传输技术31.doc

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第三章数字多路复用技术

为了提高信道利用率,在传输过程中都采用复用方式即多个信号在一条信道上传输。一般有频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)和码分复用〔CDM〕等多种方法。频分复用是通过对信号进行处理使它们占据频率域中不同的频段,而在时间上共用整个时间坐标。时分多路复用是各路占用信道的时刻各不相同,但因各样值都有无限宽的频谱,所以它们同时占据全部频域。而码分复用以不同、互成正交的码序列来区分用户,这种扩频技术一般用于移动通信中的码分多址技术〔CDMA〕。
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。三维变量时间、频率和幅度,代表了一实际的空间信道,多路频带受限信源信号如何进入信道传输就决定了信号的复用方法。
TDM的特点是:可以把时间离散样值数字化,数字传输的抗干扰能力,远距离传输、高速复用和终端处理多是模拟通信无法比较的。但是,由于实际信道,无论是有线还是无线信道,都是模拟信道,而且带宽也相对有限,为了充分利用信道资源,得到最正确的传输效果,各种技术的综合运用是现代传输技术的特点。然而,现代通信网的传输是建立在大容量、宽带化、数字化、个人化的根底上的综合数字通信网。数字信号的复用、组帧、高速复接是通信传输的根本技术、TDM技术是各种通信传输系统的公共技术。

为了提高信道利用率,在传输过程中都采用复用方式即多个信号在一条信道上传输。
频分多路复用(FDM)、
时分多路复用(TDM)和
码分复用〔CDM〕等多种方法。

在有线数字传输系统中,双向通信的两个传输信号通常在不同的信道〔如光缆等〕中,这种通信方式称为四线制。无论是模拟还是数字信号都可以实现双工通信。当光纤和数字信号向用户终端延伸,要在模拟的金属用户环路上实现双向的数字通信或在一条宽频带的光缆上实现多用户的数字接入,尤其是无线通信〔GSM、CDMA〕的开展,双工技术变成通信中最常见的应用技术之一。
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。
1、二线/四线概念

所谓二线数字双工传输,是指在二线用户环路上实现收、发双向数字传输,这是一种信道收发复用技术。
最常用的有两种方法:频分双工和时分双工。
频分双工是把信道的使用频带分为高、低两局部,收、发双向传输信号分别占用一局部;
时分双工是把信道的使用时间分为假设干个收、发周期,在每个收发周期内又分为收、发两个时隙,收、发双向传输信号在每个收、发周期内分别轮流占用一个时隙。
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二线用户环路上实现数字双工传输的常用方法有两种:
一种是基于时分〔TDM〕双工原理的时间压缩法;
一种是传统模拟二线原理和数字信号处理技术为根底的回波抵消法。
1、时间压缩法
时间压缩〔TC〕法又称乒乓法。
这就可以求出容许的最大传输延时:
()
Tr原脉宽
Tc发送脉宽
Td传输延时
TdMAX允许的最大传输延时
Tg延时余量
()
当传输线缆确定之后,单位距离上的延时时间K也就确定了,那么传输延时与传输距离L的关系为:
()
鉴于在一个重复周期内,连续数字信号的全部码元要以突发形式全部传给收端,那么存在如下关系式:
()
从而求得TDM方案的根本关系式为:
()
例如,均匀码流速率f0=64kbit/s,采样周期Tr=125us,线路突发传码速率fl=256kbit/s,电缆每公里延时时间K=5us/km,延时余量Tg=,那么求得传输距离为L=4km,当不留延时余量Tg=0,那么求得最大传输距离Lmax=。
,其传输距离可以到达4~5km。

