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1、第一部分第一部分 数据通信数据通信第八章第八章 复用技术复用技术宋娟软件学院1要点复用技术是可以使复用技术是可以使多个传输源能够共享多个传输源能够共享某某一较高的传输容量的技术一较高的传输容量的技术提高物理链路的提高物理链路的传输效率传输效率复用技术复用技术频分复用频分复用用于模拟信号用于模拟信号同步时分复用同步时分复用用于数字信号用于数字信号统计时分复用统计时分复用复用传输系统：数字用户电路复用传输系统：数字用户电路2Multiplexing vs.No Multiplexing当连接两台设备的介质的传输能力比设备间的传输需求高时，当连接两台设备的介质的传输能力比设备间的传输需求高时，当连接
2、两台设备的介质的传输能力比设备间的传输需求高时，当连接两台设备的介质的传输能力比设备间的传输需求高时，该链路可以被共享。该链路可以被共享。该链路可以被共享。该链路可以被共享。目前的同轴电缆、光缆、微波、卫星的承载能力都高于平均传目前的同轴电缆、光缆、微波、卫星的承载能力都高于平均传目前的同轴电缆、光缆、微波、卫星的承载能力都高于平均传目前的同轴电缆、光缆、微波、卫星的承载能力都高于平均传输需求输需求输需求输需求。一个高效率的系统应该最大限度的使用所有设施。一个高效率的系统应该最大限度的使用所有设施。一个高效率的系统应该最大限度的使用所有设施。一个高效率的系统应该最大限度的使用所有设施。3频分复
3、用频分复用频分复用频分复用FDMFDM：是一种模拟技术，在链路带宽大于要是一种模拟技术，在链路带宽大于要传输的所有信号带宽之和时采用，将链路的带宽划分传输的所有信号带宽之和时采用，将链路的带宽划分为若干个子频带，每个子频带传输一路信号。为若干个子频带，每个子频带传输一路信号。原始信号在接收方可正常恢复的必要条件：原始信号在接收方可正常恢复的必要条件：载波频率之间的频差能够容纳调制信号的带宽；载波频率之间的频差能够容纳调制信号的带宽；信道之间由信道之间由警戒频带警戒频带分隔以防止信号交叉；分隔以防止信号交叉；FDM4FDM复用的过程复用的过程在媒体上传输的信号是模拟信号，若是数字数据，需在媒体上
4、传输的信号是模拟信号，若是数字数据，需要通过数字调制技术转换为模拟信号要通过数字调制技术转换为模拟信号每个发送设备产生的信号通过调幅或调频技术调制在每个发送设备产生的信号通过调幅或调频技术调制在不同的载波频率上不同的载波频率上f1,f2,fn，每个被调制信号都需要具有每个被调制信号都需要具有以各自载频为中心以各自载频为中心的一定的一定的带宽，称为的带宽，称为信道信道调制后的信号再被组合成一个可以通过链路传输的复调制后的信号再被组合成一个可以通过链路传输的复合信号合信号。不同信号的频谱之间必须有一定的空隙，所以不同信号的频谱之间必须有一定的空隙，所以FDM信信号的总带宽号的总带宽BBi56Dem
5、ultiplexing多路分解：多路分解：多路分解：多路分解：多路分解器采用一系列过滤器将复合信号多路分解器采用一系列过滤器将复合信号多路分解器采用一系列过滤器将复合信号多路分解器采用一系列过滤器将复合信号分解成组成它的各个信号。分解成组成它的各个信号。分解成组成它的各个信号。分解成组成它的各个信号。每个信号随后被送往每个信号随后被送往每个信号随后被送往每个信号随后被送往解调器解调器解调器解调器，将它们与载波信号分离，将它们与载波信号分离，将它们与载波信号分离，将它们与载波信号分离并转发给等待的接收方。并转发给等待的接收方。并转发给等待的接收方。并转发给等待的接收方。7FDM例：通过一媒体通过
