2.2 信道复用技术
信道复用技术原理与特点
信道复用技术原理与特点信道复用是指多个用户或信号共享同一个通信信道资源的技术。
其主要目的是提高通信信道的利用率，降低通信系统的成本，并能满足多用户同时通信的需求。
信道复用技术包括时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、码分复用（CDM）和波分复用（WDM）等。
1.时分复用（TDM）：时分复用是将时间分割成若干个时隙，并按照一定的规则将不同用户或信号的信息依次放置在不同的时隙上。
时分复用可以灵活地分配时间资源，实现多用户的同时通信。
其特点包括：-灵活性高：可以根据不同用户的需求灵活分配不同的时隙。
-实时性强：时分复用能够保证用户间信息传输的实时性要求。
-设备成本低：由于时分复用只需要在时间维度上进行划分，不需要额外的设备。
-缺点是在一些时刻只能有一个用户传输数据，时间资源无法共享。
2.频分复用（FDM）：频分复用是将通信频谱分成若干个子信道，每个子信道分配给不同的用户或信号进行传输。
通过频分复用，不同用户或信号之间的通信可以同时进行，而且各自不会干扰对方。
其特点包括：-带宽高效：频分复用能够充分利用通信频谱资源，提高频谱利用率。
-抗干扰性强：不同子信道之间相互隔离，不会干扰对方。
-灵活性低：频分复用分配的子信道数量是固定的，不能根据需求灵活调整。
3.码分复用（CDM）：码分复用是利用不同的扩频码将通信信号进行扩频处理，然后在频域上进行叠加传输。
不同的扩频码使得不同用户或信号的信息彼此独立，可以通过解扩还原出原始信号。
其特点包括：-抗干扰性强：不同的扩频码使得不同用户的信号互相隔离，具有较强的抗干扰性。
-安全性高：码分复用可以通过加密扩频码来增强通信的安全性。
-复杂性高：码分复用需要进行频谱扩展和解扩处理，对系统硬件和算法要求较高。
4.波分复用（WDM）：波分复用是将不同波长的光信号通过光复用器复用在同一光纤上进行传输。
不同的波长代表不同的光信号，可以实现多个用户或信号的同时传输。
-带宽大：波分复用利用不同波长的光信号在光纤中传输，可以实现大量数据的同时传输。
信道复用技术和分类
信道复用技术和分类
信道复用技术是一种将多个通信信号传输在同一物理信道上的技术。
它通过将不同的信号分配到不同的频率、时间或码上，从而实现在一个信道上同时传输多个独立的数据流。
1. 频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）：频分复用将不同的通信信号分配到不同的频率带宽上，然后通过调制和解调技术实现信号的传输与分离。
每个信号都占用一定的频率带宽，彼此之间不会相互干扰。
2. 时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）：时分复用将不同的通信信号按照时间划分的方式传输，在每个时间片上只传输一个信号。
通过快速切换不同的信号，使得多个信号在同一信道上进行传输。
接收端根据时间信息进行解调和分离。
3. 统计时分复用（Statistical Time Division Multiplexing，STDM）：统计时分复用是一种动态的时分复用技术，根据信号的实际传输需要进行分配。
它可以根据不同信号的占用率动态地分配时间片，从而提高信道的利用率。
4. 波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）：波分复用利用光纤通信中不同波长的光信号进行复用。
通过将不同波长的光信号同时传输在同一光纤中，可以实现高容量的光纤传输。
接收端通过光解复用器将不同波长的光信号分离出来。
以上是几种常见的信道复用技术和分类。
每种技术都具有自身的特点和适用场景，可以根据实际需求选择合适的信道复用技术来提高通信系统的容量和效率。
计算机网络-2-3-信道复用技术
计算机⽹络-2-3-信道复⽤技术复⽤技术简单介绍image如图，在(a)图中，A1,B1,C1分别使⽤⼀个单独的信道和A2,B2,C2来进⾏通信，因此他们需要使⽤三个信道进⾏通信，但是呢，如果把它们在发送端上使⽤⼀个复⽤器，把这三个相互独⽴的信道“混合在⼀起”成为⼀个信道，这样呢，这三个就可以共享使⽤⼀个信道进⾏通信，在接收端使⽤⼀个分⽤器，把他们抽出来，分为把它们送到不同的接收端。
这就是所谓的信道复⽤技术。
信道复⽤可以分别频分复⽤和时分复⽤两⼤类。
下⾯我们就详细介绍这两种信道复⽤技术。
频分复⽤技术如图所⽰：⽤户在分到⼀定的频带后，在通信的⾃始⾄终都占⽤着这个信道资源，可见呢，不同的⽤户在同样的时间占⽤的是不同的信道资源。
