计算机网络——物理层（信道复用）

目录

信道复用的概念

频分复用（FDM） 

时分复用（TDM）

 波分复用（WDM）

 码分复用（CDM）

码片序列

各站的码片序列需要正交

正交关系的另一个重要特性

CDMA 的工作原理示例图 

几种基本的信道复用技术总结

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信道复用的概念

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道传输的总通信量时，可利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来共享传输媒体的带宽。

频分复用（FDM） 

频分复用（Frequency-division multiplexing, FDM），将多路基带信号调制到不同频率载波上，再进行叠加形成一个复合信号。

接收端的分用器通过滤波将各路信号滤出，将合成的复合信号恢复成原始的多路信号。

时分复用（TDM）

时分复用(Time Division Multiplexing, TDM) 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每个 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。

时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

存在的不足：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不高。 

统计时分复用（statistical time division multiplexing，STDM）：动态地按需分配共用信道的时隙，只将需要传送数据的终端接入共用信道，可以提高信道的利用率。

使用STDM帧来传送复用的数据，每个STDM帧中的时隙数小于用户数。

 波分复用（WDM）

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）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。

 码分复用（CDM）

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）一种共享信道的方法。

由于该技术主要用于无线多址接入（本书中我们不严格区分多址与复用），人们更常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
 

每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。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。

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。

码片序列

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。

– 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
– 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。

 – 发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
– 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。

S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

由于每一个比特要转换成 m个比特的码片，因此 S 站实际的发送速率要比原始发送速率提高m 倍，同时 S 站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 m 倍。因此这是一种扩频通信。

各站的码片序列需要正交

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)

因此CDMA系统需要精心设计分配给用户的一组码片序列。

令向量 S 表示站 S 的码片向量，令T 表示其他任何站的码片向量。

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(innerproduct)都是 0。

例子：

令向量 S 为(–1 –1 –1+1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1–1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。

则：S * T = 0

向量S和各站码片反码的向量的内积也是0。

正交关系的另一个重要特性

1、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 。

2、一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

3、若X站要接收S站发送的数据，X站就必须知道S站所特有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行内积运算。

4、所有其他站的信号都被过滤掉（其内积的相关项都是0），而只剩下S站发送的信号。

5、当S站发送比特1时，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。

CDMA 的工作原理示例图 

 

几种基本的信道复用技术总结

频分复用、时分复用、码分复用、波分复用

将一条物理的通信线路划分为N个信道，每个信道容量接近原来线路的1/N。通过信道复用技术可以充分利用传输媒体的带宽，节省经济层本。