6、FDM传输三路话音信号8FDM例2：FDM复用系统共有5个信道，每个信道带宽为100KHz，如果每个信道之间需要10KHz的防护频带隔开，链路需要的最小带宽为多少？9模拟载波系统长途载波系统是为了传输音频信号而设计的大容量传输链路，如同轴电缆、微波系统等。在模拟载波系统中通常经过多级调制以容纳更多的信道基群包含包含4KHz4KHz的的1212路语音信道，范围从路语音信道，范围从60-108KHz60-108KHz；超群将将5 5个基群信号作为整体继续进行个基群信号作为整体继续进行FDMFDM形成，包含形成，包含6060个语音个语音信道，信号范围为信道，信号范围为312KHz-552KHz312
7、KHz-552KHz；主群主群由由1010个超群进行个超群进行FDMFDM形成，包含形成，包含600600个语音信道个语音信道10Analog Hierarchy模拟的分级结构：模拟的分级结构：模拟的分级结构：模拟的分级结构：将较低带宽线路上的信号复用到较高带宽线路将较低带宽线路上的信号复用到较高带宽线路上，上，AT&T的分级系统由群组、超群组、主群组和巨群组组成。的分级系统由群组、超群组、主群组和巨群组组成。11波分复用（WDM）将不同频率的多路光线在同一光纤上进行传输，每种波长的光都携带一个独立的数据信道也是频分复用的一种形式1997年BELL实验室实现的WDM系统，有100条速率为10G
8、bps的光束组成，总数据率为1Tbps12WDM原理：原理：原理：原理：将不同源生成的波长不同的激光线束发送到复将不同源生成的波长不同的激光线束发送到复用器上合并起来通过一条光纤传输。用器上合并起来通过一条光纤传输。光源的组合与分解由棱镜完成，棱镜可基于光的入射光源的组合与分解由棱镜完成，棱镜可基于光的入射角与频率将几束输入光角与频率将几束输入光(窄带光窄带光)合成一道光合成一道光(宽带光宽带光)。13时分复用复用的对象是数字信号或携带数字数据的模拟信号当传输媒体能够达到的数据率超出了被传输的数字信号数据率时，采用时分复用技术在不同的时间交错的传输每个信号中的一部分链路的分割是在时间上而不是在
9、频率上时分复用技术同步时分复用统计时分复用14交交错错（Interleaving）交错：交错：交错：交错：同步时分复用好像快速旋转开关，开关打开时同步时分复用好像快速旋转开关，开关打开时对应设备有机会向通路传输规定数目的数据，开关以对应设备有机会向通路传输规定数目的数据，开关以恒定速率和固定顺序在设备间轮转的过程称为交错。恒定速率和固定顺序在设备间轮转的过程称为交错。交错可用比特、字节和任何其他数据单元来进行。交错可用比特、字节和任何其他数据单元来进行。在给定系统中在给定系统中交错的单元是大小相等的交错的单元是大小相等的。同步时分复用的缺点：同步时分复用的缺点：同步时分复用的缺点：同步时分复用
10、的缺点：有有空时隙出空时隙出现。现。15同步时分复用同步时分复用：同步时分复用：同步时分复用：同步时分复用：复用器在所有时间为每个设备分配完复用器在所有时间为每个设备分配完全一样的时隙，不管该设备有没有数据要传送，而且全一样的时隙，不管该设备有没有数据要传送，而且分配给某设备的时隙在一帧中的位置是固定的。分配给某设备的时隙在一帧中的位置是固定的。1617Synchronous TDM时隙：时隙：时隙：时隙：复用器为每个数据源分配的发送时间；时隙的复用器为每个数据源分配的发送时间；时隙的长度等于发送器缓存的长度，通常为一个比特或一个长度等于发送器缓存的长度，通常为一个比特或一个字节；字节；帧：帧
11、：帧：帧：每个信号的时隙组成帧，一帧由时隙的一个完整每个信号的时隙组成帧，一帧由时隙的一个完整循环组成，包括分配给每个发送设备的一个或多个时循环组成，包括分配给每个发送设备的一个或多个时隙。隙。所有为某个数据源指定的时隙序列构成一个所有为某个数据源指定的时隙序列构成一个信道信道18TDM链路控制流量控制复用线路上的数据率是固定的，且复用器与分用器就是以此数据率工作，因此对于复用和分用器来说，不需要流量控制若某一信道设备无法接受数据，TDM的数据传输不会中止；应该由该输出设备设法中止相应输入设备的数据流；TDM相应信道上会运载一些空时隙，但整体的数据率是不变的19TDM链路控制差错控制其它信道的
