多路復(fù)用技術(shù)

頻分多路復(fù)用技術(shù)FDM(Frequency Division Multiplexing)。

頻分多路復(fù)用利用通信線路的可用帶寬超過了給定的帶寬這一優(yōu)點(diǎn)。頻分多路復(fù)用的基本原理是:如果每路信號以不同的載波頻率進(jìn)行調(diào)制，而且各個載波頻率是完全獨(dú)立的，即各個信道所占用的頻帶不相互重疊，相鄰信道之間用"警戒頻帶"隔離，那么每個信道就能獨(dú)立地傳輸一路信號。

頻分多路復(fù)用的主要特點(diǎn)是，信號被劃分成若干通道(頻道，波段)，每個通道互不重疊，獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。每個載波信號形成一個不重疊、相互隔離(不連續(xù))的頻帶。接收端通過帶通濾波器來分離信號。頻分多路復(fù)用在無線電廣播和電視領(lǐng)域中的應(yīng)用較多。ADSL也是一個典型的頻分多路復(fù)用。ADSL用頻分多路復(fù)用的方法，在PSTN使用雙絞線上劃分出三個頻段:0~4kHz用來傳送傳統(tǒng)的語音信號;20~50kHz用來傳送計(jì)算機(jī)上載的數(shù)據(jù)信息;150~500kHz或140~1100kHz用來傳送從服務(wù)器上下載的數(shù)據(jù)信息。

時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)TDM(Time Division Multiplexing)

時(shí)分多路復(fù)用是以信道傳輸時(shí)間作為分割對象，通過為多個信道分配互不重疊的時(shí)間片段的方法來實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。時(shí)分多路復(fù)用將用于傳輸?shù)臅r(shí)間劃分為若干個時(shí)間片段，每個用戶分得一個時(shí)間片。時(shí)分多路復(fù)用通信，是各路信號在同一信道上占有不同時(shí)間片進(jìn)行通信。由抽樣理論可知，抽樣的一個重要作用，是將時(shí)間上連續(xù)的信號變成時(shí)間上的離散信號，其在信道上占用時(shí)間的有限性，為多路信號沿同一信道傳輸提供條件。具體說就是把時(shí)間分成一些均勻的時(shí)間片，通過同步(固定分配)或統(tǒng)計(jì)(動態(tài)分配)的方式，將各路信號的傳輸時(shí)間配分在不同的時(shí)間片，以達(dá)到互相分開，互不干擾的目的。

至2011年9月，應(yīng)用最廣泛的時(shí)分多路復(fù)用是貝爾系統(tǒng)的T1載波。T1載波是將24路音頻信道復(fù)用在一條通信線路上，每路音頻信號在送到多路復(fù)用器之前，要通過一個脈沖編碼調(diào)制編碼器，編碼器每秒抽樣8000次。24路信號的每一路，輪流將一個字節(jié)插入到幀中，每個字節(jié)的長度為8位，其中7位是數(shù)據(jù)位，1位用于信道控制。每幀由24×8=192位組成，附加1bit作為幀的開始標(biāo)志位，所以每幀共有193bit。由于發(fā)送一幀需要125ms，一秒鐘可以發(fā)送8000幀。因此T1載波數(shù)據(jù)傳輸速率為:

193bit×8000=1544000bps=1544Kbps=1.544Mbps

波分多路復(fù)用技術(shù)WDM(Wavelength Division Multiplexing)

波分復(fù)用用同一根光纖內(nèi)傳輸多路不用波長的光信號，以提高單根光纖的傳輸能力。因?yàn)楣馔ㄐ诺墓庠丛诠馔ㄐ诺?quot;窗口"上只占用了很窄的一部分，還有很大的范圍沒有利用。

也可以這樣認(rèn)為WDM是FDM應(yīng)用于光纖信道的一個變例。如果讓不用波長的光信號在同一根光纖上傳輸而互不干擾，利用多個波長適當(dāng)錯開的光源同時(shí)在一根光纖上傳送各自攜帶的信息，就可以增加所傳輸?shù)男畔⑷萘?。由于是用不同的波長傳送各自的信息，因此即使在同一根光纖上也不會相互干擾。在接收端轉(zhuǎn)換成電信號時(shí)，可以獨(dú)立地保持每個不同波長的光源所傳送的信息。這種方式就叫做"波分復(fù)用"。

