谈通信系统中多路复用技术

于涛

（辽河油田通信公司，辽宁 盘锦 124010）

多路复用实现了两个功能：它允许发射机和接收机之间的现有信道或链路用于同时传递多条消息(增加了容量)；它还允许将相关信号聚集到一个整体中，然后由系统作为一个信号加以处理。

多路复用确保了两个信号不会同时占用相同的空间、频率和时间。它的实现方法是：增加新的物理链路(空分)、多个信号共享整个带宽的频谱(频分)、或者使每个用户都有机会依次访问链路(时分)。每种技术都在安装、成本、可靠性、检查维修的容易程度以及可达到的性能级别等方面具有优点和缺点。虽然多路复用可以用于模拟和数字信号，但是时分多路复用适合于数字信号，并且这些数字信号充分利用了数字电路。

1 多路复用简介

电子信号在特定的空间区域、规定的频带以及在已知的时间段内通过通信信道或链路。

当这三个元素(空间、频率和时间)对于两个或者多个信号都相同时，就会产生干扰和冲突。多路复用(复用)是允许多个信号在信道中共存的一种技术，它开发了共享空间、频率或者时间的机制。使用多路复用技术，许多信号可以共享现有的信道，并更充分地利用信道容量（解多路复用是相反的操作)。

使用多路复用技术有多种原因。通信系统可能会有多个新的单独用户需要在与第一个用户相同的两个端点之间发送消息，并且在它们之间安装另一条物理电线或者建立新的发射机和接收机对通常都是不现实的。这种情况的一个好的示例是电话中心局之间的主干信道，它携带有几十路通话。使用多路复用的另一个原因是它允许将几个不同的信号聚集在一个群中，这样就可以在整个系统中从那个端点开始，作为单个整体来处理它们。

有三种方法可以增加从发送端点传递到接收端点的信息量，或者信号数。按它们发展的历史顺序，它们分别是：

(1)空分多路复用（SDM）：通过在现有电线的旁边安装新的电线，建立多个物理通道。

(2)频分多路复用（FDM）：每个用户信号调制整个可用带宽中的不同的载波频率。

(3)时分多路复用（TDM）：为每个信号分配一个“时间间隔”或者“时间片”，并且每个信有机会(按顺序)使用信道链路和频率。

在这三类多路复用技术中，没有一种技术天生就比其他两种技术好。针对一个应用的最佳选择取决于许多因素：可用带宽、距离、信号数和信号类型、成本和复杂度以及可靠性。实际上，许多应用会在它从发射机到接收机的链路中多次复用信号，并且从信号源到信号用户的整个信号流路径中，每个阶段所使用的多路复用类型都可能是不同的。

多路复用技术允许其他信号使用信道中没有在使用的容量 (通常是可用的潜在带宽)，当然会有限制。当将更多的信号多路复用在一起时，会占用越来越多的可用带宽。因此，对可以实现的多路复用数会有限制；例如，可以是一些实际的限制：单个同轴电缆可以携带多少路话音信号，或者宽带UHF频率分配可以支持多少路电视信号。

2 数字和模拟信号多路复用

SDM、FDM和T'DM的基本定义并没有指出被多路复用的用户信号是模拟的还是数字的。可以将多路复用技术应用于任何一类信号(数字信号实际上是一类特殊的模拟信号)。但是，在实现多路复用的实际系统中，被多路复用的信号类型对电路设计有着很大的影响。模拟信号的多路复用电路必须容纳具有整个值范围内的任何一个值的信号，因此需要不会使信号失真的线性电路。数字多路复用系统希望信号只有有限的一组值 (在二进制数字情况下，只有两个值)，因此可以使用数字逻辑电路。