在使⽤频分复⽤时，如果⽤户所占的带宽资源不变。
则当⽤户的数量增加时，服⽤后的信道的总带宽会⼤⼤增加。
时分复⽤技术将时间划分为⼀段段等长的时分复⽤帧，时分复⽤的⽤户在不同的时间招⽤不同的信道资源。
时分复⽤技术更利⽤于数字信号传输。
统计时分复⽤：是对时分复⽤的改进，它能够明显的提⾼信道的利⽤率。
如图:原理是将使⽤集中器连接4个低速的⽤户，然后把他们的数据通过⾼速线路发送到另⼀台远程计算机。
波分复⽤技术其实就是光的频分复⽤。
原理就是在⼀条光纤上搭载多条光波信号，这样就提出了光的波分复⽤这⼀名词。
由于现在⼀天光纤上能搭载越来越多的光型号，因此就⼜出现了密集波分复⽤这⼀名词。
如图，对于8路传输速率为2.5G/s的光载波，经过⼴的调制后，分别将波长变换到1550-1557nm,这8根波长经过光复⽤器，就会在⼀个光纤上传输。
，在⼀个光纤上总的传输速率为8X2.5G/s=20G/s。
但是光信号传输⼀定距离后会衰减，因此必须要对衰减的光信号进⾏放⼤才能继续传输。
因此呢，这就引出了⼀个光放⼤器的东西，现在的光放⼤器叫做掺饵光纤放⼤器。
这种放⼤器放⼤原理并不复杂，只是在1550nm波长附近有35nm的频带范围提供较均匀的增益。
物理层_信道复用技术CDM
码分多址CDMA
➢ 假定S站要发送信息的数据率为b bit/s，由亍每个比特要转换成m比特的码片序列， 因此S站发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来 数值的m倍。这种通信方式称为扩频（spread spectrum）通信。
➢ 在实用的系统中是使用伪随机码序列。
码片序列的正交关系
➢ 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。 ➢ 两个丌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：
S • T
1 m
m
S iTi
i1
0
公式2-1
【例】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)。
➢ CDMA、蓝牙、WiFi技术基亍此与利方法。
码分多址CDMA
➢ CDMA可提高通话质量和数据传输的可靠性，减少干扰，增 大通信系统的容量（是使用全球秱动通信系统GSM的4~5 倍），降低手机的平均发射功率。
码分多址CDMA
➢ 1989年高通公司将用亍军事通信的CDMA技术应用亍商业手 机网络。
CDMA 的工作原理
假定有个X站要接收S站发送的数据，X站必须知道S站的码片序列。X站 使用得到的码片向量S不接收到的未知信号迚行求内积的计算。X站接收 到的未知信号是各个站发送的码片序列之和。
根据公式（2-1）和（2-2），再根据叠加原理，求内积得到的结果是： 所有其他站的信号都被过滤掉，而只剩下S站发送的信号。 当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1；
信道复用技术原理与特点(频分、时分、波分、码分)
信道复用技术原理与特点（频分、时分、波分、码分）信道复用技术是一种可以有效地利用有限的通信资源的技术，在不增加额外的通信资源情况下，可以同时传输多个用户的信号。
常见的信道复用技术有频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）和码分复用（CDM）。
频分复用（FDM）是通过将不同用户的信号分配到不同的频率带上来实现多用户通信的技术。
在发送端，将用户的信号通过滤波器分成不同的频率带，然后通过对应的频率载波进行调制并合并，形成复合信号进行发送；在接收端，将复合信号经过滤波器分离出不同的频率带，并经过解调得到原始信号。
频分复用技术的特点是传输速率高，抗干扰能力强，但需要分配固定频率资源，不适合业务量波动大的场景。
时分复用（TDM）是通过将不同用户的信号按时间片的方式交替发送来实现多用户通信的技术。
在发送端，用户的信号按照一定的顺序进行划分，并在各个时间片上按顺序传输；在接收端，根据时间片序号将信号进行解析并恢复出原始信号。
时分复用技术的特点是能够灵活适应业务量的变化，但对时钟同步要求较高。
波分复用（WDM）是通过将不同用户的信号分配到不同的波长上来实现多用户通信的技术。
在发送端，用户的信号经过不同波长的光载波进行调制并合并，形成复合光信号进行发送；在接收端，通过波分复用器将复合光信号分离成不同波长的单光信号，并进行解调得到原始信号。
波分复用技术的特点是传输容量大，对光纤链路的利用率高，但需要高精度的波长稳定光源和波分复用器。
