探析數(shù)據(jù)通信中的多路復(fù)用技術(shù)及其應(yīng)用

李佳航

（國家新聞出版廣電總局西安監(jiān)測臺 陜西 710101）

0 前言

計算機網(wǎng)絡(luò)是地理上分散的多臺獨立自主的的計算機遵循約定的通信協(xié)議，通過軟、硬件互連以實現(xiàn)交互通信、資源共享、信息交換、協(xié)同工作以及在線處理等功能的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)間傳遞的信息主要是依靠數(shù)據(jù)的傳輸和交換，隨著全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和推廣，不同實體之間的數(shù)據(jù)傳輸就顯得尤為重要。為了更為有效地利用傳輸系統(tǒng)，人們希望通過同時攜帶多個信號來高效率地使用傳輸介質(zhì)，這就是多路復(fù)用技術(shù)。配置多路復(fù)用線路有許多種不同方法，多路復(fù)用器的類型也各異，常用的有頻分多路復(fù)用（FDM）、時分多路復(fù)用（TDM）、波分多路復(fù)用（WDM）、碼分多路復(fù)用（CDM）等。

1 頻分多路復(fù)用（FDM）

一般的通信系統(tǒng)的信道所能提供的帶寬往往要比傳送一路信號所需的帶寬寬得多。因此，如果一條信道只傳輸一路信號是非常浪費的。為了充分利用信道的帶寬，提出了信道的頻分復(fù)用。頻分復(fù)用就是在發(fā)送端利用不同頻率的載波將多路信號的頻譜調(diào)制到不同的頻段，以實現(xiàn)多路復(fù)用。頻分復(fù)用的多路信號在頻率上不會重疊，合并在一起通過一條信道傳輸，到達接收端后可以通過中心頻率不同的帶通濾波器彼此分離開來。

圖1是一個頻分復(fù)用系統(tǒng)的組成框圖。假設(shè)共有n路復(fù)用的信號，每路信號首先通過低通濾波器（LPF）變成頻率受限的低通信號。為簡便起見，假設(shè)各路信號的最高頻率都相等。然后，每路信號通過載頻不同的調(diào)制器進行頻譜搬移。一般來說調(diào)制的方式原則上可任意選擇，但最常用的是單邊帶調(diào)制，因為它最節(jié)省頻帶。因此，圖中的調(diào)制器由相乘器和邊帶濾波器（SBF）構(gòu)成（如圖1）。

圖1 頻分復(fù)用系統(tǒng)組成框圖

頻分復(fù)用信號原則上可以直接在信道中傳輸，但在某些應(yīng)用中，還需要對合并后的復(fù)用信號再進行一次調(diào)制。頻分復(fù)用系統(tǒng)的最大優(yōu)點是信道復(fù)用率高，容許復(fù)用的路數(shù)多，分路也很方便。因此，它成為目前模擬通信中最主要的一種復(fù)用方式。特別是在有線和微波通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。

2 時分多路復(fù)用（TDM）

時分復(fù)用（TDM）是建立在抽樣定理基礎(chǔ)上的。抽樣定理指明：滿足一定條件下，時間連續(xù)的模擬信號可以用時間上離散的抽樣脈沖值代替。因此，如果抽樣脈沖占據(jù)較短時間，在抽樣脈沖之間就留出了時間空隙，利用這種空隙便可以傳輸其它信號的抽樣值。時分復(fù)用就是利用各路信號的抽樣值在時間上占據(jù)不同的時隙，來達到在同一信道中傳輸多路信號而互不干擾的一種方法。

與頻分復(fù)用相比，時分復(fù)用具有以下的主要優(yōu)點：

（1）TDM多路信號的合路和分路都是數(shù)字電路，比FDM的模擬濾波器分路簡單、可靠。

（2）信道的非線性會在FDM系統(tǒng)中產(chǎn)生交調(diào)失真和多次諧波，引起路間干擾，因此，F(xiàn)DM對信道的非線性失真要求很高。而TDM系統(tǒng)的非線性失真要求可降低。

時分復(fù)用技術(shù)與頻分復(fù)用技術(shù)一樣，有著非常廣泛的應(yīng)用，電話就是其中最經(jīng)典的例子，此外時分復(fù)用技術(shù)在廣電也同樣取得了廣泛地應(yīng)用，如SDH，ATM，IP和HFC網(wǎng)絡(luò)中CM與CMTS的通信都是利用了時分復(fù)用的技術(shù)。

