多路复用技术

Multiplexing（多路复用）是将多个低速、低带宽信号组合起来，共同使用一条高速、高带宽传输信道的技术。

多路复用的主要目的包括：

• 提高传输线路的利用率。
• 让多个用户共享同一条物理链路。
• 减少通信线路的建设数量。
• 降低网络建设和维护成本。
• 充分利用高速干线的传输能力。

本节介绍三种基本多路复用技术：

1. FDM（Frequency Division Multiplexing，频分多路复用）
2. TDM（Time Division Multiplexing，时分多路复用）
3. WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分多路复用）

时分多路复用又可以分为：

• STDM（Synchronous Time Division Multiplexing，同步时分多路复用）
• Statistical TDM（Statistical Time Division Multiplexing，统计时分多路复用）

多路复用技术
│
├─ FDM：频分多路复用
│  └─ 按频率划分信道
│
├─ TDM：时分多路复用
│  ├─ 同步时分多路复用
│  └─ 统计时分多路复用
│
└─ WDM：波分多路复用
   └─ 按光波波长划分信道

发送端使用：

MUX（Multiplexer，多路复用器）

它按照约定的规则，将多个低速或低带宽信号组合成一个高速或高带宽的复合信号。

接收端使用：

DEMUX（Demultiplexer，多路分配器或解复用器）

它按照与发送端相同的规则，将复合信号分解并恢复为原来的多个子信号。

输入信号A ─┐
输入信号B ─┤
输入信号C ─┼→ MUX → 高速共享信道 → DEMUX ─┬→ 输出信号A'
输入信号D ─┘                              ├→ 输出信号B'
                                            ├→ 输出信号C'
                                            └→ 输出信号D'

其中：

• MUX负责信号的合成。
• DEMUX负责信号的分离。
• 发送端与接收端必须遵循相同的复用和分配规则。
• 理想情况下，输出信号A'、B'、C'、D'分别对应输入信号A、B、C、D。

多路复用器和多路分配器合称为：

Multiplexer System（多路器系统）

部分资料中会把发送端和接收端设备都简称为MUX，但严格区分时：

假设一条高速信道的可用容量大于单个用户实际需要的容量，如果只供一个用户使用，将造成大量资源浪费。

通过多路复用，可以把高速信道在某个维度上划分成多个相互区分的子信道：

多路复用过程可以理解为：

多个低速信道
      ↓
按照频率、时间或波长进行区分
      ↓
合并到一条高速物理线路
      ↓
接收端按照相同规则进行分离
      ↓
恢复各个原始子信道

教材主要说明将多个低速信号合并到一条高速线路，但多路复用也可以反向使用：

• 将一个高带宽信号分解到多条低速线路上并行传输。
• 接收端再将多条低速线路上的信号合并。
• 多条低速线路的总传输能力共同满足高速通信需求。

一个高速信号
      ↓
分解为多个并行子信号
      ↓
低速线路1＋低速线路2＋低速线路3……
      ↓
接收端重新组合
      ↓
恢复原高速信号

两台主机之间可以利用多条低速线路并行传输，以获得更高的总通信能力。

只要线路带宽允许，就可以在已有高速线路上采用多路复用技术，从而：

• 避免为每一项业务单独铺设线路。
• 降低通信线路建设费用。
• 有效利用高速干线。
• 支持多个用户或业务同时通信。
• 提高公共通信网络的经济性。

典型应用包括：

• PSTN（Public Switched Telephone Network，公共交换电话网）
• 无线电广播系统
• CATV（Community Antenna Television或Cable Television，有线电视系统）
• 宽带局域网
• 光纤骨干网络