码分复用（CDM）是通过将不同用户的信号编码成不同的码形信号，然后利用不同的码形信号进行调制并合并，形成复合信号进行发送，接收端利用解码器将复合信号解码还原出原始信号。
码分复用技术的特点是具有码分多址的优点，即多个用户共享同一频带，相互之间不会干扰，且能够提供较好的抗干扰性能。
但需要较高的处理能力和复杂的调制解调技术。
总之，不同的信道复用技术在应用场景和特点上略有差异，但都能够实现多用户共享有限通信资源的目的，提高通信系统的效率和容量。
优秀思政案例 信道复用技术
优秀思政案例信道复用技术
优秀思政案例：信道复用技术
一、教学目标
1. 课程教学目标：了解信道复用技术的基本原理和应用。
2. 思政育人目标：培养学生的创新意识、团队协作能力和辩证思维。
二、教学实施过程
1. 引出课堂知识：通过信道复用技术的实际应用案例，引导学生了解信道复用技术在现代通信中的重要性。
2. 信道复用技术：讲解信道复用技术的原理，如频分复用（FDM）、时分复用（TDM）和码分复用（CDM）等，以及各种复用技术的优缺点。
3. 创新意识培养：引导学生思考信道复用技术在实际应用中的创新可能性，例如如何利用信道复用技术解决通信中的问题，提高通信效率等。
4. 团队协作能力培养：分组进行课堂讨论，让学生共同探讨信道复用技术的应用场景和实际问题，提高团队协作能力。
5. 辩证思维培养：分析信道复用技术在不同通信场景下的适用性，让学生认识到信道复用技术既有优点也有局限性，培养辩证思维。
三、教学评价
通过课堂讨论、小组汇报和期末考试等方式，对学生的知识掌握、创新意识、团队协作能力和辩证思维进行评价。
通过信道复用技术这个优秀思政案例，我们可以帮助学生更好地理解和掌握信道复用技术的基本原理和应用，同时培养学生的创新意识、团队协作能力和辩证思维。
信道复用技术[图解]
![信道复用技术[图解]](https://img.taocdn.com/s3/m/487be97e67ec102de2bd8976.png)
信道复用技术[图解]信道复用技术[图解]Ø提出信道（多路）复用技术的基本原因Ø通信线路的架设费用较高，需要尽可能地充分使用每个信道的容量，尽可能不重复建设通信线路；Ø一个物理信道（传输介质）所具有的通信容量往往大于单个通信过程所需要的容量要求，如果一个物理信道仅仅为一个通信过程服务，必然会造成信道容量资源的浪费。
Ø信道（多路）复用技术实现的基本原理把一个物理信道按一定的机制划分为多个互不干扰互不影响的逻辑信道，每个逻辑信道各自为一个通信过程服务，每个逻辑信道均占用物理信道的一部分通信容量。
Ø实现信道多路复用技术的关键Ø发送端如何把多个不同通信过程的数据（信号）合成在一起送到信道上一并传输Ø接收端如何把从信道上收到的复合信号中分离出属于不同通信过程的信号（数据）Ø实现多路复用技术的核心设备Ø多路复用器（Multiplexer）：在发送端根据某种约定的规则把多个低速（低带宽）的信号合成一个高速（高带宽）的信号；Ø多路分配器（Demultiplexer）：在接收端根据同一规划把高速信号分解成多个低速信号。
多路复用器和多路分配器统称为多路器（MUX）：在半双工和全双工通信系统中，参与多路复用的通信设备通过一定的接口连接到多路器上，利用多路器中的复用器和分配器实现数据的发送和接收。
信道复用技术的类型：FDM技术：Ø频分多路复用（FDM：Frequency Division Multiplexing）技术的适用领域Ø采用频带传输技术的模拟通信系统，如：广播电视系统、有线电视系统、载波电话通信系统等；ØFDM技术的基本原理Ø把物理信道的整个带宽按一定的原则划分为多个子频带，每个子频带用作一个逻辑信道传输一路数据信号，为避免相邻子频带之间的相互串扰影响，一般在两个相邻的子频带之间流出一部分空白频带（保护频带）；每个子频带的中心频率用作载波频率，使用一定的调制技术把需要传输的信号调制到指定的子频带载波中，再把所有调制过的信号合成在一起进行传输。
常见的信道复用技术及特点
常见的信道复用技术及特点
信道复用技术是指多个通信信号共用同一信道进行传输的技术。
常见的信道复用技术包括频分复用（FDMA）、时分复用（TDMA）、码分复用（CDMA）和波分复用（WDM）等。
每种信道复用技术都有其特点和适用场景。
首先，频分复用（FDMA）是指将频段分成若干个较窄的子频带，每个用户占用一个子频带进行通信。
FDMA技术简单易实现，适用于语音通信等低速率应用，但由于频带资源有限，用户数受到限制。
其次，时分复用（TDMA）是指将时间分成若干个时隙，不同用户在不同时隙上进行通信。
TDMA技术能够充分利用信道资源，提高用户数和系统容量，适用于高速率数据通信和多用户接入场景。