多路复用和调制(通信中的两个重要元素)是相关的，但是不应该将它们相互混淆。幅度、频率和相位调制(AM、FM、PM)是将承载信息的信号与更高的载波频率联系起来的三种方法，且调制是频分多路复用的关键。但是，可以在空间、频率或者时间上多路复用已调信号；类似的，已经多路复用的信号通常可以使用AM、FM或者PM技术调制载波。多路复用在一起的调制信号中的每个信号都可以使用不同类型的调制，尽管它们常常具有相同类型的调制。没载波频率的未调制信号称为基带信号，并且那个表示方法也用于描述进行FDM之前的信号。

3 频分多路复用

空分多路复用所引起的电报线和站设备的拥挤导致人们研究开发了频分多路复用。当链路(首先是电线，然后是无线传输链路)的潜在带宽大于链路上所发送的消息带宽时，就有可能进行FDM。因此，如果将另一个消息从基带搬移到新的载波频率，那么它就可以占用没有使用的带宽。已经作为调制(AM、FM和PM)研究了这个操作：将承载信息的信号加在载波上，改变载波的幅度、频率或者相位。

在FDM的最早应用中，电报站之间的电线链路的带宽大约是电报信号本身带宽的5倍。

因此，可以同时发送5个信号：一个信号位于基带，其他信号等间隔地分布在剩余带宽中。当然，现代同轴电缆和光纤链路有更宽的带宽，因此可以发送更多的信号（22号双绞线的带宽大约为100kHz~1MHz，取决于电线扭曲的紧密性和间距、电线规格、绝缘性和其他因素)。

FDM并不仅仅限于电线和光缆链路：当许多广播无线电和电视台都使用总带宽中唯一指定的载波进行发送以避免干扰时，就出现了FDM。基带处没有调制信号；相反，将每个调制信号都搬移到更高且略有不同的载波频率处，这样就可以通过普通信道发送它们，并在接收机端分开它们。这个信道可以是大气、真空或者电缆。

（1）FDM和群信号

FDM用于广播无线电和电视台的经验显示：允许相互独立的信号在不同频率共享相同时间和空间。提供这个功能的能力是FDM的主要特性，但是还有一个特性在通信系统应用中非常重要。FDM允许将多个基带信号聚集在各个子载波附近，然后通过一次多路复用(调制)操作，在频率上将其作为单个群或整体搬移到最后的载波值。其目的是为了使通信系统发射机和接收机电路的其他部分更加简单和更可靠，并且确保更好的性能。用户不必单独调谐电视信道的音频和视频信号，单个调谐器(当切换时)可以找到用于这个信道的6MHz宽的频谱部分。然后，通过本振和混频器将这个频谱部分搬移到固定的中频频率、视频和音频信号在与指定载波有关的已知频率处。由于最初是用精确的子载波多路复用基带音频和视频信号的，所以它们一直保持那个频率间隔(不管使用的最终发射载波频率是多少)。

（2）FDM电路和性能

FDM电路工作在低的信号功率电平，并且只将完整的多路复用信号放大到要发送的最后功率电平。FDM系统是由一组具有不同载波的幅度、频率和相位调制器组成的，所有这些调制器都是并行操作的。信道间隔是由每个调制器的载波设置的，并且调制类型是由使用的特殊调制器确定的。在将所有基带信号调制及合并到一起之后，将多路复用的群信号放大到所需的功率电平。

在接收机端，解多路复用首先是用标准的超外差技术将多路复用的信号下变频(如果需要)到中频(IF)。每个多路复用信道有一个本振和一个混频器，并且将IF带宽设为等于调制以后的各个基带信号的带宽。解多路复用10个信号的接收机需要10个不同的本振（LO)和混频器，每个LO工作在适合于它的理想信号的频率。这个方法很有效，但是非常昂贵：设计和调整一组稳定的LO(时间上精确且不会漂移，并且不会相互干扰而产生寄生频率)非常难。

[1]付真斌.基于频分复用的多路微电容检查技术[J].传感技术学报,2010,3.

[2]钱晓伟.多路复用技术与应用[J].电子计算机与外部设备，1998-10-15.

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