2.5 多路复用

多路复用（multiplexing）是指在一条物理线路上同时传输多路信息。这样仅仅需要一条传输线路，其逆过程称为解多路复用。常用的多路复用技术有频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用以及码分多路复用。

2.5.1 频分多路复用

频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）是指将传输线路的可用频带分割成若干条较窄的子频带，每条子频带传输一路信号。各子频带之间通常要留有一定的空闲频带，作为保护频带，以减少各路信号的相互干扰。

频分多路复用的方法源于传统模拟电话系统，下面介绍电话系统中的频分多路复用方式。现在一路标准模拟话音信号的频率范围是300～3400Hz，高于3400Hz和低于300Hz的频率分量都将被过滤掉。为了进行频分多路复用，我们将信号调制到不同的频段，这样就形成了一个带宽为12kHz的频分多路复用信号，如图2-40所示。

在图2-40给出的例子中，一路标准话音信号的带宽约为3kHz，但是真正分配给话音信号的信道带宽一般是4kHz左右，其中多出来的约1kHz作为保护带宽，每边约占500Hz。多路复用后，各路话音信号占用主干信道不同的频段，但多路复用后的信号到达接收端后，接收端通过滤波器将各路话音信号区分开，再将各路话音信号解调至原始的频率范围。

2.5.2 波分多路复用

早期的光纤传输系统主要以单一波长的光信号经光调制后来传送电复用信号，也就是说光纤系统是以电时分复用-光数字传输方式来进行多路复用的。这里的光纤传输系统实际上仅起到数字传输信道的作用。若能在光传输系统中借助光复用器对多个不同波长的光信号进行波分复用，则相当于在同一根光纤中增加了数字信道的个数，从而使整个传输容量在原有基础上成倍增加。这种利用光波长的划分来实现在同一光纤内同时传送多个光信号的方式就是波分复用技术。

在光纤信道上使用波分多路复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）的主要原理与FDM相同，即根据每一信道光波的频率（或波长）的不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由波分复用器（分波器）将这些不同波长的光信号分开的复用方式。图2-41所示即为一种在光纤上获得WDM的简单方法。在这种方法中，三根光纤连到一个棱柱或衍射光栅，每根光纤里的光波处于不同的波段上，这样两束光通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上，到达目的地后，再将三束光分解开来。与FDM不同的是，在WDM中使用的衍射光栅是无源的，因此可靠性非常高。

波分多路复用技术通常有3种复用方式，即1310nm和1550nm波长的波分多路复用、稀疏波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）。第一种方式，即波分多路复用方式是指一根光纤上复用两路光载波信号，是20世纪70年代初使用的两波长（1310nm和1550nm）波分复用方法，即利用WDM技术实现单纤双窗口传输。稀疏波分多路复用（大波长间隔）技术使用1200～1700nm的宽窗口光波，相邻光信道的间距一般大于等于20nm，其波长数目一般为4波或8波，最多16波。由于CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却，在成本、功耗要求和设备尺寸方面，CWDM系统比DWDM系统更有优势。它适合在地理范围不是特别大、数据业务发展不是非常快的城市使用。

密集波分多路复用技术是在一根光纤上一个窗口内同时传输多个波长的光波，波长间隔较小（一般小于等于1.6nm），可在一根光纤上承载8～160个波长的光信号，故称为密集波分多路复用，如图2-42所示。采用DWDM技术，单根光纤可以传输的数据流量高达40Gbit/s，但一段距离后需要对衰减的光信号放大；若采用掺铒光纤放大器，则通常每隔120km就需要放大；若采用光电中继器，则每隔35km就需要放大。目前DWDM已经在实际组网中得到应用，主要用于长距离传输系统，其实验室技术水平已经达到1000Gbit/s的数量级。

2.5.3 时分多路复用

时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）是指将多路信号按一定的时间间隔相间传送，实现在一条传输线上分时片传送多路信号。与FDM相比，TDM更适合复用数字信号。在一个共享信道上，数字信号（或经数字化后的模拟信号），通过在时间上交错发送每一信号流的一部分（一比特、一个字符或更大的数据块）来实现多路复用功能。实现TDM的一个基本条件是：共享信道的传输容量应大于各数字信号流总的数据传输速率。也就是说，能够用于时分多路复用的数字信号之间要有一定时间的空隙。正是利用这种空隙时间，共享的信道可以用来传输其他信号流的比特数据，从而实现时分多路复用功能。基本的TDM是同步时分多路复用技术，如果采用较复杂的措施来改善同步时分复用的性能，就成为统计时分多路复用（Statistical Time Division Multiplexing，STDM）。

TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也相同，即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各路信号源的传输定时是同步的，如图2-43所示。

TDM与FDM在原理上的差别很明显。TDM适用于数字信号，而FDM适用于模拟信号；TDM在时域上各路信号是分割开的，但在频域上各路信号是混叠在一起的，而FDM在频域上各路信号是分割开的，但在时域上各路信号是混叠在一起的；TDM信号的形成和分离都可通过数字电路实现，比FDM信号使用调制解调器和滤波器实现要简单得多。

1.T1和E1

在介绍T1多路复用和E1多路复用之前，先简单介绍一下关于对模拟话音信号进行数字化的技术，即PCM的原理。对于带宽为4kHz的话音信号，只需要对话音信号每秒采样8000次，假设每次采样用8比特二进制进行编码，因此一路PCM数字话音所产生的数据速率为8比特/采样×8000采样/秒，即64kbit/s。

在数字电话系统中，为了有效利用传输线路，通常将许多个话路的PCM信号用TDM的方法装成时分多路复用帧，然后再将其送往线路上一帧接一帧地传输，这称为时分多路复用，这一技术在国际上已经建立了标准，称为数字复接系列。数字复接系列形成的原则是先把一定路数的数字电话信号复合成一个标准的数据流，该数据流被称为一次群；然后用数字复接技术将一次群复合成更高速的数据信号。在数据复接系列中，按传输速率的不同分为一次群、二次群、三次群和四次群等，每一种群路均可传送各种数字信号。

国际上通用的PCM编码有A律和μ律两种标准，其编码规则与帧结构均不相同，由于采样频率为8kHz，因此采样周期即每帧的时间长度为125μs，一帧周期内的时隙安排称为帧结构。我国及欧洲采用的是A律30路PCM，即E1标准，速率是2.048Mbit/s，美国采用的是μ律24路PCM，即T1标准，速率是1.544Mbit/s。

E1标准是30路话音数据加1路同步数据和1路信令数据多路复用成一条2.048Mbit/s的E1线路。图2-44给出了E1线路的帧格式。

在A律PCM一次群中，E1的一个时分复用帧（其长度T=125μs）共划分为32个相等的路时隙，如图2-44a所示，时隙的编号为CH ₀ ～CH ₃₁ ，其中CH ₁ ～CH ₁₅ 用来传送第1～15路电话信号的编码码组，CH ₁₇ ～CH ₃₁ 用来传送第16～30路电话信号的编码码组，时隙CH ₀ 用作帧同步用，时隙CH ₁₆ 用来传送话路信令（如用户的拨号信令）。可供用户使用的话路是时隙CH ₁ ～CH ₁₅ 和CH ₁₇ ～CH ₃₁ ，共30个时隙用作30个话路。每个时隙传送8bit，32个时隙共用256bit，每秒传送8000帧，因此PCM一次群E1的数据率就是2.048Mbit/s。

在图2-44c中，E1传输线路两端同步旋转的开关表示：32个时隙中比特的发送和接收必须和时隙编号相对应，不能弄乱。另外，如图2-44b所示，帧同步码组为×0011011，它是偶数帧中插入时隙CH ₀ 的固定码组，接收端识别出帧同步码组后，即可建立正确的路序。其中第一位码“×”保留用作国际电话间通信。在奇数帧中，时隙CH ₀ 的第2位固定为1，以避免接收端错误识别为帧同步码组。奇数帧CH ₀ 的第3位A ₁ 是帧失步对告码，本地帧同步时A ₁ =0，失步时A ₁ =1，通告对方终端机。时隙CH ₁₆ 传送话路信令，话路信令是根据电话交换需要而编成的特定码组，用以传送占用、摘挂机、交换机故障等信息。由于话路信令是慢变化的信号，因此可以用较低速率的码组表示。将16帧组成一个复帧，复帧的重复频率为50Hz，周期为2ms。复帧中各帧顺序编号为F ₀ , F ₁ , …, F ₁₅ 。F ₀ 的时隙CH ₁₆ 前4位码用来传送帧同步的码组0000，后4位中的A ₂ 码为复帧失步对告码。F ₁ ～F ₁₅ 的时隙CH ₁₆ 用来传送各话路的信令，CH ₁₆ 的8位码又可分为前4位和后4位，可分别传送2个话路的信令。