再次，码分复用（CDMA）是指不同用户使用不同的扩频码进行通信，通过信道编码和解码技术实现用户信号的分离。
CDMA技术具有抗干扰能力强、频谱利用率高的优点，适用于抗干扰要求高的通信环境。
最后，波分复用（WDM）是指将不同波长的光信号传输在同一光纤中，通过波分复用器和波分复用器实现信号的分离和合并。
WDM技术可大幅提高光纤传输容量，适用于光通信和数据中心等高容量需求场景。
总的来说，不同的信道复用技术有着各自的特点和适用场景，可以根据具体的通信需求来选择合适的技术方案。
在实际应用中，还可以结合多种复用技术来满足更复杂的通信需求。
随着通信技术的不断发展，信道复用技术也将不断演进和完善，为通信系统的性能提升和容量扩展提供更多的可能。
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正交关系的重要特性
任何一个码片向量和该码片向量自己的规格 化内积都是1 。
1 m 1 m 2 1 m 2 S S S i S i S i (1) 1 m i 1 m i 1 m i 1
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化 内积值是 –1。
正交关系的另一个重要特性
第 2 章 物理层
第二讲 信道复用技术及数字传输系统
频分复用、时分复用和统计时分复用 波分复用 码分复用 数字传输系统 宽带接入技术
1. 频分复用、时分复用和统计时分复用
复用(multiplexing)是通信技术中的基本概 念。
信道 信道 A2 B2 C2 A1 B1 C1 A2 共享信道
STDM不是固定地分配时隙，而是按需动态分配， 因此时隙中必须包含用户的地址信息。
某一用户所占的时隙并不是周期性地出现，因此 STDM又称为异步时分复用。
用户
统计时分复用
A B C a b b c c d a t ①
t ② a b b c c d a t t ③ t
#1
④
#2
#3
D
3 个 STDM 帧
标准电话信号采样频率8kHz，即采样周期 T=125μs 每个采样值数字化为8位二进制 由此可见一个标准话路的模拟电话信号转换 出的PCM信号的速率为64kb/s 多个话路的PCM信号用时分复用方法封装成 帧。
E1的一个时分复用帧长T=125μs，被划分为 32个时隙，每个时隙传送8bit，因此每帧共 256bit，故E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。 当需要有更高的数据率时，可采用复用的方 法。4个E1复用在一个信道上就是二次群E2。
2. 波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)
波分复用就是光的频分复用。
8 2.5 Gb/s 1310 nm
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
Hale Waihona Puke 10 Gb/s40 Gb/s
39813.120 OC-768/STS-768 STM-256
目前，我国广域网骨干链路主要采用 2.5Gbps（STM-16）和10Gbps（STM-64） 组网技术，以IP Over SDH技术作为因特 网骨干网解决方案，采用路由器为核心构 建广域网。 Packet Over SDH/SONET （POS ）接口 是高端路由器必不可少的部分。
同步光纤网 SONET
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。
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用
频率 D 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用可能会造成线路资源的浪费
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。
同步数字系列 SDH
1998年，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。
SONET/SDH原理
SDH是基于时分多路复用技术的数字传输网 络，由多路复用/分用器和中继/转发器组成， 并通过光纤连接。 SDH采用同步多路复用技术，被复用的信号 组成一个帧进行传输。
SDH 终端
复用器 或 分用器
转发器 段 (section)
转发器
复用器 或 分用器
SDH 终端
段 段 (section) (section) 线路 (line) 路径 (path) 路径层 线路层 段层 光子层
