漫談各種復用技術

2019-11-03 09:22:04

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供稿：網友

霍云

　　在數據通信中，復用技術的使用極大地提高了信道的傳輸效率，取得了廣泛地應用。多路復用技術就是在發送端將多路信號進行組合（如廣電前端使用的混合器），然后在一條專用的物理信道上實現傳輸，接收端再將復合信號分離出來。多路復用技術主要分為兩大類：頻分多路復用（簡稱頻分復用）和時分多路復用（簡稱時分復用），波分復用和統計復用本質上也屬于這兩種復用技術。另外還有一些其他的復用技術，如碼分復用、極化波復用和空分復用等。

1頻分復用

　　頻分復用（FDM，Frequency Division Multiplexing）就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻帶（或稱子信道），每一個子信道傳輸1路信號。頻分復用要求總頻率寬度大于各個子信道頻率之和，同時為了保證各子信道中所傳輸的信號互不干擾，應在各子信道之間設立隔離帶，這樣就保證了各路信號互不干擾（條件之一）。頻分復用技術的特點是所有子信道傳輸的信號以并行的方式工作，每一路信號傳輸時可不考慮傳輸時延，因而頻分復用技術取得了非常廣泛的應用。頻分復用技術除傳統意義上的頻分復用（FDM）外，還有一種是正交頻分復用（OFDM）。

1.1傳統的頻分復用

　　傳統的頻分復用典型的應用莫過于廣電HFC網絡電視信號的傳輸了，不管是模擬電視信號還是數字電視信號都是如此，因為對于數字電視信號而言，盡管在每一個頻道（8 MHz）以內是時分復用傳輸的，但各個頻道之間仍然是以頻分復用的方式傳輸的。

1.2正交頻分復用

　　OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）實際是一種多載波數字調制技術。OFDM全部載波頻率有相等的頻率間隔，它們是一個基本振蕩頻率的整數倍，正交指各個載波的信號頻譜是正交的。

　　OFDM系統比FDM系統要求的帶寬要小得多。由于OFDM使用無干擾正交載波技術，單個載波間無需保護頻帶，這樣使得可用頻譜的使用效率更高。另外，OFDM技術可動態分配在子信道中的數據，為獲得最大的數據吞吐量，多載波調制器可以智能地分配更多的數據到噪聲小的子信道上。目前OFDM技術已被廣泛應用于廣播式的音頻和視頻領域以及民用通信系統中，主要的應用包括：非對稱的數字用戶環線（ADSL）、數字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網（WLAN）和第4代（4G）移動通信系統等。

2時分復用

　　時分復用（TDM，Time Division Multiplexing）就是將提供給整個信道傳輸信息的時間劃分成若干時間片（簡稱時隙），并將這些時隙分配給每一個信號源使用，每一路信號在自己的時隙內獨占信道進行數據傳輸。時分復用技術的特點是時隙事先規劃分配好且固定不變，所以有時也叫同步時分復用。其優點是時隙分配固定，便于調節控制，適于數字信息的傳輸；缺點是當某信號源沒有數據傳輸時，它所對應的信道會出現空閑，而其他繁忙的信道無法占用這個空閑的信道，因此會降低線路的利用率。時分復用技術與頻分復用技術一樣，有著非常廣泛的應用，電話就是其中最經典的例子，此外時分復用技術在廣電也同樣取得了廣泛地應用，如SDH，ATM，IP和HFC網絡中CM與CMTS的通信都是利用了時分復用的技術。

3波分復用

　　光通信是由光來運載信號進行傳輸的方式。在光通信領域，人們習慣按波長而不是按頻率來命名。因此，所謂的波分復用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）其本質上也是頻分復用而已。WDM是在1根光纖上承載多個波長（信道）系統，將1根光纖轉換為多條“虛擬”纖，當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系統技術的經濟性與有效性，使之成為當前光纖通信網絡擴容的主要手段。波分復用技術作為一種系統概念，通常有3種復用方式，即1 310 nm和1 550 nm波長的波分復用、粗波分復用（CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing）和密集波分復用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）。

