談通信系統中多路復用技術

于濤

（遼河油田通信公司，遼寧 盤錦 124010）

多路復用實現了兩個功能：它允許發射機和接收機之間的現有信道或鏈路用于同時傳遞多條消息(增加了容量)；它還允許將相關信號聚集到一個整體中，然后由系統作為一個信號加以處理。

多路復用確保了兩個信號不會同時占用相同的空間、頻率和時間。它的實現方法是：增加新的物理鏈路(空分)、多個信號共享整個帶寬的頻譜(頻分)、或者使每個用戶都有機會依次訪問鏈路(時分)。每種技術都在安裝、成本、可靠性、檢查維修的容易程度以及可達到的性能級別等方面具有優點和缺點。雖然多路復用可以用于模擬和數字信號，但是時分多路復用適合于數字信號，并且這些數字信號充分利用了數字電路。

1 多路復用簡介

電子信號在特定的空間區域、規定的頻帶以及在已知的時間段內通過通信信道或鏈路。

當這三個元素(空間、頻率和時間)對于兩個或者多個信號都相同時，就會產生干擾和沖突。多路復用(復用)是允許多個信號在信道中共存的一種技術，它開發了共享空間、頻率或者時間的機制。使用多路復用技術，許多信號可以共享現有的信道，并更充分地利用信道容量（解多路復用是相反的操作)。

使用多路復用技術有多種原因。通信系統可能會有多個新的單獨用戶需要在與第一個用戶相同的兩個端點之間發送消息，并且在它們之間安裝另一條物理電線或者建立新的發射機和接收機對通常都是不現實的。這種情況的一個好的示例是電話中心局之間的主干信道，它攜帶有幾十路通話。使用多路復用的另一個原因是它允許將幾個不同的信號聚集在一個群中，這樣就可以在整個系統中從那個端點開始，作為單個整體來處理它們。

有三種方法可以增加從發送端點傳遞到接收端點的信息量，或者信號數。按它們發展的歷史順序，它們分別是：

(1)空分多路復用（SDM）：通過在現有電線的旁邊安裝新的電線，建立多個物理通道。

(2)頻分多路復用（FDM）：每個用戶信號調制整個可用帶寬中的不同的載波頻率。

(3)時分多路復用（TDM）：為每個信號分配一個“時間間隔”或者“時間片”，并且每個信有機會(按順序)使用信道鏈路和頻率。

在這三類多路復用技術中，沒有一種技術天生就比其他兩種技術好。針對一個應用的最佳選擇取決于許多因素：可用帶寬、距離、信號數和信號類型、成本和復雜度以及可靠性。實際上，許多應用會在它從發射機到接收機的鏈路中多次復用信號，并且從信號源到信號用戶的整個信號流路徑中，每個階段所使用的多路復用類型都可能是不同的。

多路復用技術允許其他信號使用信道中沒有在使用的容量 (通常是可用的潛在帶寬)，當然會有限制。當將更多的信號多路復用在一起時，會占用越來越多的可用帶寬。因此，對可以實現的多路復用數會有限制；例如，可以是一些實際的限制：單個同軸電纜可以攜帶多少路話音信號，或者寬帶UHF頻率分配可以支持多少路電視信號。

2 數字和模擬信號多路復用

SDM、FDM和T'DM的基本定義并沒有指出被多路復用的用戶信號是模擬的還是數字的。可以將多路復用技術應用于任何一類信號(數字信號實際上是一類特殊的模擬信號)。但是，在實現多路復用的實際系統中，被多路復用的信號類型對電路設計有著很大的影響。模擬信號的多路復用電路必須容納具有整個值范圍內的任何一個值的信號，因此需要不會使信號失真的線性電路。數字多路復用系統希望信號只有有限的一組值 (在二進制數字情況下，只有兩個值)，因此可以使用數字邏輯電路。