FDM（Frequency Division Multiplexing，频分多路复用）是在同一传输介质上，利用多个不同频率的载波同时传输多路信号。

FDM将物理信道的总带宽划分为多个互不重叠的子频带，每个子频带构成一个子信道。

各子信道可以同时传输，因此FDM属于并行共享信道的方式。

假设有4路信号，分别使用以下载波中心频率：

• 子信道1：96 kHz
• 子信道2：100 kHz
• 子信道3：104 kHz
• 子信道4：108 kHz

复用后的频谱可以表示为：

频率轴 →

| 子信道1 | 保护频带 | 子信道2 | 保护频带 | 子信道3 | 保护频带 | 子信道4 |

   96 kHz                 100 kHz                 104 kHz                 108 kHz

每一路信号调制到不同的载波频率上，然后由多路复用器合并，通过同一条物理线路同时传输。

接收端利用带通滤波器或其他选频设备，将各个频带分离，再分别进行解调。

FDM中的每个子信道都有自己的中心频率。

为了避免相邻子信道互相重叠：

• 各个中心频率必须不同。
• 各个子信道的频谱不能互相重叠。
• 相邻子信道之间通常需要留出保护频带。

相邻子信道之间预留的一小段空闲频带称为：

Guard Band（保护频带或隔离频带）

保护频带的作用：

• 减少相邻子信道之间的干扰。
• 为滤波器的过渡区域留出空间。
• 防止信号频谱扩展后发生重叠。
• 降低串扰。

保护频带本身通常不直接承载有效数据，因此会降低总频谱利用率。

各路基带信号需要调制到不同载波上。可采用的调制方式包括：

• ASK（Amplitude Shift Keying，幅移键控）
• FSK（Frequency Shift Keying，频移键控）
• PSK（Phase Shift Keying，相移键控）
• QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）
• 以上调制技术的组合

假设有 N 个子信道，每个子信道占用带宽 B_i，相邻子信道之间设置保护频带 G_i，则总带宽至少为：

''B_total ≥ B_1＋B_2＋…＋B_N＋G_1＋G_2＋…＋G_(N-1)''

如果每个子信道带宽均为 B，保护频带宽度均为 G，则：

''B_total ≥ N×B＋(N-1)×G''

其中：

某FDM系统需要传输4路信号，每路占用3 kHz带宽，相邻信道之间设置1 kHz保护频带，求最小总带宽。

''B_total ≥ N×B＋(N-1)×G''

''B_total ≥ 4×3＋(4-1)×1''

''B_total ≥ 12＋3''

''B_total ≥ 15 kHz''

因此，传输介质至少需要提供15 kHz带宽。

• 各子信道在不同频带内工作。
• 所有子信道可以同时传输。
• 子信道之间需要保护频带。
• 通常适用于模拟信号或经载波调制的信号。
• 发送端需要调制和频率合成设备。
• 接收端需要滤波和解调设备。
• 系统对滤波器性能要求较高。

• 多路信号可以同时传输。
• 各子信道相对独立。
• 不要求各路信号严格保持时间同步。
• 适合连续信号传输。
• 技术成熟，应用范围广。

• 需要设置保护频带。
• 保护频带会浪费部分频谱资源。
• 滤波和调制设备相对复杂。
• 子信道数量受总带宽限制。
• 可能存在邻道干扰和串扰。
• 某个子信道空闲时，其频带通常仍被保留。

FDM广泛应用于：

CATV（Community Antenna Television或Cable Television，有线电视系统）

教材给出的特点包括：

• 一根CATV电缆的带宽可达到约1000 MHz。
• 可以同时传输多个电视频道。
• 每个电视频道约占用6.5 MHz带宽。
• 每个频道内部还可以划分声音、图像和彩色子信道。
• 各个频道两侧需要设置保护频带，以减少相互干扰。

FDM也可用于宽带局域网。

电缆频带至少可以划分为两个方向不同的子频带：

• 一个频带用于上行传输。
• 一个频带用于下行传输。

还可以进一步划分出专用频带，为特定工作站之间提供逻辑上的专用连接。

TDM（Time Division Multiplexing，时分多路复用）按照时间把高速信道划分成一系列时隙，各个子信道轮流使用整个信道带宽。

与FDM不同：

• FDM让多个子信道同时使用不同频带。
• TDM让多个子信道在不同时间使用同一频带。

TDM中分配给某个子信道的一段传输时间称为：

Time Slot（时隙）

一个时隙可以用来传输：

• 1 bit数据；
• 1个字节；
• 1个字符；
• 一个固定大小的数据块。

时隙长度由系统设计和传输单位决定。

各个子信道依次获得一个时隙，当所有子信道都获得一次发送机会后，就构成一个：

TDM Frame（时分复用帧）

假设有A、B、C、D四个子信道：

第1帧：| A1 | B1 | C1 | D1 |
第2帧：| A2 | B2 | C2 | D2 |
第3帧：| A3 | B3 | C3 | D3 |

接收端根据时隙在帧中的固定位置，将数据恢复到对应的子信道。

发送端：

1. 多路复用器依次扫描各输入子信道。
2. 从每个子信道取出一个单位的数据。
3. 把数据放入该子信道对应的时隙。
4. 将多个时隙组成TDM帧。
5. 通过高速线路传输。

