信道复用技术

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第 4讲 信道复用与数字传输技术
知识回顾
 数据通信模型
 一些术语
– 信道、信号、单工通信、双工通信、半双工通信、模拟
信号、数字信号
 物理层的传输媒体
–
导向传输媒体
–
非导向传输媒体
本讲内容及教学目标
掌握时分复用、频分复用的基本原理。
理解波分复用基本原理。
了解码分复用的基本原理
理解PCM的工作机制。
了解SONET和SDH的传输机制。
了解宽带接入技术的常用方法。
频分复用、时分复用和频分复用
 为了提高通信系统信道的利用率,话音信号的传输往往采用
多路复用通信的方式。多路复用通信方式通常是指:在一个
信道上同时传输多个话音信号的技术,有时也将这种技术简
称为复用技术。
 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。
A1
B1
C1
信道
信道
信道
(a) 不使用复用技术
A2
A1
B2
B1
C2
C1
A2
复用
共享信道
分用
B2
C2
(b) 使用复用技术
频分复用 FDM
 频分复用(Frequency Division Multiplexing)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。
 时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。
 用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意,这
里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。
频率
频率 5
频率 4
频率 3
频率 2
频率 1
时间
Frequency Division Multiplexing
(a) The original bandwidths.
(b) The bandwidths raised in frequency.
(b) The multiplexed channel.
时分复用TDM
 是将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
 是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧)。
每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号
的时隙。
– 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是 TDM 帧
的长度)。
– TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
– 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
时分复用
频率
A 在 TDM 帧中
的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
…
TDM 帧
时间
时分复用
使用时分复用系统传送计算机数据时,由于计算机
数据的突发性质,用户对分配到的子信道的利用率
一般是不高的。
用户
时分复用
A
a
B
b
a
t
①
t ②
b
ab
C
c
t ③
c
#1
bc
c
#2
#3
a
④
D
d
t
4 个时分复用帧
d
#4
t
Time Division Multiplexing
The T1 carrier (1.544 Mbps).
Time Division Multiplexing (Cont.)
Multiplexing T1 streams into higher carriers.
统计时分复用 STDM
用户
统计时分复用
A
a
B
b
a
b
t
①
t ②
a b b c c d a
C
c
c
t
③
#1
#2
#3
④
D
d
t
3 个 STDM 帧
t
波分复用
 波分复用(wavelength-division multiplexing, WDM)是将一系列载有信
息、但波长不同的光信号合成一束,沿着单根光纤传输;在接收端再
用某种方法,将各个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可
以同时在一根光纤上传输多路信号,每一路信号都由某种特定波长的
光来传送,这就是一个波长信道。
 密集波分复用(DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing)技
术,指的是一种光纤数据传输技术,这一技术利用激光的波长按照比
特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。
 DWDM首先把引入的光信号分配给特定频带内的指定频率(波长,
lambda),然后把信号复用到一根光纤中去,采用这种方式就可以大
大增加已铺设光缆的带宽。
 由于引入(incoming)信号并不在光层终止,接口的速率和格式就可
以保持独立,这样就允许服务供应商把DWDM技术和网络中现有的设
备集成起来,同时又获得了现有铺设光缆中没有得以利用的大量带宽.
波分复用 WDM
 波分复用就是光的频分复用。这是FDM在光纤信道的一个变例。是指
在一根光纤上不只是传送一个载波,而是同时传送多个波长不同的光
载波。则原来在一根光纤上只能传送一个光载波的单一信道变为可传
送多个不同波长光载波的信道,从而使得光纤的传输能力成倍增加。
光调制器
0
1
2
3
4
5
6
7
1550 nm
1551 nm
1552 nm
1553 nm 复
1554 nm 用
1555 nm 器
1556 nm
1557 nm
8  2.5 Gb/s
1310 nm
20 Gb/s
120 km
EDFA
光解调器
1550 nm
1551 nm
1552 nm
分 1553 nm
用 1554 nm
器 1555 nm
1556 nm
1557 nm
0
1
2
3
4
5
6
7
掺铒光纤放大器
 Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)
– 制作光纤时,采用特殊工艺,在光纤芯层沉积中掺入极小浓
度的铒离子,制作出相应的掺铒光纤。光纤中掺杂离子在受
到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态,在信号光诱导下,
产生受激辐射,形成对信号光的相干放大。
– EDFA工作在1550窗口。已商用的EDFA噪声低,增益曲线好,
放大器带宽大,与波分复用(WDM)系统兼容,泵浦效率高,
工作性能稳定,技术成熟,在现代长途高速光通信系统中备
受青睐。目前,“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用
(DWDM)+非零色散光纤(NZDF)+光子集成(PIC)”正
成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。
Wavelength Division Multiplexing
Wavelength division multiplexing.
