信道复用技术

复用：通信技术中的基本概念。

它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

一、基本复用

1. 频分复用

• 将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。
  • 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。

2. 时分复用

• 时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)，每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。
• 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)的。
• 又称同步时分复用
• TDM信号也称为等时(isochronous)信号。
• 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

线路资源浪费

使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

3. 统计时分复用

• 统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。
• 集中器（又称智能复用器）常用
• 又称异步时分复用

STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

帧

TDM帧和STDM帧：物理层传送的比特流划分的帧。这种帧和数据链路层的帧是不同的概念

二、波分复用

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

• 在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用。
  • 在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。
  • 分用器的作用正好和复用器相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户。

三、码分复用

常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。

原理：各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
特点：这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

1. 码片序列

码片(chip)：每一个比特时间划分为m个短的间隔

• 每个站被指派一个唯一-的 m bit码片序列。
  • (1) 如发送比特1,则发送自己的 m bit码片序列。
  • (2) 如发送比特0,则发送该码片序列的二进制反码。
  • 例如：S站的8 bit码片序列是00011011。
    • (1) 发送比特1时，就发送序列00011011
    • (2) 发送比特0时，就发送序列11100100
    • (3) S站的码片序列: (-1-1-1 +1 +1-1 +1 +1)

2. 码片序列实现了扩频

假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb bit/s,同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。

• 扩频通信通常有两大类:
  • 直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum),
    如：上面讲的使用码片序列就是这一类。
  • 跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。

3. CDMA的重要特点

• 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
• 在实用的系统中是使用伪随机码序列。

4. 码片序列的正交关系

• 令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任E何站的码片向量。

• 两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(inner
  product)等于0:
  

5. 正交关系的另一个重要特性

• 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。

• 

• 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。

6. CDMA的工作原理

假定有个X站要接收S站发送的数据, X站必须知道S站的码片序列。X站使用得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积的计算。X站接收到的未知信号是各个站发送的码片序列之和。

• 根据公式(信噪比)和(香农公式) , 再根据叠加原理,求内积得到的结果是:
  • 所有其他站的信号都被过滤掉,而只剩下S站发送的信号。
  • 当S站发送比特1时,在X站计算内积的结果是+1 ;
  • 当S站发送比特0时,内积的结果是-1 ;
  • S站不发送数据时,内积的结果是0。

例子

题目

共有4个站进行码分多址CDMA通信, 4个站的码片序列为
A：(-1-1-1+1+1-1+1+1)
B：(-1-1+1-1+1+1+1-1)
C：(-1+1-1+1+1+1-1-1)
D：(-1+1-1-1-1-1+1-1)
现收到这样的码片序列:( -1+1-3+1-1-3+1+1)。
问哪个站发送数据了?发送数据的站发送的是1还是0?

解析

此题考查的是对CDMA通信原理的掌握,如何从接收到的码
片序列推算发送站是否发送及发送的数据内容。
这就需要根据公式:

分别计算各站码片序列与接收站码片序列的规格化内积，

• 计算结果为0说明该站没有数据发送;
• 计算结果为1说明该站发送的是1 ;
• 计算结果为-1则说明该站发送的是0。

解答

答:接收到的码片序列M=-1+1-3+1-1-3+1+1，
根据公式:

• 分别计算各站码片序列与接收码片序列的规格化内积,结果为0表明没有数据发送;结果为1表明发送的是1 ;结果为-1表明发送的是0。
  A●M = 1/8(1-1+3+1-1+3+1+1) = 1
  B●M = 1/8(1-1-3-1-1-3+1-1) = -1
  C●M = 1/8(1+1+3+1-1-3-1-1) = 0
  D●M = 1/8(1+1+3-1+1+3+1-1) = 1
  所以A , D发送了1，B发送了0 , C未发送数据。