如果將一系列載有信息的不同波長的光載波，在光領(lǐng)域內(nèi)以1至幾百納米的波長間隔合在一起沿單根光纖傳輸，在接收器再一一定的方法，將各個不同波長的光載波分開。在光纖上的工作窗口上安排100個波長不同的光源，同時(shí)在一根光纖上傳送各自攜帶的信息，就能使光纖通信系統(tǒng)的容量提高100倍。

碼分多址技術(shù)CDMA(Code Division Multiple Access)

碼分多址是采用地址碼和時(shí)間、頻率共同區(qū)分信道的方式。CDMA的特征是個每個用戶有特定的地址碼，而地址碼之間相互具有正交性，因此各用戶信息的發(fā)射信號在頻率、時(shí)間和空間上都可能重疊，從而使用有限的頻率資源得到利用。

CDMA是在擴(kuò)頻技術(shù)上發(fā)展起來的無線通信技術(shù)，即將需要傳送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)，從一個帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端也使用完全相同的偽隨機(jī)碼，對接受的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。

不同的移動臺(或手機(jī))可以使用同一個頻率，但是每個移動臺(或手機(jī))都被分配帶有一個獨(dú)特的"碼序列"，該序列碼與所有別的"序列碼"都不相同，因?yàn)槭强坎煌?quot;碼序列"來區(qū)分不同的移動臺(或手機(jī))，所以各個用戶相互之間也沒有干擾從而達(dá)到了多路復(fù)用的目的。

空分多址技術(shù)SDMA(Space Division Multiple Access)

這種技術(shù)是將空間分割構(gòu)成不同的信道，從而實(shí)現(xiàn)頻率的重復(fù)使用，達(dá)到信道增容的目的。舉例來說，在一個衛(wèi)星上使用多個天線，各個天線的波束射向地球表面的不同區(qū)域地面上不同區(qū)域的地球站，他們在同一時(shí)間，即使用相同的頻率進(jìn)行工作，它們之間也不會形成干擾。SDMA系統(tǒng)的處理程序如下:

1、系統(tǒng)將首先對來自所有天線中的信號進(jìn)行快照或取樣，然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并存儲在內(nèi)存中。

2、計(jì)算機(jī)中的SDMA處理器將立即分析樣本，對無線環(huán)境進(jìn)行評估，確認(rèn)用戶、干擾源及所在的位置。

3、處理器對天線信號的組合方式進(jìn)行計(jì)算，力爭最佳地恢復(fù)用戶的信號。借助這種策略，每位用戶的信號接收質(zhì)量將提高，而其他用戶的信號或干擾信號則會遭到屏蔽。

4、系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，使天線陣列可以有選擇地向空間發(fā)送信號。再次在此基礎(chǔ)上，每位用戶的信號都可以通過單獨(dú)的通信信道空間-空間信道實(shí)現(xiàn)高效的傳輸。

5、在上述處理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)就能夠在每條空間信道上發(fā)送和接受信號，從而使這些信號稱為雙向信道。

利用上述流程，SDMA系統(tǒng)就能夠在一條普通信道上創(chuàng)建大量的頻分、時(shí)分或碼分雙向空間信道，沒一條信道扣可以完全活的整個陣列的增益和抗干擾功能。從理論上而言，帶m個單元的陣列能夠在每條普通行道上支持m條空間信道。但在實(shí)際應(yīng)用中支持的信道數(shù)量將略低于這個數(shù)目，具體情況則取決于環(huán)境。由此可見，SDMA系統(tǒng)可使系統(tǒng)容量成倍增加，使得系統(tǒng)在有限的頻譜內(nèi)可以支持更多的用戶，從而成倍的提高頻譜使用效率。

自2011年9月，近幾十年來，無線通信經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字，從固定到移動的重大變革。而就移動通信而言，為了更有效地利用有限的無線頻率資源，時(shí)分多址技術(shù)(TDMA)、頻分多址技術(shù)(FDMA)、碼分多址技術(shù)(CDMA)得到了廣泛的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上建立了GSM和CDMA(是區(qū)別于3G的窄帶CDMA)兩大主要的移動通信網(wǎng)絡(luò)。就技術(shù)而言，現(xiàn)有的這三種多址技術(shù)已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用，頻譜的使用效率已經(jīng)發(fā)揮到了極限?？辗侄嘀芳夹g(shù)(SDMA)則突破了傳統(tǒng)的三維思維模式，在傳統(tǒng)的三維技術(shù)的基礎(chǔ)上，在第四維空間上極大地拓寬了頻譜的使用方式，使用移動用戶僅僅由于空間位置的不同而復(fù)用同一個傳統(tǒng)的物理信道稱為可能，并將移動通信技術(shù)引入了一個更為嶄新的領(lǐng)域。

