数据率并不存在一定的比例关系的情况，这就不好决定每个时隙的划分，这时可以采用“脉冲填充”的方法来协调数据源之间的不同的数据率，不同数据源的数据被填入不同的附加空数据，从而使得所有数据源的数据率达到成比例的水平。

TDM方式目前又分为同步时分复用系统和统计时分复用系统两种，同步时分复用系统又分为如下两种。

·准同步系列（Pseudo Synchronous Digital Hierarchy，PDH），用于公共电话网（Public Switched Telephone Network，PSTN）。

·同步系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH），用于光纤通信等骨干网络。

·统计（异步）时分复用系统又分为如下两种。

·虚电路方式（如X.25、帧中继、ATM）。

·数据报方式（如TCP/IP）。

3．码分多址复用

码分复用是用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号。采用同一波长的扩频序列，频谱资源利用率高，与WDM结合，可以大大增加系统容量。频谱展宽是靠与信号本身无关的一种编码来完成的。频谱展宽码被称为特征码或密钥，有时也称为地址码。

码分复用是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线接入和有线接入。图6-28展示了不同编码复用的情况。

图6-28　码分复用示意图

例如，在多址蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳1个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内，建立用户之间的无线信道连接，是无线多址接入方式，属于多址接入技术。联通CDMA就是码分复用的一种方式，称为码分多址。

码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。也就是说，每一个用户有自己的地址码，这个地址码用于区别每一个用户，地址码彼此之间是互相独立的，也就是互相不影响的，但是由于技术等种种原因，采用的地址码不可能做到完全正交，即完全独立，相互不影响，所以称为准正交，由于有地址码区分用户，所以我们对频率、时间和空间没有限制，在这些方面他们可以重叠。

码分复用也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。

码分复用技术主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统，不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响，而且增大了通信系统的容量。笔记本电脑或个人数字助理（Personal Data Assistant，PDA）以及掌上电脑（Handed Personal Computer，HPC）等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术。

TDMA避免了使用体积大、价格昂贵的多信道腔体合并器，便于利用现代大规模集成技术实现低成本的硬件设计，便于实现信道容量动态分配，提高了信道利用率。TDMA的缺点是系统容量仍然受限，欧洲GSM数字蜂窝和一些美国、日本用户采用了FDMA/TDMA相结合的窄带体制，TETRA数字集群系统也都采用了FDMA/TDMA相结合的窄带体制。CDMA同FDMA模拟蜂窝移动通信系统、TDMA数字蜂窝移动通信系统相比具有更大的系统容量、更高的语音质量以及抗干扰、保密等优点，因而得到各个国家的普遍重视，并被国际电信联盟作为第三代数字蜂窝移动通信系统的推荐方案。

4．波分复用

由于波长与频率相关，因而WDM与FDM技术非常相似。FDM主要应用于电通信系统，而WDM主要应用于光通信系统。将占用相同带宽、来自多个信息源的信号调制不同波长的激光器（产生光载波），不同波长的光信号经过耦合进入同一根光纤传输，输出端再将不同波长的光信号分开恢复出每个波长上的信息信号。每个波长的光波可以承载模拟信号或数字信号，该信号往往是已被FDM或TDM后的信号。

光波的频率（以THz计）远高于无线频率（以MHz和GHz计），每一个光源发出的光波由许多频率（波长）组成。光纤通信的发送机和接收机被设计成发送和接收某一特定的波长。WDM系统将不同的光发送机发出的信号以不同的波长沿同一光纤传输，且不同的波长之间不会互相干扰。每个波长在传输线路上都是一条光通道。光通道越多，在同一光纤上传送的信息量（电话、图像、数据等）越多。

图6-29所示为一个6波长的WDM复用系统的频谱和系统。每个波长用等带宽信息信号调制，6个波长的波长频谱安排如图6-29a所示。6个激光波长由复用器合路耦合进光纤，在光纤输出端通过波长选择耦合器分开6个波长，如图6-29b所示。

不同的复用技术都有不同的使用场合，表6-5中列出了以上多种复用技术的关键知识点以及典型应用。

图6-29　WDM波谱与系统

表6-5　复用技术及其特性