码分复用 CDM
 常用的名词是码分多址 CDMA
– 各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰。
– 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,
不易被敌人发现。
– 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片(chip)。
 CDMA的特点
– 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交
(orthogonal)。
– 在实用的系统中是使用伪随机码序列。
 这种技术多用于移动通信,
– 不同的移动台(或手机)可以使用同一个频率,但是每个移动台(或手
机)都被分配带有一个独特的“码序列”,该序列码与所有别的“码
序列”都有不同,所以各个用户相互之间也没有干扰。因为是靠不
同的“码序列”来区分不同的移动台(或手机),所以又叫做“码分多
址”技术。
码片序列(chip sequence)
 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
– 如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。
– 如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。
 例如,S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
– 发送比特 1 时,就发送序列 00011011。
– 发送比特 0 时,就发送序列 11100100。
 S 站的码片序列:(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
码片序列的正交关系
 例如
– 令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1),向量 T 为(–1 –1 +1 –1
+1 +1 +1 –1)。
– 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交
的。
 令向量 S 表示站 S 的码片向量,令 T 表示其他任何站的码片向量。
 两个不同站的码片序列正交,就是向量 S 和T 的规格化内积(inner
product)都是 0.一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。
1 m
S  T   S iTi  0
m i 1
1 m
1 m 2 1 m
S  S   S i S i   S i   (1) 2  1
m i 1
m i 1
m i 1
CDMA 的工作原理
数据码元比特
1
1
0
t
m 个码片
发
送
端
接
收
端
S 站的码片序列 S
t
S 站发送的信号 Sx
t
T 站发送的信号 Tx
t
总的发送信号 Sx + Tx
t
规格化内积 S  Sx
t
规格化内积 S  Tx
t
CDMA – Code Division Multiple Access
(a) Binary chip sequences for four stations
(b) Bipolar chip sequences (双极性编码,+1表示1,0表示沉默,-1表示0)
(c) Six examples of transmissions
(d) Recovery of station C’s signal
PCM历史和基本原理
 脉码调制,由A.里弗斯于1937年提出的,这一概念为数字通信奠定了基
础,60年代它开始应用于市内电话网以扩充容量,使已有音频电缆的大
部分芯线的传输容量扩大24~48倍。到70年代中、末期,各国相继把脉
码调制成功地应用于同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通
信等中、大容量传输系统。80年代初,脉码调制已用于市话中继传输和
大容量干线传输以及数字程控交换机,并在用户话机中采用。
 为了将模拟电话信号转变为数字信号,必须对电话信号进行取样。
即每隔一定的时间间隔,取模拟信号的当前值作为样本。该样本
代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连 续的样本可用来
代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。
 取样的频率可根据奈氏取样定理 确定。奈氏取样定理表述为,只
要取样频率大于模拟信号最高频率的2倍,则可以用得到的样本空
间恢复原来的模拟信号。即
1
f1 
T1
 2 f 2 max
脉码调制(PCM)
 现在的数字传输系统都是采用脉码调制(Pulse Code Modulation)
体制。PCM最初并非传输计算机数据用的,而是使交换机之间
有一条中继线不是只传送一条电话信号。
 PCM有两个标准即E1和T1。 我国采用的是欧洲的E1标准。T1
的速率是1.544Mbit/s,E1的速率是2.048Mbit/s。
 PCM编码必须经过三个过程,即抽样、量化和编码,PCM编码的主要
过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样,使其离散化,同
时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化,同时将抽样值按一组二进制
码来表示抽样脉冲的幅值,以实现话音数字化。
 PCM编码的最大的优点就是音质好,最大的缺点就是体积大。我们常
见的Audio CD就采用了PCM编码,一张光盘的容量只能容纳72分钟的
音乐信息。
脉码调制
PCM的基本原理
(a)模拟电话信号 (b)取样后的脉冲信号 (c)编码后的数字信号
(d)解码后的脉冲信号 (e)恢复后的模拟电话信号
脉码调制
 为有效利用传输线路,通常总是将多个话路的PCM信号用
时分多路复用的方法装成帧后再一帧一帧地传输。
– PCM有两个互不兼容的国际标准,北美的24路PCM(T1)和欧洲的
30路PCM(E1),T1的速率是1.544Mbps,E1的速率是2.048Mbps。