多路復用和調制(通信中的兩個重要元素)是相關的，但是不應該將它們相互混淆。幅度、頻率和相位調制(AM、FM、PM)是將承載信息的信號與更高的載波頻率聯系起來的三種方法，且調制是頻分多路復用的關鍵。但是，可以在空間、頻率或者時間上多路復用已調信號；類似的，已經多路復用的信號通常可以使用AM、FM或者PM技術調制載波。多路復用在一起的調制信號中的每個信號都可以使用不同類型的調制，盡管它們常常具有相同類型的調制。沒載波頻率的未調制信號稱為基帶信號，并且那個表示方法也用于描述進行FDM之前的信號。

3 頻分多路復用

空分多路復用所引起的電報線和站設備的擁擠導致人們研究開發了頻分多路復用。當鏈路(首先是電線，然后是無線傳輸鏈路)的潛在帶寬大于鏈路上所發送的消息帶寬時，就有可能進行FDM。因此，如果將另一個消息從基帶搬移到新的載波頻率，那么它就可以占用沒有使用的帶寬。已經作為調制(AM、FM和PM)研究了這個操作：將承載信息的信號加在載波上，改變載波的幅度、頻率或者相位。

在FDM的最早應用中，電報站之間的電線鏈路的帶寬大約是電報信號本身帶寬的5倍。

因此，可以同時發送5個信號：一個信號位于基帶，其他信號等間隔地分布在剩余帶寬中。當然，現代同軸電纜和光纖鏈路有更寬的帶寬，因此可以發送更多的信號（22號雙絞線的帶寬大約為100kHz~1MHz，取決于電線扭曲的緊密性和間距、電線規格、絕緣性和其他因素)。

FDM并不僅僅限于電線和光纜鏈路：當許多廣播無線電和電視臺都使用總帶寬中唯一指定的載波進行發送以避免干擾時，就出現了FDM。基帶處沒有調制信號；相反，將每個調制信號都搬移到更高且略有不同的載波頻率處，這樣就可以通過普通信道發送它們，并在接收機端分開它們。這個信道可以是大氣、真空或者電纜。

（1）FDM和群信號

FDM用于廣播無線電和電視臺的經驗顯示：允許相互獨立的信號在不同頻率共享相同時間和空間。提供這個功能的能力是FDM的主要特性，但是還有一個特性在通信系統應用中非常重要。FDM允許將多個基帶信號聚集在各個子載波附近，然后通過一次多路復用(調制)操作，在頻率上將其作為單個群或整體搬移到最后的載波值。其目的是為了使通信系統發射機和接收機電路的其他部分更加簡單和更可靠，并且確保更好的性能。用戶不必單獨調諧電視信道的音頻和視頻信號，單個調諧器(當切換時)可以找到用于這個信道的6MHz寬的頻譜部分。然后，通過本振和混頻器將這個頻譜部分搬移到固定的中頻頻率、視頻和音頻信號在與指定載波有關的已知頻率處。由于最初是用精確的子載波多路復用基帶音頻和視頻信號的，所以它們一直保持那個頻率間隔(不管使用的最終發射載波頻率是多少)。

（2）FDM電路和性能

FDM電路工作在低的信號功率電平，并且只將完整的多路復用信號放大到要發送的最后功率電平。FDM系統是由一組具有不同載波的幅度、頻率和相位調制器組成的，所有這些調制器都是并行操作的。信道間隔是由每個調制器的載波設置的，并且調制類型是由使用的特殊調制器確定的。在將所有基帶信號調制及合并到一起之后，將多路復用的群信號放大到所需的功率電平。

在接收機端，解多路復用首先是用標準的超外差技術將多路復用的信號下變頻(如果需要)到中頻(IF)。每個多路復用信道有一個本振和一個混頻器，并且將IF帶寬設為等于調制以后的各個基帶信號的帶寬。解多路復用10個信號的接收機需要10個不同的本振（LO)和混頻器，每個LO工作在適合于它的理想信號的頻率。這個方法很有效，但是非常昂貴：設計和調整一組穩定的LO(時間上精確且不會漂移，并且不會相互干擾而產生寄生頻率)非常難。

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