12、设备不希望进行重传不会因为某信道的差错而要求重传整个TDM帧基于单信道的差错控制TDM链路控制整个TDM帧不进行链路控制TDM帧不存在首部和尾部每个信道各自进行链路控制20TDM链路控制21组帧TDM帧的帧同步很有必要若不同步，分用器就无法找准每个信道的时隙，所有信道上的数据都会丢失由于在同步时分复用中各帧内的时间片顺序不变，因而在帧头上只需要很少的额外开销，每个TDM帧增加一个控制比特，对应的时隙称为“控制信道”22脉冲填充同步TDM系统中常见问题：不同数据源的时钟不同，略有偏差可能造成同步丢失；不同数据源的数据率不同，而且可能不存在监督的比例关系解决方案：脉冲填充复用器通过在设备的源数据流
13、中插入附加的比特脉冲，来强制使各个设备之间地速度关系是整数倍的。填充脉冲被插入到复用器帧格式的固定位置上，以便分用器能够识别并删除它们2324数字载波系统采用同步TDM系统的大容量传输链路，如光纤、同轴电缆等。美国AT&T以及ITU-T标准开发了不同容量的分级TDM结构。TDM分级结构以DS-1传输格式为基础2526DS-1数字化语音数据（抽样速率为8kbps）数据率为 8000 x193=1.544Mbps每6帧中的5帧采用8bitPCM量化编码，第6帧采用7bitPCM量化编码，加一位信令比特信令比特形成网络控制信息和路由信息的信道数字数据数据率为1.544Mbps23个信道为数据信息，第
14、24是同步信息27T-1 Line模拟传输中采用的模拟传输中采用的模拟传输中采用的模拟传输中采用的T T线路线路线路线路：是为传输数字数据、语音和是为传输数字数据、语音和音频信号而设计的数字线路，但可以用在模拟传输上，音频信号而设计的数字线路，但可以用在模拟传输上，只需先采样再时分复用即可，只需先采样再时分复用即可，北美使用北美使用。可以将多条语音信道复用到一条可以将多条语音信道复用到一条T-1线路上。线路上。28DS Hierarchy数字信号业务数字信号业务数字信号业务数字信号业务：是数字是数字信号的一个分级体系下信号的一个分级体系下图显示了各级别支持的图显示了各级别支持的数据速率。数据速
15、率。29E体系的速率：基本层(E-1)：30路PCM数字电话信号，每路PCM信号的比特率为64 kb/s。由于需要加入群同步码元和信令码元等额外开销(overhead)，所以实际占用32路PCM信号的比特率。故其输出总比特率为2.048 Mb/s，此输出称为一次群信号。E-2层：4个一次群信号进行二次复用，得到二次群信号，其比特率为8.448 Mb/s。E-3层：按照同样的方法再次复用，得到比特率为34.368 Mb/s的三次群信号E-4层：比特率为139.264 Mb/s。由此可见，相邻层次群之间路数成4倍关系，但是比特率之间不是严格的4倍关系。30TS16信令偶帧TS0*1A1 1 1 1
16、 1帧同步码奇帧TS0*0 0 1 1 0 1 1话路(CH1 CH15)话路(CH16 CH30)125s16帧1复帧16帧32个时隙F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F158 bit CH30(1 bit=488.3ns)8 bit(1 bit=488.3ns)保留TS10TS12TS14TS16TS18TS9TS11TS13TS15TS17TS4TS6TS2TS0TS8TS5TS7TS3TS1TS20TS22TS28TS26TS24TS30TS19TS21TS23TS29TS27TS25TS31E体系的一次群结构31E体系的结构图 130(30路 64