接收端：

1. 识别TDM帧的边界。
2. 根据时隙位置判断数据所属子信道。
3. 将各时隙中的数据送到对应输出端。
4. 恢复各路原始数据流。

如果有 N 个输入子信道，每个子信道的数据速率为 R_i，则复用后的输出线路速率至少需要满足：

''R_out ≥ R_1＋R_2＋…＋R_N＋控制开销''

若各子信道速率相同，均为 R，忽略控制开销时：

''R_out ≥ N×R''

同步时分复用中，即使部分子信道暂时没有数据，其时隙通常仍会保留，因此输出线路速率仍需要覆盖所有固定时隙。

某同步TDM系统复用4路速率为64 kb/s的数字信号，忽略帧同步和其他控制开销，求输出线路的最低速率。

''R_out = 4×64 kb/s''

''R_out = 256 kb/s''

若每帧还增加8 bit同步信息，则实际输出速率还应计入同步开销。

TDM可以应用在：

• 数字通信系统；
• 宽带传输系统；
• 数字电话系统；
• 数字专线；
• 频分复用系统中的某个子信道；
• 其他能够按时间划分资源的通信系统。

STDM（Synchronous Time Division Multiplexing，同步时分多路复用）把整个传输时间划分成固定周期。

在每个周期内：

• 每个子信道在固定位置占有一个时隙。
• 子信道与时隙之间存在固定对应关系。
• 接收端可以根据时隙位置识别数据来源。
• 不论子信道当前是否有数据，其时隙都固定存在。

假设有A、B、C、D四个子信道：

| A时隙 | B时隙 | C时隙 | D时隙 |
| A时隙 | B时隙 | C时隙 | D时隙 |
| A时隙 | B时隙 | C时隙 | D时隙 |

如果某一帧中B和D没有数据：

| A数据 | B空闲 | C数据 | D空闲 |

B和D的时隙仍然会占用传输线路。

当某个子信道对应的时隙到来，但该子信道没有数据要发送时：

• 该时隙仍然被保留。
• 其他子信道不能临时使用该时隙。
• 空时隙仍占用传输时间。
• 线路带宽被浪费。

同步TDM更适合：

• 各子信道持续有数据；
• 各子信道速率稳定；
• 业务流量比较均匀；

的通信环境。

Statistical TDM（Statistical Time Division Multiplexing，统计时分多路复用）是对同步TDM的改进。

它也称为：

• Asynchronous TDM（异步时分多路复用）
• Intelligent TDM（智能时分多路复用）

发送端不再为每个子信道固定保留时隙，而是只为当前有数据的子信道动态分配时隙。

教材特别把统计时分多路复用器称为：

Concentrator（集中器）

发送端集中器依次循环检查各子信道：

1. 如果子信道有数据，则为其分配时隙。
2. 如果子信道没有数据，则直接跳过。
3. 空闲子信道不会产生空时隙。
4. 有效数据被紧密组织后通过共享线路发送。

例如，A、B、C、D四个子信道中只有A和C有数据。

同步TDM：

| A数据 | B空闲 | C数据 | D空闲 |

统计TDM：

| A数据＋信道标识 | C数据＋信道标识 |

统计TDM避免传输B和D的空时隙。

同步TDM中，接收端通过固定时隙位置识别数据来源，因此通常不需要在每个时隙中加入完整的来源标识。

统计TDM中的时隙位置不再与子信道固定对应，因此每个动态时隙需要加入控制字段，以便接收端判断数据属于哪个子信道。

控制字段可能包括：

• 子信道编号；
• 地址信息；
• 数据长度；
• 其他复用控制信息。

• 不传输空闲子信道的空时隙。
• 更适合突发性数据。
• 线路利用率高于同步TDM。
• 输出线路速率可以小于各输入峰值速率之和。
• 适合计算机网络中各信道流量不均匀的场景。

