2.3 多路復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用（Multiplexing）技術(shù)是指在單一線路上同時(shí)傳輸多路信號(hào)的技術(shù)，其逆過程稱解多路復(fù)用。其目的是使得多路信號(hào)能夠在同一線路上進(jìn)行傳輸，最大限度地利用信道資源。多路復(fù)用技術(shù)主要有4種方式：頻分多路復(fù)用（Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM）、波分多路復(fù)用（Wave-length Division Multiplexing，WDM）、時(shí)分多路復(fù)用（Time Division Multiple xing，TDM）和碼分多路復(fù)用（Code Division Multiplexing，CDM）。

2.3.1 頻分多路復(fù)用技術(shù)

頻分多路復(fù)用（FDM）是將線路的可用頻帶劃分成若干條在頻率上互不重疊的較窄的子頻帶，每一條子頻帶傳輸一路信號(hào)，各子頻帶之間通常要留有一定的空閑頻帶，稱為保護(hù)頻帶，以減少各路信號(hào)的相互干擾，因此，各路信號(hào)可以互不干擾地同時(shí)傳輸。例如，傳統(tǒng)的有線電視系統(tǒng)和無線電廣播都是采取這種方式。在傳統(tǒng)有線電視系統(tǒng)中，盡管多個(gè)頻道的電視節(jié)目都是通過同一條同軸電纜進(jìn)行傳送，但不同頻道的電視節(jié)目占用不同的頻段，彼此之間不會(huì)出現(xiàn)相互干擾。如3路原始模擬信號(hào)帶寬均為3MHz，為了進(jìn)行頻分多路復(fù)用，分別將3路信號(hào)調(diào)制到不同頻段，這樣就形成了一個(gè)帶寬為9MHz的頻分多路復(fù)用信號(hào)，如圖2-15所示，信號(hào)頻分多路復(fù)用過程如圖2-16所示。

2.3.2 波分多路復(fù)用技術(shù)

波分多路復(fù)用（WDM）過程和頻分多路復(fù)用過程十分相似，其本質(zhì)上也屬于頻分多路復(fù)用技術(shù)。波分多路復(fù)用是將多個(gè)單一波長的光信號(hào)復(fù)用在一起，而且每一種光信號(hào)只有有光和無光（信號(hào)強(qiáng)度為0）這兩種強(qiáng)度。通過使用不同波長的光載波，可以在一根光纖上傳輸多路光信號(hào)。由于光載波的頻率很高，人們習(xí)慣上用波長而不是頻率來表示不同頻率的光載波，因此,將光載波在光纖上的復(fù)用稱為波分多路復(fù)用。WDM被應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域。

圖2-17給出了在一條共享光纖上實(shí)現(xiàn)波分多路復(fù)用的方法：發(fā)送端將兩根處于不同波段的光纖光信號(hào)的光譜，通過棱鏡或衍射光柵將其合成到一條共享光纖上，經(jīng)過傳輸?shù)竭_(dá)目的地后，用同樣的方法分離出兩路不同波長的光纖信號(hào)。

2.3.3 時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)

時(shí)分多路復(fù)用（TDM）是將一條線路的傳輸時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)隙（Time Slot，又稱為時(shí)間片），按一定的次序輪流給各路信號(hào)源使用，即每路信號(hào)占用一個(gè)時(shí)隙（時(shí)間片）。在每路信號(hào)所占有的時(shí)間片內(nèi)，其使用通信線路的全部帶寬。使用TDM的前提是：線路所能達(dá)到的數(shù)據(jù)率超過各路信號(hào)源所需的數(shù)據(jù)率。TDM主要用于數(shù)字信道的多路復(fù)用，根據(jù)時(shí)間片的分配方法，TDM可分為同步時(shí)分多路復(fù)用（Synchronous Time Division Multiplexing，STDM）和異步時(shí)分多路復(fù)用（Asynchronous Time Division Multiplexing，ATDM）兩種類型。

1.同步時(shí)分多路復(fù)用

同步時(shí)分多路復(fù)用是將傳輸信號(hào)的時(shí)間分成多個(gè)周期，其中每個(gè)周期又根據(jù)要傳送信號(hào)的路數(shù)分成若干個(gè)時(shí)隙，每路信號(hào)被固定分配一個(gè)時(shí)隙。同步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)原理如圖2-18所示，其中的復(fù)用器和解復(fù)器可以理解為連接多個(gè)設(shè)備的電子開關(guān)，在不同的時(shí)隙，該開關(guān)切換到不同的設(shè)備上，進(jìn)行某路信號(hào)的傳送。

在同步時(shí)分多路復(fù)用中，每路信號(hào)所分配的時(shí)隙固定不變；如果在某個(gè)時(shí)隙，對(duì)應(yīng)的某路信號(hào)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，就會(huì)造成此時(shí)隙資源的浪費(fèi)。為了克服同步時(shí)分復(fù)用技術(shù)的缺陷，可采用異步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)。