我国采用的是E1标准。
 数字传输系统高次群的话路数和数据率,如表所示。
数字数据信号编码
 基带传输中采用的编码方式常用的有以下3种:
– 不归零编码NRZ
规定用负电平表示“0”,用正电平表示“1”,亦可有其
他表示方法。为保证收发正确,必须另外传送时钟同步
信号,且如果“1”与“0”个数不相等时,存在直流分量,
增大了损耗,如图所示。
– 曼氏编码
– 差分曼氏编码
编码示意图
数字数据信号编码
 曼彻斯特编码(Manchester Encoding),也叫做相位编码
(PE),是一个同步时钟编码技术,被物理层使用来编码一
个同步位流的时钟和数据。 常用于局域网传输。
 曼彻斯特编码,每一位的中间有一跳变,位中间的跳变既
作时钟信号,又作数据信号;从高到低跳变表示“1”,从
低到高跳变表示“0”。中间的跳变作为同步信号。
 差分曼彻斯特编码,每位中间的跳变仅提供时钟定时,而
用每位开始时有无跳变表示“0”或“1”,有跳变为“0”,
无跳变为“1”。它与曼氏编码的不同之处主要是:每比特
的中间跳变仅做同步用;每比特的值根据其开始边界是否
发生跳变决定。
字符编码
 数字传输时,在信道上传送的数据都是以二进制位
的形式出现的,如何组合“0” 与“1”这两种码
元,使之代表不同的字符或信息(数据信息和控制
信息), 叫做字符编码。
 国际标准化组织1967年推荐了一个7单位编码(每
个字符由七位二进制码元组成,另外附加一位奇偶
校验位),即国际标准ISO 646,为世界各国广泛采用。
同步光纤网SONET
 旧的数字传输系统最主要的两个方面的缺点:
– 速率标准不统一。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化,国
际范围的高速数据传输就很难实现。
– 不是同步传输。在过去相当长的时间,为了节约经费,各国的数字
网主要是采用准同步方式。
 同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时
钟都来自一个非常精确的主时钟。
– 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速
率是 51.84 Mb/s。
– 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1,OC 表示Optical Carrier
同步数字系列 SDH
 SDH/SONET定义了一组在光纤上传输光信号的速率和格式,
通常统称为光同步数字传输网,是宽带综合数字网B-ISDN
的基础之一.SDH/SONET采用TDM技术,是同步系统。
 ITU-T 以美国标准 SONET 为基础,制订出国际标准同步数
字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。
– 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。
– SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s,称为第 1 级同步传递模块
(Synchronous Transfer Module),即 STM-1,相当于 SONET 体系中
的 OC-3 速率。
STS 级与 STM 级的对应关系
线路速率
(Mb/s)
SONET
符号
ITU-T
符号
表示线路速率
的常用近似值
51.840
OC-1/STS-1

155.520
OC-3/STS-3
STM-1
466.560
OC-9/STS-9
STM-3
622.080
OC-12/STS-12
STM-4
933.120
OC-18/STS-18
STM-6
1244.160
OC-24/STS-24
STM-8
2488.320
OC-48/STS-48
STM-16
4976.640
OC-96/STS-96
STM-32
9953.280
OC-192/STS-192
STM-64
10 Gb/s
39813.120
OC-768/STS-768
STM-256
40 Gb/s
155 Mb/s
622 Mb/s
2.5 Gb/s
SONET 的体系结构
SDH
终端
复用器
或
分用器
转发器
段
(section)
路径层
线路层
段层
光子层
线路层
段层
光子层
转发器
复用器
或
分用器
SDH
终端
段
段
(section) (section)
线路 (line)
路径 (path)
段层
光子层
段层
光子层
线路层
段层
光子层
路径层
线路层
段层
光子层
SONET 的四个光接口层
 光子层(Photonic Layer)
– 处理跨越光缆的比特传送。
 段层(Section Layer)
– 在光缆上传送 STS-N 帧。
 线路层(Line Layer)
– 负责路径层的同步和复用。
 路径层(Path Layer)
– 处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间
的业务的传输。
xDSL技术
 xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用
户线进行改造,使它能够承载宽带业务。
– 虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400
kHz 的范围内,但用户线本身实际可通过的信号频率
仍然超过 1 MHz。
– xDSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用,
而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
– DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。
而 DSL 的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同
宽带方案。
xDSL 的几种类型
 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
 HDSL (High speed DSL)
 SDSL (Single-line DSL)
