談通信系統(tǒng)中多路復(fù)用技術(shù)

于濤

（遼河油田通信公司，遼寧 盤錦 124010）

多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)功能：它允許發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的現(xiàn)有信道或鏈路用于同時(shí)傳遞多條消息(增加了容量)；它還允許將相關(guān)信號(hào)聚集到一個(gè)整體中，然后由系統(tǒng)作為一個(gè)信號(hào)加以處理。

多路復(fù)用確保了兩個(gè)信號(hào)不會(huì)同時(shí)占用相同的空間、頻率和時(shí)間。它的實(shí)現(xiàn)方法是：增加新的物理鏈路(空分)、多個(gè)信號(hào)共享整個(gè)帶寬的頻譜(頻分)、或者使每個(gè)用戶都有機(jī)會(huì)依次訪問(wèn)鏈路(時(shí)分)。每種技術(shù)都在安裝、成本、可靠性、檢查維修的容易程度以及可達(dá)到的性能級(jí)別等方面具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。雖然多路復(fù)用可以用于模擬和數(shù)字信號(hào)，但是時(shí)分多路復(fù)用適合于數(shù)字信號(hào)，并且這些數(shù)字信號(hào)充分利用了數(shù)字電路。

1 多路復(fù)用簡(jiǎn)介

電子信號(hào)在特定的空間區(qū)域、規(guī)定的頻帶以及在已知的時(shí)間段內(nèi)通過(guò)通信信道或鏈路。

當(dāng)這三個(gè)元素(空間、頻率和時(shí)間)對(duì)于兩個(gè)或者多個(gè)信號(hào)都相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干擾和沖突。多路復(fù)用(復(fù)用)是允許多個(gè)信號(hào)在信道中共存的一種技術(shù)，它開發(fā)了共享空間、頻率或者時(shí)間的機(jī)制。使用多路復(fù)用技術(shù)，許多信號(hào)可以共享現(xiàn)有的信道，并更充分地利用信道容量（解多路復(fù)用是相反的操作)。

使用多路復(fù)用技術(shù)有多種原因。通信系統(tǒng)可能會(huì)有多個(gè)新的單獨(dú)用戶需要在與第一個(gè)用戶相同的兩個(gè)端點(diǎn)之間發(fā)送消息，并且在它們之間安裝另一條物理電線或者建立新的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)對(duì)通常都是不現(xiàn)實(shí)的。這種情況的一個(gè)好的示例是電話中心局之間的主干信道，它攜帶有幾十路通話。使用多路復(fù)用的另一個(gè)原因是它允許將幾個(gè)不同的信號(hào)聚集在一個(gè)群中，這樣就可以在整個(gè)系統(tǒng)中從那個(gè)端點(diǎn)開始，作為單個(gè)整體來(lái)處理它們。

有三種方法可以增加從發(fā)送端點(diǎn)傳遞到接收端點(diǎn)的信息量，或者信號(hào)數(shù)。按它們發(fā)展的歷史順序，它們分別是：

(1)空分多路復(fù)用（SDM）：通過(guò)在現(xiàn)有電線的旁邊安裝新的電線，建立多個(gè)物理通道。

(2)頻分多路復(fù)用（FDM）：每個(gè)用戶信號(hào)調(diào)制整個(gè)可用帶寬中的不同的載波頻率。

(3)時(shí)分多路復(fù)用（TDM）：為每個(gè)信號(hào)分配一個(gè)“時(shí)間間隔”或者“時(shí)間片”，并且每個(gè)信有機(jī)會(huì)(按順序)使用信道鏈路和頻率。

在這三類多路復(fù)用技術(shù)中，沒有一種技術(shù)天生就比其他兩種技術(shù)好。針對(duì)一個(gè)應(yīng)用的最佳選擇取決于許多因素：可用帶寬、距離、信號(hào)數(shù)和信號(hào)類型、成本和復(fù)雜度以及可靠性。實(shí)際上，許多應(yīng)用會(huì)在它從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的鏈路中多次復(fù)用信號(hào)，并且從信號(hào)源到信號(hào)用戶的整個(gè)信號(hào)流路徑中，每個(gè)階段所使用的多路復(fù)用類型都可能是不同的。