17、 kb/s)一次群 2.048 Mb/s复用设备14路2.048 Mb/s二次群 8.448 Mb/s二次复用4复用设备三次群 34.368 Mb/s三次复用复用设备144路8.448 Mb/s五次复用复用设备五次群 565.148 Mb/s4路139.264 Mb/s四次群 139.264 Mb/s复用设备144路34.368 Mb/s四次复用32SONET/SDHSONET(同步光纤网络)，由贝尔通信研究所提议，形成标准SDH（同步数字系列）ITU-T国际标准规定了标准化的数字数据率分级结构SONET规定的最低频率为最低层STS-1（OC-1）51.84Mbps，SDH规定的最低频率为15
18、5.52Mbps，对应于SONET中的STS-3。可以承载DS3或以下的低速率信号多个STS-1信号可以通过TDM复用，组合形成一个STS-N信号33SONET/SDH帧格式34统计时分复用并不是所有的设备在任何时间都在传输数据!在同步时分复用中，时隙分配是固定的，即使某个发送设备不发送数据，也要占用时隙，造成多个时隙被浪费，传输效率不高;统计时分复用按需分配时隙，充分利用了数据传输的基本特性！在统计时分复用中，有n个I/O线路，只有kn个有效时隙，只要这k个时隙被填满，就发送这个TDM帧时隙不是固定的，而是动态分配的！35统计时分复用复用线路的数据率小于链接设备数据率的总和；统计复用器可以以
19、较低的数据率支持与同步复用一样多的设备；若统计复用器和同步复用器使用相同数据率的链路，那么统计复用器可以支持更多的设备a.Only three lines sending data36b.Only four lines sending datac.All five lines sending data在第二、三种情况下，如果线路速度等于输入线路速在第二、三种情况下，如果线路速度等于输入线路速度的度的3倍，则倍，则数据到达的速率数据到达的速率可能会快于可能会快于复用器将数据复用器将数据发送到链路的速率发送到链路的速率，此时需要一个，此时需要一个缓冲区缓冲区在复用器可在复用器可以发送之前缓存数据。
20、以发送之前缓存数据。37寻址统计TDM中，时隙是动态分配的，事先无法知道某个源的数据会存放在哪个时隙中需要在相应的时隙中存放数据的地址信息，告诉分用器数据的去向；地址会产生额外的开销不同的帧结构具有不同的开销，希望将额外开销降到最小，提高吞吐能力Asynchronous TDM38帧结构39性能输入的平均量低于复用线路的容量，仍然存在某些输入超过容量的尖峰时期需要在复用器中设置一个缓存，暂时保存超量的输入。线路的容量越小，所需缓存就越大，系统的时延就越大。需要在系统时延和线路速率之间找到一个折中点。40性能线路利用率为系统的负荷M为系统的总容量利用率越高，所需缓存越大，=0.8后，缓存极具升高
21、缓存和利用率之间的关系41性能时延和利用率的关系对于给定容量的链路，利用率越高，时延越大，尤其是在大于0.8时；对于不同链路，容量越大，时延越小缓存越大，溢出概率越小；利用率越高，溢出概率越大42电缆调制解调器（cable modem）利用有线电视网连接互联网设备提供两条专用信道进行数据的往返传输，一个传输方向一条；每条信道被多个用户共享，通过统计时分复用来分配信道的容量；每个用户的访问速度可达500kbps-1.5Mbps之间4344DSL数字用户线数字用户线数字用户线数字用户线DSLDSL：是一种较新的技术，使用已有电信是一种较新的技术，使用已有电信网络如本地回路的电话线去完成数据、语音、