回波抵消法允许收发双方同时把发送信号送到二线用户环路上,这样线路上将同时存在收发两端的发送信号。
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接收端根据信道的传输特性和本端的发送信号特性,自动估算出接收信号中包含的本端发送信号分量,并将其从接收信号中减去,即得到对端发来的信号。
()
式中,M是等效路径数,hi是第i条等效路径的脉冲响应。由复制网络复制的回波为:
()
式中,hi(k)是数字横向滤波器第i抽头在第k个采祥时刻的加权值。这时相应的剩余回波为:
()
可见,要想最大限度地限制回波,必须调整所有的hi(k)值尽可能地接近对应的hi*值。
采用回波抵消法,可以在二线用户环路上实现速率为160kbit/s〔其中包括〔2B+D〕信号的144kbit/s以及用于传送同时信息和维护管理信息的辅助通路信号的16kbit/s〕数字信号双向传输。
与乒乓法相比,它的实现技术比较复杂。但因其线路信号速率低,故传输距离长。例如,,其传输距离可达6~7km。
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双工技术是在一条通信信道上同时实现双相通信的技术,以下以光纤通信为例,介绍有线双工技术,但本原理同样适用于无线信道。在一根光纤上实现双工,可以有多种方法,
它包括基于光信号分割的:
空分双工〔SDD〕、
向分双工〔DDD〕、
波分双工〔WDD〕和
基于光电信号分割的:
时分双工〔TDD〕、
码分双工〔CDD〕、
频分双工〔FDD〕。
下面对其工作原理进行简要说明。
〔SDD〕
所谓空分双工技术是使用两根光纤分别传输两个不同方向的光信号,。
〔DDD〕
这是使用定向耦合器实现单纤双工传输的一种技术,。图中,A、B两端分别使用一个定向耦合器,将发送光信号耦合进单根传输光纤中,同时从单根传输光纤中将接收信号提取出来。
这种
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向分双工技术允许使用同纤同波长进行双向通信。它虽然提高了光纤和光谱的使用效率,但却要输出丧失光功率的代价。,发端的定向耦合器使进入传输光纤的功率丧失一半,而收端的定向耦合器又使来自传输光纤的功率丧失一半,这样接收光信号功率要减少4倍,再考虑到光/电变换损失〔假定光电变换特性为平方律关系〕,接收电信号将会减少16倍。
这种向分双工技术的另一缺点是,定向耦合器的失配反射会产生发送信号对接收信号的干扰。因此,对定向耦合器的匹配指标要求较高。另外,也可以采用回波抵消技术,在电信号上消除由定向耦合器失配产生的发送信号对接收信号的干扰。
〔WDD〕
这是使用两个不同波长,来区分两个不同传输方向的一种单纤双工传输技术,。由图可知,,引入了两个光滤波器而实现的,利用光滤波器可以克服向分双工中发送信号对接收信号的干扰。
〔CDD〕
这是在信号码域来分割双向传输电信号的一种单纤同波长双工传输技术。这种技术是先对两个不同传输方向的信号,分别用相互正文的两个伪随机序列(即正交码〕进行调制,然后再分别调制到同一波长的光源上,并馈入同一根光纤进行传输。收端先经光/电变换恢复电信号,再经正交码相干解调提取接收信号。由于正交码的速率比信号速率高得多,因此这种方式的光谱较宽。好在光纤的传输带宽很宽,所以不会带来系统带宽上的问题。。
不过,对于码分双工的使用存在一个限制,即仅限于数字信号传输。因为不可能对模拟信号直接进行伪随机序列的调制。对于模拟信号,那么必须先进行数字化处理,然后才能采用码分双工技术。
〔FDD〕
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频分双工又称为副载波双工。它是将两个传输方向的电信号分别调制到指定的副载波上,然后再调制同一波长的光信号,送到同一根光纤传输。收端先进行光/电变换恢复电信号,再用滤波器选出接收载频,进而解调出接收信号。。
对于频分双工,一种简化方式是将一个传输方向的副载频指定为0,即这个方向的电信号采用基带传输。这样只需对一个方向的信号进行移频处理。
〔TDD〕
时分双工又称为时间压缩〔TCM〕或乒乓传输,
与铜线接入网相比,光纤媒质更适于时分双工传输。因为,由时分双工导致的线路速率提高而引起的光纤传输损耗,不会高于铜双线传输损耗。
在光纤接入网中,时分双工技术必须考虑到光纤中光信号的传输时延。因为对于乒乓传输方式来说,OLT在发送下一个突发脉冲之前,必须等待收到对方发来的一个突发脉冲。
〔优点〕加长突发脉冲串的长度,可以使由于光纤传输时延产生的等待时间开销减少。这是因为加长突发脉冲串的长度,会增加光纤的有效传输时间和传输时延的比值。
〔2〕〔缺点〕然而,加长突发脉冲串的长度,不仅会增加发送缓存器的容量,还会增大整个信息传输总时延。由于规定的业务质量不允许传输时延无限增加,因此,时分双工的工作范围受到光纤传输时延的限制。
〔3〕〔优点〕另外,使用时分双工技术的一个主要优点是,设备可以用数字电路简单实现。

