信道復用技術


信道復用技術

復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。

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**頻分復用FDM (Frequency Division Multiplexing) **

  • 用戶在分配到一定的頻帶后,在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。
  • 頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源(請注意,這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率)

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如圖:

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輸入端

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三種輸入波形分別使用不同頻率的波進行調制,調制之后的波再疊加得到總的波形。

輸出端

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總的波形經過分離器(Filter)分離,再經過相應的波形解調得到原來需要傳輸的波形。這就叫做頻分復用技術。

頻分復用FDW的例子

比如打電話:

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三台電話的三種波形在合並之前沒有采取信道復用,那么一端的兩台電話同時打給另一端的同一台電話就會出現占線;傳輸過程中三種波形通過合並為一個波實現了信道復用。

再看下面例子:

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最左側的電話有12個語音信道,每個信道占帶寬4kHZ,通過頻分復用可以變成48kHZ的一個組(信道);5個組再進一步頻分復用形成60個語音信道的一個240kHZ的超級組;10個超級組再進一步復用形成了600個了2.52MHZ的Master groud;還可以進一步復用。

比如電話公司通過頻分復用技術,用一根電話線(干道電路)就可以為整個公司提供通信服務。


**時分復用TDM(Time Division Multiplexing) **

  • 時分復用則是將時間划分為一段段等長的時分復用幀(TDM 幀)。每一個時分復用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。
  • 每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(其周期就是 TDM 幀的長度)。
  • TDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。
  • 時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。

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A、B、C、D在TDM幀中的位置是不變的。

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可以看到四個信號分別對應TDM幀中的四部分,比如最右邊的幀1010,對應四個信號的最后一位數據1010;以此類推(注意是從低位向高位的順序存放數據)

時分復用器

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缺點:時分復用可能會造成線路資源的浪費。

使用時分復用系統傳送計算機數據時,會給每部分數據分配固定的資源(比如A1~A3),由於計算機數據的突發性質,可能會造成有的部分比如A2、A3、B2等部分沒有數據,但是C卻不能使用A與B所占的資源,所以用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。

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**統計時分復用 STDM(Statistic TDM) **

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這種方式為傳輸的每一種數據都貼上標簽,接收時按照標簽來辨別各自屬於那一部分數據。

簡單點說就是,原來的時分復用,固定順序,分配固定空間,不管各個空間內是否存有數據;統計時分復用,隨意順序,有需求才分配空間並貼上固定的標簽,以便接收后分類。

通俗來說:時分復用:把容量為100人的三個宿舍1,2,3分別分配給A、B、C三個班,而不管宿舍有沒有住滿;統計時分復用:先把ABC三個班的人放在一起,先塞滿了1號宿舍,再分配2號宿舍,每個班的人憑借各班的標簽區分是哪班的學生。

顯然統計時分復用,資源利用率更高。


波分復用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

波分復用就是光的頻分復用。image-20200117145101265

示意圖:

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碼分復用 CDM(Code Division Multiplexing)

最普通的例子就是手機打電話。比如聯通公司發送總的信號是一樣的,那么當多人同時打電話時如何判斷打的是A手機而不是B手機呢?

常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

  • 各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型,因此彼此不會造成干擾。
  • 這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力,其頻譜類似於白噪聲,不易被他人發現。
  • 每一個比特時間划分為 m 個短的間隔,稱為碼片(chip)。

CDMA的工作原理

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發送端

  • 每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列;

    • 如發送比特 1,則發送自己的 m bit 碼片序列;
    • 如發送比特 0,則發送該碼片序列的二進制反碼;
  • 例如,S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011;

    • 發送比特 1 時,就發送序列 00011011;
    • 發送比特 0 時,就發送序列 11100100;

接收端

CDMA的重要特點

  • 每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同,並且還必須互相正交(orthogonal)。

碼片序列的正交關系

  • 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,就是向量 S 和T 的規格化內積(inner product)都是 0:

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例如:若向量S=(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1 )

​ 向量T=(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)

代入上式可知兩個碼片序列是正交的;

正交關系的另一個特性

  • 任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1 ;

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  • 一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 –1;

現在就可以解釋打電話的問題了:

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如果聯通公司發的總信號的碼片序列如圖R所示,R承載了電話AD所傳輸的信息,電話AD使用自己電話的碼片序列與R進行規格化內積,得到的結果是+1和-1表示該手機能接收到該信號,結果是0表示該手機不能接收到該信號。

比如 A·R=(1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1;

其余的以此類推帶入公式算即可,得到A·R=1;B·R=-1;C·R=0;D·R=1;即A、B、D都能接收到信號。

所以想要在別人通信的時候自己也能聽到,只需要造一個與監聽對象手機相同的碼片序列的電話卡,即可對通話信息進行解碼,獲取相同的通話信息。

缺點

  • 把1bit分為了m bit 這樣手機數量越多碼片就會分得越長,m越大,則表示1bit需要增多的頻率。


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