FDM、TDM、WDM、CDMA的基本原理

頻分多路復(fù)用的基本原理是在一條通信線路上設(shè)置多個信道，每路信道的信號以不同的載波頻率進(jìn)行調(diào)制，各路信道的載波頻率互不重疊，這樣一條通信線路就可以同時(shí)傳輸多路信號。

時(shí)分多路復(fù)用是以信道傳輸時(shí)間作為分割對象，通過多個信道分配互不重疊的時(shí)間片的方法來實(shí)現(xiàn)，因此時(shí)分多路復(fù)用更適用于數(shù)字信號的傳輸。它又分為同步時(shí)分多路復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用。

波分多路復(fù)用是光的頻分多路復(fù)用，它是在光學(xué)系統(tǒng)中利用衍射光柵來實(shí)現(xiàn)多路不同頻率光波信號的合成與分解。

碼分多路復(fù)用也是一種共享信道的方法,每個用戶可在同一時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信,但使用的是基于碼型的分割信道的方法,即每個用戶分配一個地址碼,各個碼型互不重又疊,通信各方之間不會相互干擾,且抗干擾能力強(qiáng).碼分多路復(fù)用技術(shù)主要用于無線通信系統(tǒng),特別是移動通信系統(tǒng).它不僅可以提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皽p少干擾對通信的影響,而且增大了通信系統(tǒng)的容量.筆記本電腦或個人數(shù)字助理(Personal Data Assistant, PDA) 以及掌上電腦(Handed Personal COmputer,HPC)等移動性計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信就是使用了這種技術(shù)。

我們平時(shí)上網(wǎng)最常用的電話線就采取了多路復(fù)用技術(shù)，所以你在上網(wǎng)的時(shí)候，家人也可以打電話了。

多路復(fù)用最常用的兩個設(shè)備是:

在發(fā)送端根據(jù)約定規(guī)則把多個低帶寬信號復(fù)合成一個高帶寬信號;

根據(jù)約定規(guī)則再把高帶寬信號分解為多個低帶寬信號。這兩種設(shè)備統(tǒng)稱為多路器(MUX)。

常見的多路復(fù)用技術(shù)包括頻分多路復(fù)用(FDM)、時(shí)分多路復(fù)用(TDM)、波分多路復(fù)用(WDM)和碼分多路復(fù)用(CDMA)其中時(shí)分多路復(fù)用又包括同步時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用。.

一是通信工程中用于通信線路架設(shè)的費(fèi)用相當(dāng)高，需要充分利用通信線路的容量;二是網(wǎng)絡(luò)中傳輸介質(zhì)的傳輸容量都會超過單一信道傳輸?shù)耐ㄐ帕?，為了充分利用傳輸介質(zhì)的帶寬，需要在一條物理線路上建立多條通信信道。

前言

第1章 概述

1.1 現(xiàn)場總線的基本概念

1.2 現(xiàn)場總線的特點(diǎn)

1.3 現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀

1.4 現(xiàn)場總線的未來

習(xí)題

第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1 通信模型

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

2.3 傳輸媒體

2.4 傳輸數(shù)據(jù)編碼

2.5 數(shù)據(jù)通信接口

2.6 差錯檢測與校正

2.7 多路復(fù)用技術(shù)

習(xí)題

第3章 現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)

3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述

3.2 開放系統(tǒng)互連參考模型中的若干重要概念

3.3 現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的建立及特點(diǎn)

3.4 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

習(xí)題

第4章 媒體訪問控制技術(shù)

4.1 媒體訪問控制技術(shù)概述

4.2 集中控制型受控訪問方法

4.3 ALOHA隨機(jī)訪問方法

4.4 CSMA隨機(jī)訪問方法

4.5 物理環(huán)訪問方法

4.6 令牌總線訪問方法

習(xí)題

第5章 輸入輸出位傳輸現(xiàn)場總線

第6章 設(shè)備現(xiàn)場總線

第7章 狹義現(xiàn)場總線

第8章 工業(yè)以太網(wǎng)

第9章 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與集成

參考文獻(xiàn)

附錄A 排隊(duì)系統(tǒng)基礎(chǔ)

附錄B IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)

附錄C CAPL語言簡介