A1 B1 C1
复用
分用
B2 C2
信道
(a) 不使用复用技术
(b) 使用复用技术
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
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）。
设码片S1，S2，…，Sn两两正交，则
Sk Si 1
i 1 n
k 1,2,...n
Sk Si 1
i 1
n
k 1, 2,...n
其中Sk 表示Sk的反码
CDMA 的工作原理
假定所有的站发送码片序列都是同步的。 发送方如发送比特 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。 各站收到的信号是所有站所发码片信号的线 性叠加。 接收站将收到的信号与目标站的码片序列做 内积运算，如果得到1，则收到的比特是1， 如果得到-1，则收到的比特是0。
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（用户线越细，信号传输 时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传 输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。 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
xDSL 的几种类型
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非 对称数字用户线 HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线 SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线 VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户 线 DSL ：ISDN 用户线。 RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速 率）。
用户
时分复用
A B a b b a t ①
t ②
ab bc #2 c #3 a #4 d t c d t ③ ④ t #1
C
D
c
4 个时分复用帧
统计时分复用 STDM (Statistic TDM)
STDM是一种改进的时分复用，它能明显提高时分 复用的效率。 STDM帧中的时隙数小于链接在线的用户数。
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)。
码片序列的正交关系
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：
1 m S T S iTi 0 m i 1
频率 频率 5 频率 4 频率 3
频率 2
频率 1 时间
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
时分复用则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。
4976.640
OC-9/STS-9 OC-12/STS-12 OC-18/STS-18 OC-24/STS-24 OC-48/STS-48
OC-96/STS-96
STM-3 STM-4 STM-6 STM-8 STM-16
STM-32
2.5 Gb/s
9953.280
OC-192/STS-192 STM-64
数据码元比特 S 站的码片序列 S 发 送 端
1 m 个码片
1
0
t t t t
S 站发送的信号 Sx
T 站发送的信号 Tx
总的发送信号 Sx + Tx
接 收 端 规格化内积 S Sx
t t
t
规格化内积 S Tx
4. 数字传输系统
脉码调制 PCM 体制
脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之 间的中继线上传送多路的电话。 由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容 的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。 我国采用的是欧洲的 E1 标准。
路径层 线路层 段层 光子层
线路层 段层 光子层
段层 光子层
段层 光子层