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2.5 多路复用

《无线通信网络与系统》第2章信号传输基础,本章的目的是使没有或者具有很少数据通信背景知识的读者能够对本书所包含的内容有一个初步的认识。在本章的最后,我们为感兴趣的读者提供了参考资料以便进行更深入的学习。本节为大家介绍多路复用。

作者:朱磊/许魁 译来源:机械工业出版社|2017-11-16 15:43

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2.5 多路复用

在本地和广域通信中,传输媒介能够提供的容量往往总是超过传输单个信号所需求的容量。为了更加有效地利用传输系统,希望一个传输媒介能够承载多路信号,这就是所谓的多路复用技术。

图2-11给出了一个最简单形式的多路复用功能。n路信号进入多路复用器,多路复用器与多路分配器通过一个数据链路连接,该数据链路能够承载n条单独的数据信道。多路复用器合并(复用)来自n个输入链路的数据并在一个具有更高容量的数据链路上传输。多路分配器接收复用的数据流,并根据信道的不同将数据流进行分离(解复用),然后将分离后的数据流传送到相应的输出链路上。

多路复用技术在数据通信中广泛使用的原因可以解释如下:

1) 数据速率越高,传输设备的性价比越高。也就是说,对于一个给定的应用和传输距离,随着传输设备的数据速率的提高,每千比特/秒的成本下降。类似地,传输及接收设备的每千比特/秒的成本会随着数据速率的增加而下降。

2) 大多个人数据通信设备需要相对适度的数据速率的支持。

前面的论述主要针对数据通信设备,语音通信也与之相似。也就是说,就语音信道而言,传输设备的容量越大,每个单独信道的成本就越小,并且单一语音信道需要的容量也是适度的。

在电信网络中经常使用两种多路复用技术:频分多路复用(FDM)和时分多路复用(TDM)。

频分多路复用利用了传输媒介能够提供的可用带宽大于给定信号带宽需求这一事实。如果每个信号都调制到不同的载波频率上,而且载波频率充分分离使信号带宽之间不会发生混叠,那么多个信号就可以同时进行传输。图2-12a给出了一个简单的频分多路复用的例子。将6路信号传送到多路复用器,多路复用器将每个信号调制到不同的频率上(f1,…,f6)。每路信号需要在一个具有一定带宽且以载波频率为中心的频段上进行传输,该频段我们称为信道。为了防止干扰,信道之间通常由保护频段隔开,这些保护频段属于频谱中不使用的部分。

下面举一个语音信号进行多路复用的例子。我们前面提到,语音的频率范围在300~3400Hz之间。因此,一个4kHz的带宽足以满足语音信号传输及其保护频段的需求。北美(AT&T标准)和国际(国际电信联盟电信标准化组织(ITU-T)标准)制定的标准语音复用方案都将60~108kHz范围的频率分为12个4kHz的语音信道。对于具有更高容量需求的链路,AT&T和ITU-T都定义了多种由4kHz信道组成的更大的群组。

时分多路复用利用了传输媒介的可达比特率(有时也称为带宽)超过了数字信号所需要的数据速率这一事实。时分多路复用就是通过在时间上交叉发送每路信号的一部分来实现利用一条传输路径承载多路数字信号。这种交叉可以在比特级,也在字节块或更大的信息组上。例如,在图2-12b所示的时频多路复用器中,6路输入信号的每一路的传输速率可能都是9.6kbps。一条容量为57.6kbps的链路就可以容纳所有这6路信号。与频分多路复用类似,一个专用于一路特定信号的时隙序列称为一个信道。时隙的一个循环(每路一个时隙)称为一帧。

图2-12b中所示的时分多路复用方案也叫作同步时分多路复用,它是指时隙是预先分配且固定的。因此,多个源的传输时间是同步的。相比之下,非同步时分多路复用允许动态分配时间。除非说明,否则一般的时分多路复用均指同步时分多路复用。

图2-13给出了同步时分多路复用系统的一般性描述。多个信号[mi(t),i=1,n]被多路复用到同一个传输介质。信号承载数字数据,并且信号通常为数字信号。将每个源的传入数据简单地存储在缓冲区中。每个缓冲区通常有一比特或一个字符长度。顺序扫描缓冲区从而构成一个组合的数字数据流mc(t)。扫描操作足够快,这样当更多的数据到达时可以保证每一个缓冲区都是空闲的。因此,mc(t)的信息速率必须至少等于所有信号mi(t)的数据速率之和。可以直接发送数字信号mc(t),也可以通过调制解调器产生模拟信号进行传输。不管是哪一种情况,传输通常都是同步的。

传输数据的一个可能的形式如图2-13b所示,将所有数据组合成不同的帧,每一帧内包含着一个周期的时隙。每个数据源可以使用每一帧中的一个或多个时隙。从帧到帧,分配给同一个数据源的时隙序列称为信道。时隙的长度等于发射机缓冲区长度,通常为一个比特或一个字节(字符)。

字节交叉传输技术适用于异步信源和同步信源。每个时隙包含了一个字符的数据。通常在传输之前都把每一个字符的起始比特和停止比特去除,然后再由接收机重新插入,这样可以提高传输效率。比特交叉传输技术不仅适用于同步信源,也适用于异步信源,并且每个时隙只包含一个比特。

在接收端,将交叉的数据解复用并路由到合适目的的缓冲区。每个输入信源mi(t)都有一个对应的输出信源,该输出信源将以与输入数据相同的速率接收输入的数据。

之所以说同步时分多路复用是同步的,并不是因为用到了同步传输,而是因为时隙都已经预先分配给相应的信源且固定不变。无论信源是否有数据要传输,每个信源对应的时隙都会被占用。当然,频分多路复用也一样。以上这两种情况都是为了追求实现的简单而浪费了信道容量。然而即使采用了固定的分配方法,同步时分多路复用设备也有可能应对具有不同数据速率的信源。例如,最慢的输入设备可以每个周期仅分配一个时隙,而最快的设备每个周期可以分配多个时隙。

时分多路复用技术的一个例子是用来传输PCM语音数据的标准方案,AT&T公司的说法是T1载波。每次从每个信源取出一个样本(7比特)的数据,并加入第8个比特作为信令和监督功能。对于T1载波,对24个信源进行多路复用,所以就有8×24=192比特的数据和控制信号。最后再加上用来建立和保持同步的1比特数据。因此,一个帧由193比特组成,其中包含了每一个信源的7比特的样本。因为信源必须每秒采样8000次,所以需要的数据速率是8000×193=1.544Mbps。与语音频分多路复用一样,需要定义更大的数据速率就可以支持更大的群组。

时分多路复用不仅仅局限于数字信号,也可以在时间上交叉传输模拟信号。另外,对于模拟信号,有时也可以把时分多路复用和频分多路复用结合起来使用,可以将一个传输系统频分成多个子信道,每个子信道可以再利用时分多路复用技术进行细分。


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