3.3 信道复用技术

为解决彼此独立的多路数据信号合并在同一信道上同时传输的问题，共享信道资源，提出了信道复用技术，如图3-11所示。信道复用技术分为频分复用（FDM）和时分复用（TDM）两大类。

3.3.1 FDM频分复用技术

频分复用（Frequency Division Multiplex，FDM）技术是模拟传输系统为解决在一条传输线路上能够同时传输多路信号而采用的技术处理方法。常用于电话、广播和有线电视信号的传输。

FDM采用频谱搬移的方法，把需传输的各路信号对不同频率的高频载波（正弦波）进行调制，调制后的各频道的信号频谱在频率轴上会按规定的频道间距相互隔开而不会相互重叠。接收端解调时只要使用相对应的带通滤波器把各频道的信号分别过滤出来，如图3-12所示。

频分多路复用技术最初用于电话通信系统。每一路电话需要300～3000Hz的频谱带宽，双绞线缆的可用带宽是100kHz，因此在同一根双绞线缆上采用频分复用技术后，最多可同时传输24路电话。图3-13是频分复用技术在电话通信中的应用。图中的第一个滤波器为0～4kHz低通滤波器，它只能让0～4kHz的话音频谱通过，阻止4kHz以上的频率进入系统。第二个滤波器是经载频调制后采用的带通滤波器，它的作用是只能让该通道调制后的有用频谱通过，阻止有用频谱之外的其他频率成分通过。多路复用器是把各路不同载波频率的调制频谱合成在一起，作为一路信号加载于一条传输线路上同时传输。

如果传输媒体是无线系统，为适应无线电波发送的需要，在多路复用器之后还需对合成信号进行频率更高的射频（RF）调制。为便于区别前后两种调制，前面那个调制称为副载频调制，在复用器之后对更高载波频率的调制称为射频（载频）调制，FDM频分复用技术可容纳的最大复用信道数量 N 与传输媒体（传输线路）的带宽和每路信号的频谱宽度的关系如下：

FDM频分复用技术系统结构简单，在长途干线通信中采用放大器（中继器）可补偿信号的传播衰减。在广播电视（包括卫星电视）、CATV电缆电视和数字数据传输中获得较多应用。

3.3.2 TDM时分复用技术

FDM频分复用技术的最大优点是系统结构简单，缺点是随着复用信道的增多，通道间的窜音干扰也会增大，限制了复用通道的数量。时分复用（Time Division Multiplex，TDM）技术的最大优点之一是在一对传输线路上可同时传输更多数量的数字基带信号而不会产生通道间的窜音干扰。

时分复用的原理是把需传输的各路用户信号在规定的时间长度内按序进行打包（Package）成TDM时分复用帧，然后再往线路上一帧接一帧连续传输，如图3-14所示。

不难看出，时分复用的各用户只是按时间顺序占用公共传输通道，因而各用户之间不会发生干扰。

每个用户在TDM帧中占有固定序号的相等时隙，因此TDM信号也称为等时信号。

中国和欧洲采用的时分复用规格为E1，E1复用帧的周期（即采样频率 f 的周期） T =125μs，即每秒需传输8000时分复用帧 。在125μs复用帧时间中再划分为32个相等的时隙（125μs/32=3.9μs），每个时隙传输8bit数据（小报文），因此32个时隙共传输32×8bit=256bit数据。各时隙的编号为CH0～CH31。时隙CH0中的数据信号用作收发之间的帧同步通道，时隙CH16用来传送信令（如用户的拨号命令）通道。每个通道8bit的数据包支持64kbit/s的数据速率，因此传输网络中的数据速率为32×64kbit/s=2.048Mbit/s。

如果要在 T =125μs时分复用帧传输64个用户通道，此时每个用户通道分配到的时隙宽度为32通道的减半，即125μs/64=1.95μs。8bit的通道数据需要用更窄的单元脉冲编码，单元脉冲越窄它们的频谱宽度也越宽。复用的用户越多，每个用户分配到的时隙宽度也越小，数据编码脉冲的宽度也越窄，数据码的速率也越高，要求传输系统的带宽也越大。

图3-15是频分复用与时分复用的区别，从频域来看，频分复用系统各用户所占用的频率范围（频带）是相同的，如图3-15a所示，时分复用中的每个用户（A、B、C、D）所占的时间间隙是不连续地周期性地出现。

3.3.3 STDM统计时分复用技术

由于计算机数据传输是突发性的，每个计算机用户对已经分配到的信道的利用率一般都是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时，那么只能让已分配到的信道空闲着，而其他用户又无法使用这个暂时空闲的线路资源。图3-16说明了这个概念。这里假定有A、B、C、D四个用户进行时分复用。复用器按①→②→③→④的时序依次扫描A、B、C、D各用户的时隙构成时分复用帧，每个时分复用帧中包含四个用户时隙（用户数据包）。可以看出，当某个用户暂时无数据发送时，时分复用帧分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户又不能使用这些空闲时隙，导致复用后的信道利用率不高。

统计时分复用（Statistic TDM，STDM）就是为了充分利用时分复用的空闲时隙而设计的一种改进的时分复用，它可以明显地提高信道的利用率。图3-17是统计时分复用的原理图。

STDM与TDM主要的区别是各用户发送的数据都先存入一个集中器的缓存，然后复用器再按顺序依次扫描集中器的缓存，将缓存中的各路输入数据顺序送到STDM帧中。当一个复用帧的数据放满了，就发送出去。因此，STDM复用帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。在STDM中，某个用户所占的时隙并不能周期性地出现，因此统计时分复用又称异步时分复用，而普通的时分复用（TDM）称为同步时分复用。