通信原理课频分复用与时分复用.pptx
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1、第第4 4章章 频分复用与时分复用频分复用与时分复用4.1 引言4.2 频分复用(FDM)4.3 时分复用(TDM)第1页,共61页第1页/共61页4 4.1.1 引言引言n目的:在一条链路上传输多路独立信号n分类:3种多路复用基本方法:u频分复用(FDM)u时分复用(TDM)u码分复用(CDM)n3种多路复用新方法:空分复用(SDW)、波分复用(WDM)、极化波复用(PWDM)n复用的目的和分类第2页,共61页第2页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.1频分复用原理所谓频分复用(Frequency Division Multiplexing-FDM)是指按照频
2、率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中,信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段,每路信号占用其中一个频段,因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开,从而恢复出所需要的信号。第3页,共61页第3页/共61页图4-1 频分复用系统组成原理图4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.1频分复用原理第4页,共61页第4页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.1频分复用原理如图 4-1所示,各路基带信号首先通过低通滤波器(LPF)限制基带信号的带宽,避免它们的频谱出现相互混叠。然后,各路信号分别对各自的载波进行调制、合成后送入信道传输。在接收端
3、,分别采用不同中心频率的带通滤波器分离出各路已调信号,解调后恢复出基带信号。第5页,共61页第5页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.1频分复用原理频分复用是利用各路信号在频率域不相互重叠来区分的。若相邻信号之间产生相互干扰,将会使输出信号产生失真。为了防止相邻信号之间产生相互干扰,应合理选择载波频率c1,c2,cn,并使各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔。若基带信号是模拟信号,则调制方式可以是DSB-SC、AM、SSB、VSB或FM等,其中SSB方式频带利用率最高。第6页,共61页第6页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.1
4、频分复用原理若基带信号是数字信号,则调制方式可以是ASK、FSK、PSK等各种数字调制。复用信号的频谱结构示意图如图4-2所示。图 42 复用信号的频谱结构示意图第7页,共61页第7页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.1频分复用原理频分多路复用广泛应用于长途载波电话、立体声调频、电视广播和空间遥测等方面。第8页,共61页第8页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.2 载波电话多路复用系统目前,多路载波电话系统是按照ITU建议,采用单边带调制频分复用方式。北美多路载波电话系统的典型组成如图 4-3 所示。图 4-3(a)是其分层结构
5、,由12路电话复用为一个基群(Basic Group);5个基群复用为一个超群(Super Group),共60路电话;由 10 个超群复用为一个主群(Master Group),共600路电话。第9页,共61页第9页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.2 载波电话多路复用系统如果需要传输更多路电话,可以将多个主群进行复用,组成超主群。每路电话信号的频带限制在 3003400Hz,为了在各路已调信号间留有保护间隔,每路电话信号取4000 Hz作为标准带宽。第10页,共61页第10页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.2 载波电话多
6、路复用系统图 43 北美多路载波电话系统的典型组成第11页,共61页第11页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.2 载波电话多路复用系统一个基群(Basic Group)由12路电话复用组成,其频谱配置如图 4-3(c)所示。每路电话占4kHz带宽,采用单边带下边带调制(LSB),12路电话共48kHz带宽,频带范围为 60108 kHz。或采用单边带上边带调制(USB),频带范围为148 196 kHz。第12页,共61页第12页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.2 载波电话多路复用系统一个超群(Supergroup)由5个基
7、群复用组成,共60路电话,其频谱配置如图4-3(d)所示。5个基群采用单边带下边带合成,频率范围为312552kHz,共240kHz带宽。或采用单边带上边带合成,频率范围为60300kHz。第13页,共61页第13页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.2 载波电话多路复用系统一个基本主群(Basic Mastergroup)由10个超群复用组成,共600路电话。主群频率配置方式共有两种标准:L600和U600,其频谱配置如图 4-4 所示。L600的频率范围为602788kHz,U600的频率范围为5643084kHz。第14页,共61页第14页/共61页4.2
8、 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)图44 北美多路载波电话系统的典型组成第15页,共61页第15页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.3 调频立体声广播(FM Stereo Broadcasting)调频立体声广播系统占用频段为88108 MHz,采用FDM方式。在调频之前,首先采用抑制载波双边带调制将左右两个声道信号之差(L-R)与左右两个声道信号之和(L+R)实行频分复用。立体声广播信号频谱结构如图 4-5所示。图中,015 kHz用于传送(L+R)信号,2353 kHz用于传送(L-R)信号,5975 kHz用作辅助通道。第16页,共61页第16
9、页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.3 调频立体声广播(FM Stereo Broadcasting)在19 kHz处发送一个单频信号,用于接收端提取相干载波和立体声指示。调频立体声广播系统发送与接收原理图如图 4-6 所示。图 45 立体声广播信号频谱结构第17页,共61页第17页/共61页图 46 调频立体声广播系统 发送与接收原理图 (a)发送端;(b)接收端第18页,共61页第18页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.3 调频立体声广播(FM Stereo Broadcasting)由于调频广播占用频段为88-108MH