• 每个时隙需要附加信道标识。
• 接收端不能只凭固定位置判断数据来源。
• 复用器需要缓冲、调度和寻址功能。
• 多个子信道同时发送大量数据时可能产生排队。
• 设备和控制机制比同步TDM复杂。
• 输入总流量超过输出容量时可能发生拥塞。

WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分多路复用）是一种应用于光纤通信的多路复用技术。

不同子信道使用不同波长的光作为载波，多路复用器将多个波长的光信号合并到一根光纤中同时传输。

接收端再按照波长将复合光信号分解，恢复各个子信道。

假设系统使用以下光波波长：

• λ₁＝1535 nm
• λ₂＝1543 nm
• λ₃＝1550 nm
• λ₄＝1557 nm

发送端：

光发射器1：1535 nm ─┐
光发射器2：1543 nm ─┤
光发射器3：1550 nm ─┼→ 光复用器 → 单根光纤
光发射器4：1557 nm ─┘

接收端：

单根光纤 → 光分配器 ─┬→ 1535 nm接收器
                      ├→ 1543 nm接收器
                      ├→ 1550 nm接收器
                      └→ 1557 nm接收器

其中：

• λ表示光波波长。
• nm表示Nanometre，即纳米。
• 1 nm等于十亿分之一米。

WDM可以理解为光纤通信领域中的频分多路复用。

原因是：

• 不同波长对应不同频率。
• 各路光信号同时传输。
• 各波长信道之间相互区分。
• 各信道占用不同的光谱区域。

光速、频率和波长的关系为：

''c＝fλ''

因此：

''f＝c/λ''

其中：

一个典型WDM系统包括：

• 多个光发射器；
• 光波分复用器；
• 光纤传输线路；
• 必要的光放大器；
• 光波分配器或解复用器；
• 多个光接收器。

教材图示使用：

• Tx（Transmitter，发送器）
• Rx（Receiver，接收器）

• 主要应用于光纤通信。
• 每个子信道使用不同的光波波长。
• 各个波长信道可以同时传输。
• 多路信号共享同一根光纤。
• 能显著提高单根光纤的传输容量。
• 可在不重新铺设光纤的情况下扩充网络容量。
• 需要能够合成和分离不同波长的光学设备。

• 充分利用光纤的巨大带宽。
• 多个波长可以并行传输。
• 单根光纤的总容量显著提高。
• 各波长信道相对独立。
• 可以在现有光纤线路上扩容。
• 支持不同速率或不同协议的业务共同传输。

• 光复用和解复用设备成本较高。
• 对光源波长稳定性要求较高。
• 各波长之间需要保持适当间隔。
• 系统设计需要考虑色散、衰减和非线性效应。
• 波长数量增加后，系统管理复杂度提高。

• 一条公路划分成多个车道。
• 每个用户长期使用不同车道。
• 所有车辆可以同时前进。
• 车道之间需要保留安全距离。

对应关系：

• 公路总宽度：总带宽；
• 不同车道：不同频带；
• 安全距离：保护频带。

• 所有用户共享同一条车道。
• 用户A使用一段时间后交给用户B。
• 用户B使用后再交给用户C。
• 各用户按照规定顺序轮流使用。

对应关系：

• 单车道：共享传输线路；
• 使用时间：时隙；
• 完整轮换一次：TDM帧。

• 多种颜色的光可以在同一根光纤中同时传播。
• 每种颜色代表一个独立子信道。
• 发送端把不同颜色合并。
• 接收端再按颜色分离。

对应关系：

• 光的颜色：光波波长；
• 不同颜色：不同WDM子信道；
• 棱镜式设备：光复用器和解复用器。

某FDM系统包含8个子信道，每个子信道占用4 kHz，相邻子信道之间设置1 kHz保护频带，求最小总带宽。

子信道总带宽：

''8×4＝32 kHz''

保护频带数量：

''8－1＝7个''

保护频带总宽度：

''7×1＝7 kHz''

最小总带宽：

''B_total＝32＋7＝39 kHz''

某同步TDM系统复用8路32 kb/s的数字信号，不考虑控制开销，求输出线路速率。

''R_out＝8×32 kb/s''

''R_out＝256 kb/s''