多路復(fù)用技術(shù)允許其他信號(hào)使用信道中沒有在使用的容量 (通常是可用的潛在帶寬)，當(dāng)然會(huì)有限制。當(dāng)將更多的信號(hào)多路復(fù)用在一起時(shí)，會(huì)占用越來(lái)越多的可用帶寬。因此，對(duì)可以實(shí)現(xiàn)的多路復(fù)用數(shù)會(huì)有限制；例如，可以是一些實(shí)際的限制：?jiǎn)蝹€(gè)同軸電纜可以攜帶多少路話音信號(hào)，或者寬帶UHF頻率分配可以支持多少路電視信號(hào)。

2 數(shù)字和模擬信號(hào)多路復(fù)用

SDM、FDM和T'DM的基本定義并沒有指出被多路復(fù)用的用戶信號(hào)是模擬的還是數(shù)字的?？梢詫⒍嗦窂?fù)用技術(shù)應(yīng)用于任何一類信號(hào)(數(shù)字信號(hào)實(shí)際上是一類特殊的模擬信號(hào))。但是，在實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的實(shí)際系統(tǒng)中，被多路復(fù)用的信號(hào)類型對(duì)電路設(shè)計(jì)有著很大的影響。模擬信號(hào)的多路復(fù)用電路必須容納具有整個(gè)值范圍內(nèi)的任何一個(gè)值的信號(hào)，因此需要不會(huì)使信號(hào)失真的線性電路。數(shù)字多路復(fù)用系統(tǒng)希望信號(hào)只有有限的一組值 (在二進(jìn)制數(shù)字情況下，只有兩個(gè)值)，因此可以使用數(shù)字邏輯電路。

多路復(fù)用和調(diào)制(通信中的兩個(gè)重要元素)是相關(guān)的，但是不應(yīng)該將它們相互混淆。幅度、頻率和相位調(diào)制(AM、FM、PM)是將承載信息的信號(hào)與更高的載波頻率聯(lián)系起來(lái)的三種方法，且調(diào)制是頻分多路復(fù)用的關(guān)鍵。但是，可以在空間、頻率或者時(shí)間上多路復(fù)用已調(diào)信號(hào)；類似的，已經(jīng)多路復(fù)用的信號(hào)通?？梢允褂肁M、FM或者PM技術(shù)調(diào)制載波。多路復(fù)用在一起的調(diào)制信號(hào)中的每個(gè)信號(hào)都可以使用不同類型的調(diào)制，盡管它們常常具有相同類型的調(diào)制。沒載波頻率的未調(diào)制信號(hào)稱為基帶信號(hào)，并且那個(gè)表示方法也用于描述進(jìn)行FDM之前的信號(hào)。

3 頻分多路復(fù)用

空分多路復(fù)用所引起的電報(bào)線和站設(shè)備的擁擠導(dǎo)致人們研究開發(fā)了頻分多路復(fù)用。當(dāng)鏈路(首先是電線，然后是無(wú)線傳輸鏈路)的潛在帶寬大于鏈路上所發(fā)送的消息帶寬時(shí)，就有可能進(jìn)行FDM。因此，如果將另一個(gè)消息從基帶搬移到新的載波頻率，那么它就可以占用沒有使用的帶寬。已經(jīng)作為調(diào)制(AM、FM和PM)研究了這個(gè)操作：將承載信息的信號(hào)加在載波上，改變載波的幅度、頻率或者相位。