3 波分多路復(fù)用（WDM）

光通信是由光來運載信號進行傳輸?shù)姆绞?。在光通信領(lǐng)域，人們習(xí)慣按波長而不是按頻率來命名。因此，所謂的波分復(fù)用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）其本質(zhì)上也是頻分復(fù)用技術(shù)。WDM是在1根光纖上承載多個波長（信道）系統(tǒng)，將1根光纖轉(zhuǎn)換為多條”虛擬”纖，當(dāng)然每條虛擬纖獨立工作在不同波長上，這樣極大地提高了光纖的傳輸容量。由于WDM系統(tǒng)技術(shù)的經(jīng)濟性與有效性，使之成為當(dāng)前光纖通信網(wǎng)絡(luò)擴容的主要手段。波分復(fù)用技術(shù)作為一種系統(tǒng)概念，通常有3種復(fù)用方式，即1310nm和1550nm波長的波分復(fù)用、粗波分復(fù)用（CWDM，CoarseWavelengthDivisionMultiplexing）和密集波分復(fù)用（DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing）。

圖2 WDM互報傳輸系統(tǒng)示意圖

（1）1310nm和1550nm波長的波分復(fù)用這種復(fù)用技術(shù)在20世紀(jì)70年代初時僅用兩個波長：1310nm窗口一個波長，1550nm窗口一個波長，利用WDM技術(shù)實現(xiàn)單纖雙窗口傳輸，這是最初的波分復(fù)用的使用情況。

（2）粗波分復(fù)用繼在骨干網(wǎng)及長途網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用后，波分復(fù)用技術(shù)也開始在城域網(wǎng)中得到使用，主要指的是粗波分復(fù)用技術(shù)。CWDM使用1200～1700nm的寬窗口，目前主要應(yīng)用波長在1550nm的系統(tǒng)中，當(dāng)然1310nm波長的波分復(fù)用器也在研制之中。粗波分復(fù)用（大波長間隔）器相鄰信道的間距一般≥20nm，它的波長數(shù)目一般為4波或8波，最多16波。當(dāng)復(fù)用的信道數(shù)為16或者更少時，由于CWDM系統(tǒng)采用的DFB激光器不需要冷卻，在成本、功耗要求和設(shè)備尺寸方面，CWDM系統(tǒng)比DWDM系統(tǒng)更有優(yōu)勢，CWDM越來越廣泛地被業(yè)界所接受。CWDM無需選擇成本昂貴的密集波分解復(fù)用器和光纖放大器，只需采用便宜的多通道激光收發(fā)器作為中繼，因而成本大大下降。

（3）密集波分復(fù)用

密集波分復(fù)用技術(shù)（DWDM）可以承載8～160個波長，而且隨著DWDM技術(shù)的不斷發(fā)展，其分波波數(shù)的上限值仍在不斷地增長，間隔一般≤1.6nm，主要應(yīng)用于長距離傳輸系統(tǒng)。在所有的DWDM系統(tǒng)中都需要色散補償技術(shù)（克服多波長系統(tǒng)中的非線性失真--四波混頻現(xiàn)象）。在16波DWDM系統(tǒng)中，一般采用常規(guī)色散補償光纖來進行補償，而在40波DWDM系統(tǒng)中，必須采用色散斜率補償光纖補償。目前，采用DWDM技術(shù)，單根光纖可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量高達400Gbit/s，隨著廠商在每根光纖中加入更多信道，每秒太位的傳輸速度指日可待。

4 碼分多路復(fù)用（CDM）

碼分復(fù)用（CDM，CodeDivisionMultiplexing）是用一組相互正交的碼字區(qū)分信號的多路復(fù)用方法。在碼分復(fù)用中，各路信號碼元在頻譜上和時間上都是混疊的，但是代表每路信號的碼字是正交的。

碼分復(fù)用主要和各種多址技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了各種接入技術(shù)，包括無線和有線接入。例如在多址蜂窩系統(tǒng)中是以信道來區(qū)分通信對象的，一個信道只容納1個用戶進行通話，許多同時通話的用戶，互相以信道來區(qū)分，這就是多址。移動通信系統(tǒng)是一個多信道同時工作的系統(tǒng)，具有廣播和大面積覆蓋的特點。在移動通信環(huán)境的電波覆蓋區(qū)內(nèi)，建立用戶之間的無線信道連接，是無線多址接入方式，屬于多址接入技術(shù)。聯(lián)通CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）就是碼分復(fù)用的一種方式，稱為碼分多址，此外還有頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和同步碼分多址（SCD-MA）。實際上我們國家第一代移動通信系統(tǒng)是采用FDMA的模擬蜂窩系統(tǒng)。第二代移動通信系統(tǒng)是采用TDMA或窄帶CDMA為主的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)。第三代移動通信系統(tǒng)中的主流技術(shù)為CDMA技術(shù)，它意味著代表所有用戶的偽隨機碼在到達基站時是同步的，由于偽隨機碼之間的同步正交性，可以有效地消除碼間干擾，系統(tǒng)容量方面將得到極大的改善。

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