某TDM系统复用4个子信道，每个子信道每帧发送1 byte，每个子信道的数据速率为8 kb/s，求帧速率。

每个子信道每帧发送：

''1 byte＝8 bit''

帧速率：

''8000 bit/s÷8 bit/帧＝1000帧/s''

每个TDM帧的数据量：

''4×8 bit＝32 bit''

输出线路速率：

''1000帧/s×32 bit/帧＝32000 bit/s''

即：

''32 kb/s''

4个子信道的峰值速率均为10 kb/s，但每个子信道平均只有25%的时间发送数据。

各子信道峰值速率之和：

''4×10＝40 kb/s''

平均总输入速率：

''4×10×25%＝10 kb/s''

同步TDM通常需要接近40 kb/s的线路容量，而统计TDM可以根据平均流量配置较低的输出速率，但还需要考虑：

• 突发流量；
• 控制字段开销；
• 缓冲空间；
• 允许的排队延迟；
• 多个子信道同时发送的概率。

必须掌握：

• 多路复用的目的是让多个信号共享同一条物理传输线路。
• MUX是Multiplexer的缩写，表示多路复用器。
• DEMUX是Demultiplexer的缩写，表示多路分配器或解复用器。
• FDM按频率划分信道。
• FDM的各个子信道可以同时传输。
• FDM的相邻子信道之间通常设置保护频带。
• CATV和无线电广播是FDM的典型应用。
• TDM按时间划分信道。
• TDM中的各个子信道轮流占用信道的全部带宽。
• 同步TDM采用固定时隙。
• 同步TDM中，即使某个子信道无数据，其时隙仍然保留。
• 统计TDM只为有数据的子信道动态分配时隙。
• 统计TDM需要在时隙中加入信道标识或控制字段。
• 统计TDM的线路利用率通常高于同步TDM。
• 统计时分复用器也称为集中器。
• WDM按光波波长划分信道。
• WDM主要应用于光纤通信。
• WDM可以看作光纤通信领域中的频分多路复用。

容易混淆的内容：

• FDM不是让各子信道轮流传输，而是同时在不同频带传输。
• TDM不是为各子信道划分不同频率，而是分配不同时间片。
• WDM中的各子信道由波长区分，不是由时隙区分。
• FDM中的保护频带不能传输有效业务，因此会消耗频谱资源。
• 同步TDM中的“同步”表示时隙位置固定，并且收发双方需要保持帧和时钟同步。
• 统计TDM有时也称异步TDM，但它不同于字符通信中的异步传输。
• 同步TDM的空闲时隙不会自动分配给其他子信道。
• 统计TDM减少了空时隙，但会增加地址、缓冲和控制开销。
• MUX用于发送端合并信号，DEMUX用于接收端分离信号。
• WDM中的不同波长对应不同光频率，因此原理与FDM相近。
• 复用提高的是线路共享效率，不会凭空增加物理信道本身的理论容量。
• 计算FDM总带宽时不要遗漏保护频带。
• 计算同步TDM输出速率时不要遗漏帧同步等控制开销。

1.3.6 多路复用技术
│
├─ 基本设备
│  ├─ MUX：发送端合并多路信号
│  └─ DEMUX：接收端分离多路信号
│
├─ FDM：频分多路复用
│  ├─ 按频率划分子信道
│  ├─ 各子信道同时传输
│  ├─ 相邻信道设置保护频带
│  ├─ 适合模拟或已调信号
│  └─ 应用于广播、CATV和宽带局域网
│
├─ TDM：时分多路复用
│  ├─ 按时间划分时隙
│  ├─ 各子信道轮流使用全部带宽
│  │
│  ├─ 同步TDM
│  │  ├─ 固定分配时隙
│  │  ├─ 位置表示数据来源
│  │  └─ 空闲时隙造成浪费
│  │
│  └─ 统计TDM
│     ├─ 动态分配时隙
│     ├─ 只服务有数据的子信道
│     ├─ 时隙需要携带信道标识
│     └─ 线路利用率更高
│
└─ WDM：波分多路复用
   ├─ 按光波波长划分信道
   ├─ 多个波长同时传输
   ├─ 主要用于光纤通信
   └─ 可提高单根光纤的总容量

• 1.3.4 脉冲编码调制
• 1.3.5 通信方式和交换方式
• 1.3.7 扩频技术
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