探析數據通信中的多路復用技術及其應用

李佳航

（國家新聞出版廣電總局西安監測臺 陜西 710101）

0 前言

計算機網絡是地理上分散的多臺獨立自主的的計算機遵循約定的通信協議，通過軟、硬件互連以實現交互通信、資源共享、信息交換、協同工作以及在線處理等功能的系統。網絡間傳遞的信息主要是依靠數據的傳輸和交換，隨著全球網絡技術的應用和推廣，不同實體之間的數據傳輸就顯得尤為重要。為了更為有效地利用傳輸系統，人們希望通過同時攜帶多個信號來高效率地使用傳輸介質，這就是多路復用技術。配置多路復用線路有許多種不同方法，多路復用器的類型也各異，常用的有頻分多路復用（FDM）、時分多路復用（TDM）、波分多路復用（WDM）、碼分多路復用（CDM）等。

1 頻分多路復用（FDM）

一般的通信系統的信道所能提供的帶寬往往要比傳送一路信號所需的帶寬寬得多。因此，如果一條信道只傳輸一路信號是非常浪費的。為了充分利用信道的帶寬，提出了信道的頻分復用。頻分復用就是在發送端利用不同頻率的載波將多路信號的頻譜調制到不同的頻段，以實現多路復用。頻分復用的多路信號在頻率上不會重疊，合并在一起通過一條信道傳輸，到達接收端后可以通過中心頻率不同的帶通濾波器彼此分離開來。

圖1是一個頻分復用系統的組成框圖。假設共有n路復用的信號，每路信號首先通過低通濾波器（LPF）變成頻率受限的低通信號。為簡便起見，假設各路信號的最高頻率都相等。然后，每路信號通過載頻不同的調制器進行頻譜搬移。一般來說調制的方式原則上可任意選擇，但最常用的是單邊帶調制，因為它最節省頻帶。因此，圖中的調制器由相乘器和邊帶濾波器（SBF）構成（如圖1）。

圖1 頻分復用系統組成框圖

頻分復用信號原則上可以直接在信道中傳輸，但在某些應用中，還需要對合并后的復用信號再進行一次調制。頻分復用系統的最大優點是信道復用率高，容許復用的路數多，分路也很方便。因此，它成為目前模擬通信中最主要的一種復用方式。特別是在有線和微波通信系統中應用十分廣泛。

2 時分多路復用（TDM）

時分復用（TDM）是建立在抽樣定理基礎上的。抽樣定理指明：滿足一定條件下，時間連續的模擬信號可以用時間上離散的抽樣脈沖值代替。因此，如果抽樣脈沖占據較短時間，在抽樣脈沖之間就留出了時間空隙，利用這種空隙便可以傳輸其它信號的抽樣值。時分復用就是利用各路信號的抽樣值在時間上占據不同的時隙，來達到在同一信道中傳輸多路信號而互不干擾的一種方法。

與頻分復用相比，時分復用具有以下的主要優點：

（1）TDM多路信號的合路和分路都是數字電路，比FDM的模擬濾波器分路簡單、可靠。

（2）信道的非線性會在FDM系統中產生交調失真和多次諧波，引起路間干擾，因此，FDM對信道的非線性失真要求很高。而TDM系統的非線性失真要求可降低。

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 波分多路復用（WDM）

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，WavelengthDivisionMultiplexing）其本質上也是頻分復用技術。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1310nm和1550nm波長的波分復用、粗波分復用（CWDM，CoarseWavelengthDivisionMultiplexing）和密集波分復用（DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing）。

圖2 WDM互報傳輸系統示意圖

（1）1310nm和1550nm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：1310nm窗口一個波長，1550nm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1200～1700nm的寬窗口，目前主要應用波長在1550nm的系統中，當然1310nm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≥20nm，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纖放大器，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。

（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≤1.6nm，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。目前，采用DWDM技術，單根光纖可以傳輸的數據流量高達400Gbit/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 碼分多路復用（CDM）

碼分復用（CDM，CodeDivisionMultiplexing）是用一組相互正交的碼字區分信號的多路復用方法。在碼分復用中，各路信號碼元在頻譜上和時間上都是混疊的，但是代表每路信號的碼字是正交的。

碼分復用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（CodeDivisionMultipleAccess）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（SCD-MA）。實際上我們國家第一代移動通信系統是采用FDMA的模擬蜂窩系統。第二代移動通信系統是采用TDMA或窄帶CDMA為主的數字蜂窩系統。第三代移動通信系統中的主流技術為CDMA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。

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