北美使用的μ律T1系统中共有24个话路通道，采用T1传输格式，每个话路占用8bit（取样脉冲为7bit编码，再加1位信令码元）；帧同步码是在24路编码后加上1bit，每帧长度共有193bit，如图2-45所示。因此T1一次群的数据率为（8×24+1）/125=1.544Mbit/s。

2.准同步数字系列

当需要有更高的数据传输率时，可以采用数字复接技术将一次群复合成更高速的数据信号。例如，4个一次群可构成一个二次群，因为复用后还需要有一些同步码元，所以一个二次群的数据传输率要比4个一次群的数据传输率的总和还要高。在发送端，完成复接功能的设备，被称为数字复接器；在接收端，将复合数字信号分离成各支路信号的设备，被称为数字分解器。一般来说，数字复接器在各支路数字信号复接之前需要进行码速调整，即对各输入支路数字信号进行频率和相位调整，使其各支路输入码流速率彼此同步并与复接器的定时信号同步后，复接器方可将低次群码流复接成高次群码流。也就是说，被复接的各支路数字信号彼此之间必须同步并与复接器的定时信号同步方可复接。根据此条件划分的复接方式可分为同步复接、准同步复接、异步复接三种。

同步复接是指被复接的各输入支路之间以及同复接器之间均是同步的，此时复接器便可直接将低支路数字信号复接成高速的数字信号，而无须进行码速调整。准同步复接是指被复接的各输入支路之间不同步，并且与复接器的定时信号也不同步，但是各输入支路的标称速率相同，与复接器要求的标称速率也相同（速率的变化范围在规定的容差范围内，一次群为2048kbit/s±50ppm，二次群为8448kbit/s±30ppm，1ppm=10 ^-6 ），但由于仍不满足复接条件，因此复接之前还需要进行码速调整，使之满足复接条件再进行复接。异步复接是指被复接的各输入支路之间以及与复接器的定时信号之间均是异步的，其频率变化范围不在允许的变化范围之内，也不满足复接条件，因此必须进行码速调整方可进行复接。

绝大多数国家将低次群复接成高次群时都采用准同步复接方式（通常在四次群以下）。这种复接方式的最大特点是各支路具有自己的时钟信号，其灵活性较强。码速调整单元电路不太复杂，而异步复接的码速调整单元电路却复杂得多，要适应码速大范围的变化，需要大量的存储器方能满足要求。同步复接目前用于高速大容量的同步数字系列。

准同步复接技术又称为准同步数字系列（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH），PDH也有A律和μ律两套标准。A律是以E1 2.048Mbit/s为一次群的数字系列，μ律是以T1 1.544Mbit/s为一次群的数字系列，这两种速率的数字复接等级如图2-46所示。日本的一次群用T1，但自己另有一套高次群的标准。

从技术上来说，A律系列体制上比较单一和完善，复接性能较好，而且CCITT规定，当两种系列互连时，由μ律系列的设备负责转换。由于历史的原因，PDH系统具有很多弱点，如PDH只有地区标准，没有国际标准，如表2-4所示，造成国际互通的困难。没有统一的标准光接口规范，各厂商开发的专用光接口无法在光路上互通，需要通过光/电转换成标准电接口才能互通，灵活性较差，网络复杂且PDH网络的运行、管理和维护主要靠人工操作，费用和成本过高。

3.同步数字系列SDH

同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）是当今世界通信领域在传输技术方面的发展热点，它是一个将复接、线路传输及交换功能结合在一起并由统一网络管理系统进行管理操作的综合宽带信息网，是实现高效、智能化、维护功能完善、操作管理灵活的现代电信网的基础，是当今信息高速公路的重要组成部分。

SDH的基本概念最早由美国贝尔通信研究所提出，称为同步光纤网SONET，1986年确定为美国标准。制定SONET标准的最初目的是消除光接口之间的互不兼容，实现标准统一化，便于各厂商设备在光路上互通。与此同时，欧洲和日本也提出了自己的方案。随着光纤通信的发展，四次群速率已不能满足大容量高速传输的要求，1988年CCITT（现为ITU-T）综合了各国方案，在SONET的基础上推出了正式标准，确定四次群以上在复接时采用同步复接技术，最终形成了同步数字系列。