在无线通信系统中,可以让用户在发送信息给基站的同时,接收从基站来的信息。双工的方式通常在无线电话系统中也是需要的。地面无线的特点是用户接入。
用频域技术或时域技术都可能做到双工。
频分双工〔FDD〕为每一个用户提供了两个确定的频率波段。
前向波段提供从基站到移动台的传输,
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而反向波段提供从移动台到基站的传输。
在FDD中,任何双工信道实际上都由两个单工的信道组成。利用在用户和基站里的称为双工器的设备,允许同时在双工信道上进行无线发射和接收。前向信道和反向信道的频率分隔在整个系统中是固定的,不管正在使用的是不是特殊的信道。
时分双工〔TDD〕是用时间而不是频率来提供前向链路和反向链路。
如果前向时隙和反向时隙之间的时间分隔很小,那么对于数据的发送和接收,用户看起来就是同时的。TDD允许在一个信道上通信〔与需要两个单工或专用信道相反〕并且由于不需要双工器而简化了用户设备。
在FDD和TDD的方法之间可以有一些折衷。
FDD适用于为每个用户提供单个无线频率的无线通信系统。因为每个收发机同时地发送和接收相差大于100dB的无线信号,所以必须谨慎地分配用于前向信道和反向信道的频率,使其与占用这两个波段之间频谱的其他用户保持协调。而且,频率分隔必须适用于不太昂贵的射频〔RF〕设备。
TDD使每一个收发机在同一频率上要么作为发送机要么作为接收机运行,而且消除了单独前向和反向频率波段的需要。然而,接收和发送之间存在着一段潜在时间间隔。
实际的无线通信要结合多址技术,例如:每一信道采用FDD方式,实现前后向信道的别离,而每一信道内采用TDD方式,实现多用户的共同接入。

在接入网和无线通信大量开展的的今天,利用双工和多路复用技术的多用户接入技术,称为多址技术得到了充分的开展。多址方式允许许多用户同时共享有限的信道频谱。需要分配有效带宽〔或者有效信道〕给多个用户来获得高系统容量。
频分多址〔FDMA〕,时分多址〔TDMA〕和码分多址〔CDMA〕是在通信系统中共享有效带宽的三个主要接入技术。本节以使用这些技术较多的无线通信为例。
多址接入依据有效带宽是怎样分配给用户的,可以把这些技术分为窄带系统和宽带系统。
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窄带系统一一一用术语‘窄带’指单个信道的带宽同所期望的信道的相干带宽相一致。在一个窄带多址系统中,有效无线频谱被划分为许多窄带信道。信道通信按FDD双工技术运行。为了把在每个信道上的前向和反向链路之间的干扰减到最小,应把频率分隔在频谱范围内,使其尽可能的大,而且在每一个用户单元中使用不昂贵的双工器和普通收发机天线。
在窄带FDMA中,指定分给每个用户一个不与临近地区其他用户共享的特定信道,并且应用FDD双工技术〔即每个信道有一个前向和反向链路〕,那么这个系统就叫做FDMA/FDD。另一方面,窄带TDMA允许用户共享同一信道,但是在信道上一个周期中分配给每一个用户唯一的时隙,因此最终在一个信道上分隔开了用户。对于窄带TDMA,分配的信道通常要么用FDD技术要么用TDD技术,并且每一共享的信道都用TDMA方式。这样的系统被称为TDMA/FDD接入系统或者TDMA/TDD接入系统。
宽带系统——在宽带系统中,一个信道的发射带宽比这个信道的相干带宽宽得多。因此,宽带信道中多径衰落并不会很大地影响接收信号,并且频率选择衰落仅仅发生在信号带宽的一小局部中。在宽带多址系统中,允许用户在频谱的很大范围内发送。也允许许多发射机在同一信道上发送,TDMA在同一信道上分配时隙给许多发射机,并且仅允许一个发射机在某一时隙占用信道,而扩频CDMA允许所有发射机在同一时间占用信道。TDMA和CDMA系统可以使用FDD和TDD多路复用技术的任何一个。
除了FDMA,TDMA和CDMA,还有两种多址模式用于无线通信。它们是分组无线电:〔PR〕和空分多址〔SDMA〕。在这一章。我们要讨论上面所提到的多址接入技术,以及在数字蜂窝移动通信系统中它们的性能和容量。,正在使用的不同多址技术。
〔FDMA〕