（1）1 310 nm和1 550 nm波長的波分復用

　　這種復用技術在20世紀70年代初時僅用兩個波長：1 310 nm窗口一個波長，1 550 nm窗口一個波長，利用WDM技術實現單纖雙窗口傳輸，這是最初的波分復用的使用情況。

（2）粗波分復用

　　繼在骨干網及長途網絡中應用后，波分復用技術也開始在城域網中得到使用，主要指的是粗波分復用技術。CWDM使用1 200~1 700 nm的寬窗口，目前主要應用波長在1 550 nm的系統中，當然1 310 nm波長的波分復用器也在研制之中。粗波分復用（大波長間隔）器相鄰信道的間距一般≥20 nm，它的波長數目一般為4波或8波，最多16波。當復用的信道數為16或者更少時，由于CWDM系統采用的DFB激光器不需要冷卻，在成本、功耗要求和設備尺寸方面，CWDM系統比DWDM系統更有優勢，CWDM越來越廣泛地被業界所接受。CWDM無需選擇成本昂貴的密集波分解復用器和“光放”EDFA，只需采用便宜的多通道激光收發器作為中繼，因而成本大大下降。如今，不少廠家已經能夠提供具有2~8個波長的商用CWDM系統，它適合在地理范圍不是特別大、數據業務發展不是非常快的城市使用。

（3）密集波分復用

　　密集波分復用技術（DWDM）可以承載8～160個波長，而且隨著DWDM技術的不斷發展，其分波波數的上限值仍在不斷地增長，間隔一般≤1.6 nm，主要應用于長距離傳輸系統。在所有的DWDM系統中都需要色散補償技術（克服多波長系統中的非線性失真——四波混頻現象）。在16波DWDM系統中，一般采用常規色散補償光纖來進行補償，而在40波DWDM系統中，必須采用色散斜率補償光纖補償。DWDM能夠在同一根光纖中把不同的波長同時進行組合和傳輸，為了保證有效傳輸，一根光纖轉換為多根虛擬光纖。目前，采用DWDM技術，單根光纖可以傳輸的數據流量高達400 Gbit/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碼分復用

　　碼分復用（CDM，Code Division Multiplexing）是靠不同的編碼來區分各路原始信號的一種復用方式，主要和各種多址技術結合產生了各種接入技術，包括無線和有線接入。例如在多址蜂窩系統中是以信道來區分通信對象的，一個信道只容納1個用戶進行通話，許多同時通話的用戶，互相以信道來區分，這就是多址。移動通信系統是一個多信道同時工作的系統，具有廣播和大面積覆蓋的特點。在移動通信環境的電波覆蓋區內，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。聯通CDMA（Code Division Multiple access）就是碼分復用的一種方式，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（SCDMA）。

（1）FDMA

　　FDMA頻分多址采用調頻的多址技術，業務信道在不同的頻段分配給不同的用戶。FDMA適合大量連續非突發性數據的接入，單純采用FDMA作為多址接入方式已經很少見。目前中國聯通、中國移動所使用的GSM移動電話網就是采用FDMA和TDMA兩種方式的結合。

（2）TDMA時分多址

　　TDMA時分多址采用了時分的多址技術，將業務信道在不同的時間段分配給不同的用戶。TDMA的優點是頻譜利用率高，適合支持多個突發性或低速率數據用戶的接入。除中國聯通、中國移動所使用的GSM移動電話網采用FDMA和TDMA兩種方式的結合外，廣電HFC網中的CM與CMTS的通信中也采用了時分多址的接入方式（基于DOCSIS1.0或1.1和Eruo DOCSIS1.0或1.1）。