2.異步時(shí)分多路復(fù)用

異步時(shí)分多路復(fù)用又稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用（Statistical Time Division Multiplexing，STDM），僅僅在某路信號(hào)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，才為其分配時(shí)隙，即動(dòng)態(tài)為每路信號(hào)按需分配時(shí)隙，因此，不會(huì)造成時(shí)隙資源的浪費(fèi)，提高了信道的利用率。但在異步時(shí)分多路復(fù)用中的時(shí)隙與信號(hào)源之間沒有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以數(shù)據(jù)單元中必須包含地址信息，這樣又降低了傳輸效率。異步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)原理如圖2-19所示。

在采用異步時(shí)分多路復(fù)用時(shí)，如果某路信號(hào)的數(shù)據(jù)量較大，則其可以占據(jù)較多的時(shí)隙資源，以保證其較高的傳輸速率。例如，線路的最高負(fù)載能力是56kbit/s，4路信號(hào)共用此線路，若采用同步時(shí)分復(fù)用方式，則每路信號(hào)的最高數(shù)據(jù)傳輸率為14kbit/s；若采用異步時(shí)分復(fù)用方式，在僅有1路信號(hào)有數(shù)據(jù)要傳送的情況下，其最高數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到56kbit/s。

2.3.4 碼分多路復(fù)用技術(shù)

碼分多路復(fù)用（CDM）技術(shù)又稱為碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技術(shù)，它是一種擴(kuò)頻多址數(shù)字通信技術(shù)。所謂擴(kuò)頻技術(shù)是利用與待傳輸數(shù)據(jù)（信息）無關(guān)的碼對(duì)被傳輸信號(hào)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，使傳輸信息所用的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。在CDMA系統(tǒng)中，采用特殊的編碼方法和擴(kuò)頻技術(shù)，通過獨(dú)特的代碼序列建立信道，對(duì)不同的用戶分配不同的碼片序列，使多個(gè)用戶可以使用同樣的頻帶在相同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行通信而相互之間不會(huì)造成干擾。同時(shí)，CDMA信號(hào)的頻譜類似于白噪聲，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。CDMA最初被應(yīng)用于軍事通信，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于民用移動(dòng)通信領(lǐng)域。

在CDMA系統(tǒng)中，一個(gè)比特時(shí)間被劃分為m個(gè)短小的間隔，稱為碼片（Chip）。m的值通常為64或128。而每個(gè)用戶則被分配一個(gè)唯一的m比特碼片序列，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)比特均被擴(kuò)展成m位碼片。當(dāng)用戶要發(fā)送數(shù)據(jù)比特“1”時(shí)，則發(fā)送它的m位碼片序列；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)比特“0”時(shí)，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。例如，某用戶的碼片序列是10110101（假設(shè)m=8），當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)比特“1”時(shí)，就發(fā)送序列10110101；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)比特“0”時(shí)，就發(fā)送序列01001010。通常將碼片中的1寫為+1，0寫為-1。

為了保證接收方能夠正確解碼，需要給不同用戶分配唯一的碼片序列，而且相互之間必須正交。所謂的正交是指不同用戶碼片的規(guī)格化內(nèi)積（點(diǎn)積）為0。如用戶A和用戶B的碼片用C_A和C_B表示，則其規(guī)格化內(nèi)積計(jì)算如下。

由于每個(gè)用戶碼片序列都是由+1和-1組成，因此，每個(gè)用戶碼片序列與本身進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算為+1，與補(bǔ)碼進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算為-1，一個(gè)碼片序列與不同的碼片序列進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算為0，即保證正交特性。

例如，對(duì)用戶A分配的碼片系列為C_A1=(-1,-1,-1,-1)，其補(bǔ)碼為C_A0=(+1,+1,+1,+1)。對(duì)用戶B分配的碼片序列為C_B1=(+1,-1,+1,-1)，其補(bǔ)碼為C_B0=(-1,+1,-1,+1)。則計(jì)算用戶A和用戶B的內(nèi)積運(yùn)算如下。

C_A1·C_A1=(-1,-1,-1,-1)·(-1,-1,-1,-1)/4=+1

C_A1·C_A0=(-1,-1,-1,-1)·(+1,+1,+1,+1)/4=-1

C_A1·C_B1=(-1,-1,-1,-1)·(+1,-1,+1,-1)/4=0

C_A1·C_B0=(-1,-1,-1,-1)·(-1,+1,-1,+1)/4=0

說明用戶A和用戶B的碼片序列正交。在進(jìn)行CDMA信號(hào)的接收時(shí)，接收站從空中收到的是多個(gè)發(fā)送站信號(hào)的線性疊加碼片序列的和。將其與某發(fā)送站的碼片序列進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算，就可恢復(fù)出該站所發(fā)送的原始數(shù)據(jù)。