SDH的操作基本上与SONET相同，SONET是一个信令层次，是建立在呼叫同步传输（STS）的基础信令结构上的，STS也称为光载波（OC）信令。STS-1/OC-1的信令速率为51.84Mbit/s，SDH速率基础与SONET相同，差别是SDH的第一级基本模块信号速率为155.52Mbit/s，记作STM-1，等效于STS-3C/OC-3C，基本度量单位叫作同步传输模块（STM）。4个STM-1按同步复接得到STM-4，速率为622.08Mbit/s，等效于STS-12C/OC-12C。更高等级的STM -N 信号是基本模块STM-1的同步复用，其中 N 为整数，目前SDH只能支持1、4、16、64等几个等级，如表2-5所示。

SDH的基本思想是通过物理传输网（主要是光纤）进行同步信号复用和传送适配有效负载（payload），它具有世界统一的网络节点接口（NNI）规范，使E ₁ /T ₁ 两大数字体系在STM-1等级上获得统一。SDH采用同步复用方式和灵活的复用映射结构，只需使用软件就可使高速信号一次直接分插出低速光路信号，即一步复用，简化了操作，同时利用同步分插功能可形成自愈环形网，提高了网络的可靠性和安全性，并且SDH与现有网络完全兼容，能容纳各种新业务信号，如光纤分布式数据接口（FDDI）信号、分布式队列双总线（DQDB）信号和宽带B-ISDN、ATM信号等。

SDH的帧结构如图2-47所示。它采用了一种以字节结构为基础的矩形帧结构，由270× N 列和9行字节组成，每字节为8bit。STM-1的帧长度为270×9×8=19440bit，即2430个字节，每秒8000帧，故STM-1的速率为19440bit×8000帧/s=155.52Mbit/s。SDH帧结构主要由段开销、信息净负荷和管理单元指针组成。其中，段开销主要用于网络运行、管理和维护目的；信息净负荷用于传送通信业务信息；管理单元指针是一组编码，其值大小表示信息在净负荷区所处的位置，调整指针就是调整净负荷包封和STM -N 帧之间的频率和相位，以便在接收端正确地分解出支路信号。

SDH网络中基本的网元有终端复用器（TM）、再生中继器（REG）、分插复用器（ADM）和数字交换连接设备（DXC）等，图2-48给出了SDH网络的典型应用形式。

2.5.4 统计时分多路复用

在同步时分多路复用技术中，因为输入信号源与它所使用的时隙之间的关系是预先排定的，每个输入源不管其状态如何（空闲或发送），都分配有一个时隙，扫描器按固定时序对输入源的缓冲存储器进行扫描；并不是每个终端缓冲器在扫描到它的时刻都有数据传送，若某个输入源没有信息发送，但相应的时隙仍然被它占据着，一帧中许多空白的时隙因没有数据传送而被白白浪费掉了，于是产生了可以智能动态地给输入端分配时隙的统计时分多路复用（Statistical TDM，STDM）技术。

在STDM中，我们可以设计有 N 个输入/输出端但是只有 K 个（ K ＜ N ）时隙的时分多路复用器，使时隙和输入线之间的关系不再是固定的，多路器在扫描输入缓冲存储器时，只把时隙分配给要发送数据的输入端，不分配给空闲的输入端，如图2-49所示。由于输入/输出端和时隙之间的关系不固定，因此，在每个时隙中除了要传送数据以外，还必须携带有关输入端地址的信息，以便在接收端能正确地把数据分发到相应的缓冲存储器中去。一个时隙内的数据格式如图2-50所示。

假设有4个输入源 A 、 B 、 C 、 D ，它们在 t ₀ 、 t ₁ 、 t ₂ 、 t ₃ 时刻所产生的数据如图2-50所示，空白处表示没有数据需要传送。在同步TDM技术中，对应于4个输入源，将产生4个时隙，在 t ₀ 、 t ₁ 、 t ₂ 、 t ₃ 帧内的时隙分配情况如图2-51所示，图中有阴影的时隙表示有数据传送，空白时隙因没有数据传送而被浪费；而在统计TDM技术中，对于图2-50所示的数据待传情况，产生的各帧结构如图2-52所示。可见，在统计TDM中，对于没有数据传输的输入端不予以分配时隙，这样就不会发送空闲时隙，从而节省了传输线的时间和空间，极大地提高了线路的利用效率。

在统计TDM中，输出时隙需要携带数据和目的地址，而且数据长度和地址长度之比必须合理；在同步TDM中不需要地址，输入和输出的地址关系是对应好的；另外，统计TDM不需要同步位，干线的容量小于每个输入线路的容量之和。