22、视频与网络如本地回路的电话线去完成数据、语音、视频与多媒体的高速传递。多媒体的高速传递。五种：五种：非对称数字用户线非对称数字用户线ADSL高比特数字用户线高比特数字用户线HDSL单线数字用户数据线路单线数字用户数据线路SDSL甚高数据率数字用户线甚高数据率数字用户线VDSL45非对称数字用户线非对称数字用户线非对称数字用户线非对称数字用户线ADSLADSLADSLADSL：非对称，下行比上行速率高。非对称，下行比上行速率高。ADSLADSL将双绞线电缆的带宽划分成三个频带：将双绞线电缆的带宽划分成三个频带：其中语音频带只占其中语音频带只占用用4KHz4KHz，余下的做警戒带宽。，余下的做警戒
23、带宽。ADSLADSL的调制技术的调制技术的调制技术的调制技术：无载波振幅无载波振幅/相位相位CAP：与与QAM相似，但主要区别是没有载波相似，但主要区别是没有载波信号，比信号，比QAM更复杂。更复杂。离散多音调技术离散多音调技术DMT：QAM与与FDM的结合，每个方向划分为的结合，每个方向划分为4KHz信道信道,每个信道都有自己的载波频率。每个信道都有自己的载波频率。ADSL0 25 25 200 250 1000 KHz46ADSL利用普通电话线提供高速数字数据的传输非对称性：下行流量远远高于上行流量ADSL利用FDM充分利用双绞线的1MHz容量最低的25KHz用于话音传输，POTS业务，
24、保留额外的带宽用于防止话音和数据信道间的串扰上行流和下行流内部采用FDM容纳多个信道传输上行流频带和下行流频带之间或采用FDM或采用回声抵消技术回声抵消：使用自适应滤波技术从收到的信号中减去自己的回声信号，恢复对方发送的信号，使得可以在一条传输线路上同时在两个方向上传输信号4748ADSL回声抵消的好处有更多的下行流带宽位于较低的频谱区内；回声抵消设计在改变上行流容量时灵活性更大，上行流可以扩展至下行流，重叠区被扩展缺点两端都需要回声抵消装置49离散多音调（DMT）DMT在不同频率上使用多个载波信号，分成若干个信道DMT调制器在每路信道上发送测试信号，判断信噪比在信噪比高的信道上多分配一些比特
25、，信噪比低的信道上少分配一些比特5051DMTN N信道的信道的信道的信道的DMTDMT：由源产生的比特经过由源产生的比特经过串并转换器串并转换器，将，将N比特组成的数据划分成比特组成的数据划分成N条并行通路，每条通路经过条并行通路，每条通路经过QAM调制，产生调制，产生QAM信号并复用自在一条线路上发送。信号并复用自在一条线路上发送。ANSI给每条给每条4KHz信道规定速率为信道规定速率为60Kbps。上行占上行占25个信道，个信道，比特率为比特率为2560Kbps或或1.5Mbps，但由于噪声影响，这个方向的比特率在但由于噪声影响，这个方向的比特率在64Kbps 1Mbps之间。之间。下行
26、占下行占200个信道个信道，比特率为比特率为20020060Kbps60Kbps或或12Mbps12Mbps，但由于噪声影响，这个方向的比特率在但由于噪声影响，这个方向的比特率在500Kbps500Kbps 8Mbps8Mbps之间之间。5253XDSLHDSLBELL在80年代提出的HDSL采用两条双绞线，带宽只有196KHz采用2B1Q编码机制HDSL可以提供高于T1机制的传输特性，数据率可达2Mbps，传输距离可达3.7Km54xDSLSDSL（单线数字用户线路）用一条双绞线提供和HDSL一样的服务采用2B1Q编码技术采用回声抵消机制实现在一条线上完成全双工传输55xDSLVDSL非对称用户线路速率高，传输距离短正在制定当中56例题：4个模拟信号的信息经过复用后，通过电话信道传输，电话信道的通频带为4003400Hz。每个模拟基带信号的带宽限制在500Hz。设计一种通信系统，让这4个数据源能够通过电话信道传输使用频分复用57FDM58