在FDM的最早應(yīng)用中，電報(bào)站之間的電線鏈路的帶寬大約是電報(bào)信號(hào)本身帶寬的5倍。

因此，可以同時(shí)發(fā)送5個(gè)信號(hào)：一個(gè)信號(hào)位于基帶，其他信號(hào)等間隔地分布在剩余帶寬中。當(dāng)然，現(xiàn)代同軸電纜和光纖鏈路有更寬的帶寬，因此可以發(fā)送更多的信號(hào)（22號(hào)雙絞線的帶寬大約為100kHz~1MHz，取決于電線扭曲的緊密性和間距、電線規(guī)格、絕緣性和其他因素)。

FDM并不僅僅限于電線和光纜鏈路：當(dāng)許多廣播無(wú)線電和電視臺(tái)都使用總帶寬中唯一指定的載波進(jìn)行發(fā)送以避免干擾時(shí)，就出現(xiàn)了FDM?；鶐帥]有調(diào)制信號(hào)；相反，將每個(gè)調(diào)制信號(hào)都搬移到更高且略有不同的載波頻率處，這樣就可以通過(guò)普通信道發(fā)送它們，并在接收機(jī)端分開它們。這個(gè)信道可以是大氣、真空或者電纜。

（1）FDM和群信號(hào)

FDM用于廣播無(wú)線電和電視臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)顯示：允許相互獨(dú)立的信號(hào)在不同頻率共享相同時(shí)間和空間。提供這個(gè)功能的能力是FDM的主要特性，但是還有一個(gè)特性在通信系統(tǒng)應(yīng)用中非常重要。FDM允許將多個(gè)基帶信號(hào)聚集在各個(gè)子載波附近，然后通過(guò)一次多路復(fù)用(調(diào)制)操作，在頻率上將其作為單個(gè)群或整體搬移到最后的載波值。其目的是為了使通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)電路的其他部分更加簡(jiǎn)單和更可靠，并且確保更好的性能。用戶不必單獨(dú)調(diào)諧電視信道的音頻和視頻信號(hào)，單個(gè)調(diào)諧器(當(dāng)切換時(shí))可以找到用于這個(gè)信道的6MHz寬的頻譜部分。然后，通過(guò)本振和混頻器將這個(gè)頻譜部分搬移到固定的中頻頻率、視頻和音頻信號(hào)在與指定載波有關(guān)的已知頻率處。由于最初是用精確的子載波多路復(fù)用基帶音頻和視頻信號(hào)的，所以它們一直保持那個(gè)頻率間隔(不管使用的最終發(fā)射載波頻率是多少)。

（2）FDM電路和性能

FDM電路工作在低的信號(hào)功率電平，并且只將完整的多路復(fù)用信號(hào)放大到要發(fā)送的最后功率電平。FDM系統(tǒng)是由一組具有不同載波的幅度、頻率和相位調(diào)制器組成的，所有這些調(diào)制器都是并行操作的。信道間隔是由每個(gè)調(diào)制器的載波設(shè)置的，并且調(diào)制類型是由使用的特殊調(diào)制器確定的。在將所有基帶信號(hào)調(diào)制及合并到一起之后，將多路復(fù)用的群信號(hào)放大到所需的功率電平。

在接收機(jī)端，解多路復(fù)用首先是用標(biāo)準(zhǔn)的超外差技術(shù)將多路復(fù)用的信號(hào)下變頻(如果需要)到中頻(IF)。每個(gè)多路復(fù)用信道有一個(gè)本振和一個(gè)混頻器，并且將IF帶寬設(shè)為等于調(diào)制以后的各個(gè)基帶信號(hào)的帶寬。解多路復(fù)用10個(gè)信號(hào)的接收機(jī)需要10個(gè)不同的本振（LO)和混頻器，每個(gè)LO工作在適合于它的理想信號(hào)的頻率。這個(gè)方法很有效，但是非常昂貴：設(shè)計(jì)和調(diào)整一組穩(wěn)定的LO(時(shí)間上精確且不會(huì)漂移，并且不會(huì)相互干擾而產(chǎn)生寄生頻率)非常難。

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