多路復用技術


多路復用技術

  復用的概念是從提高通信的有效性角度提出來的,其主要目的是為了有效地利用帶寬。多路復用通常分為頻分多路復用、時分多路復用、波分多路復用、碼分多址和空分多址。

1. 頻分多路復用(FDM,Frequency Division Multiplexing)

  頻分多路復用的基本原理是:如果每路信號以不同的載波頻率進行調制,而且各個載波頻率是完全獨立的,即各個信道所占用的頻帶不相互重疊。相鄰信道之間用“警戒頻帶”隔離,那么每個信道就能獨立地傳輸一路信號。

  頻分多路復用的主要特點是,信號被划分成若干通道(頻道、波段),每個通道互不重疊,獨立進行數據傳遞。頻分多路復用在無線電廣播和電視領域中應用較多。ADSL(非對稱數字用戶環路)也是一個典型的頻分多路復用。ADSL用頻分多路復用的方法,在PSTN(公共交換電話網絡)使用的雙絞線上划分出3個頻段:0-4kHz用來傳送傳統的語音信號;20-50kHz用來傳送計算機上載的數據信息;150-500kHz或140-1100kHz用來傳送從服務器上下載的數據信息。

2.時分多路復用(TDM,Time Division Multiplexing)

  時分多路復用是以信道傳輸時間作為分割對象,通過為多個信道分配互不重疊的時間片的方法來實現多路復用的。時分多路復用將用於傳輸的時間划分為若干個時間片,每個用戶分得一個時間片。

  目前,應用最廣泛的時分多路復用是貝爾系統的T1載波。T1載波是將24路音頻信道復用在一條通信線路上,每路音頻信號在送到多路復用器之前,要通過一個脈沖編碼調制(PCM,Pulse Code Modulation)編碼器,編碼器每秒取樣8000次。24路信號的每一路,輪流將一個字節插入到幀中,每個字節的長度為8bit,其中7bit是數據位,1bit用於信道控制。每幀由24*8=192bit組成,附加1bit作為幀的開始標志位,所以每幀共有193bit 。由於發送一幀需要125ms,一秒鍾可以發送8000幀。因此T1載波的數據傳輸速率為:193bit*8000/s=1544000bps=1544kbps=1.544Mbps

3.波分多路復用(WDM,Wayelength Division Multiplexing)

  波分復用就是在同一根光纖內傳輸多路不同波長的光信號,以提高單根光纖傳輸能力。也可以這樣認為:WDM是FDM應用於光纖信道的一個變例。如果讓不同波長的光信號在同一根光纖上傳略而互不干擾,利用多個波長適當錯開的同時在一根光纖上傳送各自攜帶的信息,就可以大大增加所傳輸的信息容量。由於是用不同的波長傳送各自的信息,因此即使在同一根光纖上也不會相互干擾。在接收端轉換成電信號時,可以獨立地保持每一個不同波長的所傳送的信息。這種方式就叫做“波分復用”。

  將一系列載有信息的不同波長的光載波,在光頻域內以一至幾百納米的波長間隔合在一起沿單根光纖傳輸,在接收端再用一定的方法,將各個不同波長的光載波分開。在光纖的工作窗口上安排100個波長不同的光源,同時在一根光纖上傳送各自攜帶的信息,就能使光纖通信系統的容量提高100倍。

4.碼分多址(CDMA,Code Division Multiple Access)

  碼分多址是采用地址和時間、頻率共同區分信道的方式。CDMA的特征是每個用戶具有特定的地址碼,而地址碼之間相互具有正交性,因此各用戶信息的發射信號在頻率、時間和空間上都可能重疊,從而使有限的頻率資源得到利用。

  CDMA是在擴頻技術上發展起來的無線通信技術,即將需要傳送的具有一定信號的信息數據,用一個帶寬遠大於信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制,使原數據信號的帶寬被擴展,再經載波調制並發送出去。接收端也使用完全相同的偽隨機碼,對接收的帶寬信號作相關處理,把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴,以實現信息通信。不同的移動台(或手機)可以使用同一個頻率,但是每個移動台都被分配帶有一個獨特的“碼序列”,該序列碼與所有別的“碼序列”都不相同,因為是靠不同的“碼序列”來區分不同的移動台,所以各個用戶相互之間也沒有干擾,從而達到了多路復用的目的。

5.空分多址(SDMA,Space Division Multiple Access)

  空分多址技術將空間分割構成不同的信道,從而實現頻率的重復使用,達到信道增容的目的。SDMA系統的處理程序如下:

  (1)系統將首先對來自所有天線中的信號進行快照或取樣,然后將其轉換成數字形式,並存儲在內存中。

  (2)計算機中的SDMA處理器將立即分析樣本,對無線環境進行評估,確認用戶、干擾源及其所在的位置。

  (3)處理器對天線信號的組合方式進行計算,力爭最佳地恢復用戶的信號。借助這種策略,每位用戶的信號接收質量將大大提高,而其他用戶的信號或干擾信號則會遭到屏蔽。

  (4)系統將進行模擬計算,使天線陳列可以有選擇地向空間發送信號。在此基礎上,每位用戶的信號都可以通過單獨的通信信道-空間信道實現高效的傳輸。

  (5)在上述處理的基礎上,系統就能夠在每條空間信道上發送和接收信號,從而使這些信道成為雙向信道。

  利用上述流程,SDMA系統就能夠在一條普通信道上創建大量的頻分、時分或碼分雙向空間信道,每一條信道都可以完全獲得整個陳列的增益和抗干擾功能。從理論上而言,帶m個單元的陣列能夠在每條普通信道上支持m條空間信道。但在實際應用中支持的信道數量將略低於這個數目,具體情況則取決於環境。由此可見,SDMA系統可使系統容量成倍增加,使得系統在有限的頻譜內可以支持更多的用戶,從而成倍地提高頻譜使用效率。

  近幾十年來,無線通信經歷了從模擬到數字,從固定到移到的重大變革。而就移動通信而言,為了更有效地利用有限的無線頻率資源,時分多址技術(TDMA)、頻分多址技術(FDMA)、碼分多址技術(CDMA)得到了廣泛的應用,並在此基礎上建立了GSM(移動通信技術)和CDMA(是區別於3G的窄帶CDMA)兩大主要的移動通信網絡。就技術而言,現有的這3種多址技術已經得到了充分的應用,頻譜的使用效率已經發揮到了極限。空分多址技術(SDMA)則突破了傳統的三維思維模式,在傳統的三維技術的基礎上,在第四維空間上極大的拓寬了頻譜的使用方式,使得移動用戶僅僅由於空間位置的不同而復用同一個傳統的物理信道成為可能,並將移動通信技術引入了一個更為嶄新的領域。


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