10、z,因而只能用于视距传输,多径传输和建筑物的阻挡对传输质量的影响较大,在汽车等移动物体上接收立体声调频广播时接收质量不稳定等问题尤为明显。为了解决这个问题,近年来已经开始出现调幅立体声广播,虽然其信噪比低于调频立体声广播,但受衰落影响小,传输距离远,而且接收机简单、便宜。第19页,共61页第19页/共61页4.2 4.2 频分复用频分复用(FDM(FDM)4.2.3 调频立体声广播(FM Stereo Broadcasting)频分复用的主要缺点:频分复用的主要缺点:u要求系统的非线性失真很小,否则将因非线性失真而产生要求系统的非线性失真很小,否则将因非线性失真而产生各路信号间的互相干扰;各路
11、信号间的互相干扰;u用硬件实现时,设备的生产技术较为复杂,特别是滤波器用硬件实现时,设备的生产技术较为复杂,特别是滤波器的制作和调试较繁难;的制作和调试较繁难;u成本较高。成本较高。第20页,共61页第20页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.1 时分复用原理时分复用(Time division Multiplexing-TDM)是利用各信号的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法。在FDM系统中,各信号在频域上是分开的而在时域上是混叠在一起的;在TDM系统中,各信号在时域上是分开的,而在频域上是混叠在一起的。第21页,共61页第21
12、页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.1 时分复用原理图 4-7 给出了两个基带信号进行时分复用的原理图。图中,对m1(t)和m2(t)按相同的时间周期进行采样,只要采样脉冲宽度足够窄,在两个采样值之间就会留有一定的时间空隙。图 4-7 两个基带信号时分复用原理第22页,共61页第22页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.1 时分复用原理如果另外一路信号的采样时刻在时间空隙,则两路信号的采样值在时间上将不发生重叠。在接收端只要在时间上与发送端同步,则两个信号就能分别正确恢复。上述概念也可以推广到n个信号进行时分复用。举一个简单
13、的例子,以见一般。第23页,共61页第23页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.1 时分复用原理图 4-8 给出了一个具有三个模拟信源的时分复用PCM系统原理图。首先,抽样电子开关以适当的速率交替对输入的三路基带信号分别进行自然抽样,得到TDM-PAM波形。TDM-PAM脉冲波形宽度为式中,Ts为每路信号的抽样时间间隔,满足奈奎斯特间隔。然后对PAM波形进行编码,得到TDM-PCM信号。第24页,共61页第24页/共61页图 48三 路 模 拟 信 号 的TDM-PCM系统原理图 第25页,共61页第25页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(
14、TDM)4.3.1 时分复用原理在接收端,输入的TDM-PCM信号经过译码器输出TDM-PAM波形,与发送端抽样开关相同步的接收抽样开关对输入的TDM-PAM波形同步抽样并正确分路。于是,三路信号得到分离,各分离后的PAM信号通过低通滤波器,从而恢复出发送的三路基带信号。第26页,共61页第26页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.1 时分复用原理TDMA技术广泛应用于第二代移动通信系统中。在实际应用中,综合采用FDMA和TDMA技术的,即首先将总频带划分为多个频道,再将一个频道划分为多个时隙,形成信道。例如GSM数字蜂窝标准采用200 kHz的FDMA频道,
15、并将其再分割成8个时隙,用于TDMA传输,如图4-9所示。0-12495为分界点,0-94属于移动的,96-124联通的,95一般不用.890-915MHz用于上行,935-960MHz为下行,收发间隔为45MHz.第27页,共61页第27页/共61页图49 FDMA/TDMA示意图4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.1 时分复用原理第28页,共61页第28页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.1 时分复用原理与与FDM方式相比,方式相比,TDM方式主要有以下两个突出优点:方式主要有以下两个突出优点:1.多路信号的复接和分路都是采用数字
16、处理方式实现的,通用多路信号的复接和分路都是采用数字处理方式实现的,通用性和一致性好,比性和一致性好,比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠。的模拟滤波器分路简单、可靠。2.信道的非线性会在信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真和高次谐波,系统中产生交调失真和高次谐波,引起路间串话,因此,要求信道的线性特性要好,而引起路间串话,因此,要求信道的线性特性要好,而TDM系统对信道的非线性失真要求可降低。系统对信道的非线性失真要求可降低。第29页,共61页第29页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.1 时分复用原理然而,TDM对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟
17、同步问题则提出了较高的要求。所谓同步是指接收端能正确地从数据流中识别各路信号。为此必须在每帧内加上标志信号(称为帧同步信号)。在实际通信系统中还必须传送信令以建立通信联接,如传送电话通信中的占线、摘机与挂机信号以及振铃信号等信令。上述所有信号都是时间分割,按某种固定方式排列起来,称为帧结构。第30页,共61页第30页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.1 时分复用原理在实际应用中,一般是多种多址方式的结合使用。如GSM系统中,是FDMA/TDMA的结合使用。窄带CDMA系统(IS-95)和3G中的宽带码分多址(WCDMA)中,采用的则是FDMA/CDMA方式。
18、TDSCDMA的无线传输方案灵活地综合了FDMA,TDMA和CDMA等基本传输方法。第31页,共61页第31页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.2 PCM基群帧结构目前,国际上推荐的PCM基群有两种标准,即PCM30/32路(A律压扩特性)制式和PCM24路(律压扩特性)制式。并规定,国际通信时,以A律压扩特性为标准。我国规定采用PCM30/32路制式。第32页,共61页第32页/共61页4.3 4.3 时分复用时分复用(TDM)(TDM)4.3.2 PCM基群帧结构PCM30/32路制式基群帧结构如图 4-10所示,共由32路组成,其中30路用来传输用户话
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