（3）CDMA碼分多址

　　CDMA是采用數字技術的分支——擴頻通信技術發展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術，它是在FDM和TDM的基礎上發展起來的。FDM的特點是信道不獨占，而時間資源共享，每一子信道使用的頻帶互不重疊；TDM的特點是獨占時隙，而信道資源共享，每一個子信道使用的時隙不重疊；CDMA的特點是所有子信道在同一時間可以使用整個信道進行數據傳輸，它在信道與時間資源上均為共享，因此，信道的效率高，系統的容量大。CDMA的技術原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數據用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼（PN）進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發送出去；接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實現信息通信。CDMA碼分多址技術完全適合現代移動通信網所要求的大容量、高質量、綜合業務、軟切換等，正受到越來越多的運營商和用戶的青睞。

（4）同步碼分多址技術

　　同步碼分多址（SCDMA，Synchrnous Code Division Multiplexing Access）指偽隨機碼之間是同步正交的，既可以無線接入也可以有線接入，應用較廣泛。廣電HFC網中的CM與CMTS的通信中就用到該項技術，例如美國泰立洋公司（Terayon）和北京凱視通電纜電視寬帶接入，結合ATDM（高級時分多址）和SCDMA上行信道通信（基于DOCSIS2.0或Eruo DOCSIS2.0）。

中國第3代移動通信系統也采用同步碼分多址技術，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，系統容量方面將得到極大的改善，它的系統容量是其他第3代移動通信標準的4～5倍。

5空分復用

　　空分復用（SDM，Space Division Multiplexing）即多對電線或光纖共用1條纜的復用方式。比如5類線就是4對雙絞線共用1條纜，還有市話電纜（幾十對）也是如此。能夠實現空分復用的前提條件是光纖或電線的直徑很小，可以將多條光纖或多對電線做在一條纜內，既節省外護套的材料又便于使用。

6統計復用

　　統計復用（SDM，Statistical Division Multiplexing）有時也稱為標記復用、統計時分多路復用或智能時分多路復用，實際上就是所謂的帶寬動態分配。統計復用從本質上講是異步時分復用，它能動態地將時隙按需分配，而不采用時分復用使用的固定時隙分配的形式，根據信號源是否需要發送數據信號和信號本身對帶寬的需求情況來分配時隙，主要應用場合有數字電視節目復用器和分組交換網等，下面就以這兩種主要應用分別敘述。

6.1數字電視節目復用器

　　數字電視節目復用器主要完成對MPEG-2傳輸流（TS）的再復用功能，形成多節目傳送流（MPTS），用于數字電視節目的傳輸任務。所謂統計復用是指被復用的各個節目傳送的碼率不是恒定的，各個節目之間實行按圖像復雜程度分配碼率的原則。因為每個頻道（標準或增補）能傳多個節目，各個節目在同一時刻圖像復雜程度不一樣（一樣的概率很小），所以我們可以在同一頻道內各個節目之間按圖像復雜程度分配碼率，實現統計復用。

　　實現統計復用的關鍵因素：一是如何對圖像序列隨時進行復雜程度評估，有主觀評估和客觀評估兩種方法；二是如何適時地進行視頻業務的帶寬動態分配。使用統計復用技術可以提高壓縮效率，改進圖像質量，便于在1個頻道中傳輸多套節目，節約傳輸成本。

6.2分組交換網

　　分組交換網是繼電路交換網和報文交換網之后的一種新型交換網絡，它主要用于數據通信，如X.25，幀中繼，DPT，SDH，GE和ATM都是分組交換的例子。分組交換是一種存儲轉發的交換方式，它將用戶的報文劃分成一定長度的分組（可以定長和不定長），以分組為存儲轉發。因此，它比電路交換的利用率高，比報文交換的時延小，具有實時通信的能力。分組交換利用統計時分復用原理，將1條數據鏈路復用成多個邏輯信道，最終構成1條主叫、被叫用戶之間的信息傳送通路，稱之為虛電路（即VC，兩個用戶終端設備在開始互相發送和接收數據之前需要通過網絡建立邏輯上的連接），實現數據的分組傳送。分組交換網中有的支持統計復用，有的不支持統計復用，例如SDH就不支持統計復用，其帶寬是固定不變的，支持統計復用技術的主要有幀中繼、ATM和IP，下面作分別介紹。