2.5.5 码分多路复用

码分多路复用（Code Division Multiple，CDM）又称码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），也是一种多信息流（或多用户）共享信道的技术。CDM与FDM（频分多路复用）和TDM（时分多路复用）不同，它既共享信道的频率，也共享时间，是一种真正的动态复用技术。其原理是每比特时间被分成 m 个更短的时间槽，称为码片序列（chip sequence），通常每比特有64或128个码片。每个站点（或通道）被指定一个唯一的 m 位的代码或码片序列。当发送“1”时站点就发送码片序列，当发送“0”时就发送码片序列的反码。例如， S 站的码片序列是00011011。若 S 发送“1”，则发送序列00011011，而若 S 发送“0”，则发送序列11100100。实际操作时，按惯例约定 X _i 和 Y _i 取+1或-1， i =1, 2, …, m 。也就是说，若码片序列为（00011011），则写为（-1-1-1+1+1-1+1+1）。可以用下面的数学关系式表示。设 x =（ x ₁ , x ₂ ,…, x _N ）、 y =（ y ₁ , y ₂ ,…, y _N ）表示两个码长为 N 的码字序列，二进制码元 x _i , y _i ∈（+1，-1）， i =1, 2,…, N ，则定义两个码字序列的互相关系数为两个码字的内积除 N ：

由上述定义可知，互相关系数-1≤ ρ （ x , y ）≤+1。如果互相关系数 ρ （ x , y ）=0，则称两个码字序列 x 和 y 正交；如果互相关系数 ρ （ x , y ）≈0，则称两个码字序列 x 和 y 准正交；如果互相关系数 ρ （ x , y ）＜0，则称两个码字序列 x 和 y 超正交。例如，（1 1 1 1）、（1 1-1-1）、（1-1-1 1）、（1-1 1-1）两两正交，即两两互相关系数为0，是正交码，波形如图2-53所示。

当两个或多个站点同时发送信号时，为了从信道中分离出各路信号，要求每一个站点分配的码片序列与其他所有站点分配的码片序列必须正交，即不同站点的码片互相关系数（码片向量内积）要求为0。不仅如此，一个站点的码片序列与其他站点的码片反码的内积也要求为0，一个站点的码片序列与自己的码片序列的内积为1，一个站点的码片序列与自己的码片序列反码的内积为-1。这样，接收站点就可以根据发送站点（假设 S 站点）的码片序列，将所收到的其他站点的信号过滤掉，只正确识别和接收发送站点（ S 站点）的信号。

CDM实现原理如图2-54所示，发送端利用一组正交的码片序列（如沃尔什函数或伪随机序列）作为载波信号来分别携带不同的各路数据信号（调制，即向量内积）而完成多路复用，如果接收站点知道其站点的码片序列（正交码字），就可通过相关计算将各路信号分开。在图2-54中：

上式中， N 为正交码字的位数， k 为输入端数， w _i 为正交码字。例如，如果 k =2、 d ₁ =1、 w ₁ =1111、 d ₂ =0、 w ₂ =1100，则：

由上可知，CDM是一种根据不同码型来分割共享信道的方式。由于在接收时，CDM系统根据序列的自相关函数与互相关函数值的差异，即功率的大小不同，来分解恢复各路基带信号，因此实际上可以将CDM看作是以功率分隔方式来实现多路复用的。

码分多路复用技术主要用于无线通信系统，特别是第三代移动通信系统。它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性并减少干扰对通信的影响，而且可以增大通信系统的容量。

例如，在CDMA数字蜂窝移动通信系统中，由于发送端是以直接序列扩频方式实现码分复用的，即采用伪随机码进行扩频调制，使原数据信号的带宽被扩展，因此信道中传输的是平均功率密度谱很低的宽带信号，它不仅具有低可检性，能与其他系统共用频带而互不干扰，而且能抗频率选择性衰落和多径干扰。此外，该系统接收端解扩频时采用的相关处理方法能把有用的宽带信号变成窄带信号，同时把无用的窄带干扰信号变成宽带信号。这样，借助窄带滤波技术可以抑制绝大部分噪声，从而大大提高信噪比。CDMA系统的这些优点可用来解决在频谱资源日益缺乏的状况下进一步扩大容量和提高抗干扰能力等一系列问题，使其具有更强的竞争力。 n09wugF4pgJ0C2ekuiBkNUn0MPJwTSAQ7sqhN4bh8JTamJZiVMyMPWwnZ3JNnjAU