 VDSL (Very high speed DSL)
 DSL
 RADSL (Rate-Adaptive DSL)
ADSL 的极限传输距离
 ADSL 的极限传输距离与数据率以及用户线的
线径都有很大的关系。
– 例如,0.5 毫米线径的用户线,传输速率为 1.5 ~ 2.0
Mb/s 时可传送 5.5 公里,但当传输速率提高到 6.1
Mb/s 时,传输距离就缩短为 3.7 公里。
– 如果把用户线的线径减小到0.4毫米,那么在6.1
Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里
ADSL 的特点
 上行和下行带宽做成不对称的。
– 上行指从用户到 ISP,而下行指从 ISP 到用户。
– ADSL 在用户线(铜线)的两端各安装一个 ADSL
调制解调器。
 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT
(Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多
音调”就是“多载波”或“多子信道”的意
思。
DMT 技术
 DMT 调制技术采用频分复用的方法
– 把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为
许多的子信道,其中 25 个子信道用于上行信道,
而 249 个子信道用于下行信道。
– 每个子信道占据 4 kHz 带宽(严格讲是 4.3125
kHz),并使用不同的载波(即不同的音调)进行
数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许
多小的调制解调器并行地传送数据。
DMT 技术的频谱分布
频谱
传统电话
上行信道
…
下行信道
…
频率 (kHz)
0
4
~40
~138
~1100
ADSL 的组成
基于 ADSL 的接入网
至 ISP
端局或远端站
电话
分离器
PS
ATU-C
用户线
ATU-C
PS
ATU-R
区域宽带网
ATU-C
居民家庭
DSLAM
至本地电话局
数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)
接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)
ATU-C(C 代表端局 Central Office)
ATU-R(R 代表远端 Remote)
电话分离器 PS (POTS Splitter)
HFC 的特点
 HFC网的主干线路采用光纤
– HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤,并使用
模拟光纤技术。
– 在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM,这比使用数字光纤更为经济。
– 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node),即光分配结点 ODN
(Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在
光纤结点以下就是同轴电缆。
 HFC 网采用结点体系结构
 HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱且具有双向传输功能
 每个家庭要安装一个用户接口盒
•HFC 网结构图
光纤结点 模拟光纤
放大器
头端
服务区
同轴电缆
引入线
服务区
分路器
服务区
HFC频谱划分举例
下行信道
上行
信道
5
原有模拟电视
数字信号
保留
频率(MHz)
40
50
550
750
1000
电缆调制解调器(cable modem)
 电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解
调器。
– 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。
– 其下行速率一般在 310 Mb/s之间,最高可达 30
Mb/s,而上行速率一般为 0.22 Mb/s,最高可达
10 Mb/s。
– 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调
器要复杂得多,并且不是成对使用,而是只安装在
用户端。
HFC 网的优点
 具有很宽的频带,并且能够利用已经有相当大的覆盖
面的有线电视网。
– 要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750
MHz 双向传输的 HFC 网(还要将所有的用户服务区互连起
来而不是一个个 HFC 网的孤岛),也需要相当的资金和时
间。
– 在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。
FTTx 技术
 FTTx(光纤到……)也是一种实现宽带居民接入网的方
案。这里字母 x 可代表不同意思。
– 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home):光纤一直铺设到
用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
– 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building):光纤进入大
楼后就转换为电信号,然后用电缆或双绞线分配到各
用户。
– 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb):从路边到各用
户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
本讲小结
 信道复用技术
– 时分复用
– 频分复用
 数字传输系统
– 脉码调制
– 数字数据信号编码
– 字符编码
 宽带接入技术
作业
 上交作业
– P62, 2-10,2-11,2-13,2-14,.2-16,2-17
 预习第三章
 预习实验二和实验三

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