（1）幀中繼

　　幀中繼是在X.25分組交換技術基礎上發展起來的一種快速分組交換傳輸技術，用戶信息以幀（可變長）為單位進行傳輸，并對用戶信息流進行統計復用。

（2）ATM

　　ATM支持面向連接（非物理的邏輯連接）的業務，具有很大的靈活性，可按照多媒體業務實際需要動態分配通信資源，對于特定業務，傳送速率隨信息到達的速率而變化，因此，ATM具有統計復用的能力，能夠適應任何類型的業務。

（3）DPT

　　DPT（Dynamic Packet Transport）是Sisco公司獨創的新一代優化動態分組的傳輸技術，吸收了SDH的優點而克服其缺點，將IP路由技術對寬帶的高效利用以及豐富的業務融合能力，和光纖環路的高帶寬及可靠的自愈功能緊密結合，由于所有節點都具有公平機制且支持帶寬統計復用，可成倍提高網絡可用帶寬。

（4）吉位以太網

　　GE（Gigabit Ethernet）是以太網技術的延伸，是第3代以太網，它主要處理數據業務，是目前廣電寬帶城域骨干網采用的主流技術。以太網交換機端口（RJ45）所帶的用戶信道使用率通常是不相同的，經常會出現有的信道很忙，有的信道處于空閑狀態，即便是以太網交換機所有的端口都處于通信狀態下，還會涉及到帶寬的不同需求問題，而數據交換的特性在于突發性，只有通過統計復用，即帶寬動態分配才能降低忙閑不一的現象，從而最大限度地利用網絡帶寬。

7字節間插復用

　　在SDH（Synchronous Digital Hierarchy）中復用是指將低階通道層信號適配進高階通道，或將多個高階通道層信號適配進復用段的過程。我們知道SDH復用有標準化的復用結構，但每個國家或地區僅有一種復用路線圖，由硬件和軟件結合來實現，靈活方便。而字節間插復用（BIDM，Byte Intertexture Division Multiplexing）是SDH中低級別的同步傳送模塊（STM, Synchronous Transport Module）向高級別同步傳送模塊復用的一種方式，高級別的STM是低級別STM的4倍。如圖1所示的4個STM-1字節間插復用進STM-4的示意圖，當然4個STM-4字節間插復用進STM-16也一樣，其余等級的同步傳送模塊以此類推。這里的字節間插是指有規律地分別從4個STM-1中抽出1個字節放進STM-4中。進行字節間插復用，一是體現了SDH同步復用的設計思想；二是由AU-PTR（管理單元指針）的值，再通過字節間插的規律性，就可以定位低速信號在高速信號中的位置，使低速信號可以方便地分出或插入高速信號，這也是SDH與PDH相比較的優勢之一，由于PDH低速信號在高速信號中位置的無規律性，從而高速信號插/分低速信號要一級一級進行復用/解復用，因為復用/解復用會增加信號的損傷，不利于大容量傳輸。

8極化波復用

　　極化波復用（Polarization Wavelength Division Multiplexing）是衛星系統中采用的復用技術，即一個饋源能同時接收兩種極化方式的波束，如垂直極化和水平極化，左旋圓極化和右旋圓極化。衛星系統中通常采用兩種辦法來實現頻率復用：一種是同一頻帶采用不同極化，如垂直極化和水平極化，左旋圓極化和右旋圓極化等；另一種是不同波束內重復使用同一頻帶，此辦法廣泛使用于多波束系統中。

摘自　《中國有線電視》

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