探析数据通信中的多路复用技术及其应用

李佳航

（国家新闻出版广电总局西安监测台 陕西 710101）

0 前言

计算机网络是地理上分散的多台独立自主的的计算机遵循约定的通信协议，通过软、硬件互连以实现交互通信、资源共享、信息交换、协同工作以及在线处理等功能的系统。网络间传递的信息主要是依靠数据的传输和交换，随着全球网络技术的应用和推广，不同实体之间的数据传输就显得尤为重要。为了更为有效地利用传输系统，人们希望通过同时携带多个信号来高效率地使用传输介质，这就是多路复用技术。配置多路复用线路有许多种不同方法，多路复用器的类型也各异，常用的有频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）、码分多路复用（CDM）等。

1 频分多路复用（FDM）

一般的通信系统的信道所能提供的带宽往往要比传送一路信号所需的带宽宽得多。因此，如果一条信道只传输一路信号是非常浪费的。为了充分利用信道的带宽，提出了信道的频分复用。频分复用就是在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段，以实现多路复用。频分复用的多路信号在频率上不会重叠，合并在一起通过一条信道传输，到达接收端后可以通过中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来。

图1是一个频分复用系统的组成框图。假设共有n路复用的信号，每路信号首先通过低通滤波器（LPF）变成频率受限的低通信号。为简便起见，假设各路信号的最高频率都相等。然后，每路信号通过载频不同的调制器进行频谱搬移。一般来说调制的方式原则上可任意选择，但最常用的是单边带调制，因为它最节省频带。因此，图中的调制器由相乘器和边带滤波器（SBF）构成（如图1）。

图1 频分复用系统组成框图

频分复用信号原则上可以直接在信道中传输，但在某些应用中，还需要对合并后的复用信号再进行一次调制。频分复用系统的最大优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。因此，它成为目前模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。

2 时分多路复用（TDM）

时分复用（TDM）是建立在抽样定理基础上的。抽样定理指明：满足一定条件下，时间连续的模拟信号可以用时间上离散的抽样脉冲值代替。因此，如果抽样脉冲占据较短时间，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙，利用这种空隙便可以传输其它信号的抽样值。时分复用就是利用各路信号的抽样值在时间上占据不同的时隙，来达到在同一信道中传输多路信号而互不干扰的一种方法。

与频分复用相比，时分复用具有以下的主要优点：

（1）TDM多路信号的合路和分路都是数字电路，比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠。

（2）信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真和多次谐波，引起路间干扰，因此，FDM对信道的非线性失真要求很高。而TDM系统的非线性失真要求可降低。

时分复用技术与频分复用技术一样，有着非常广泛的应用，电话就是其中最经典的例子，此外时分复用技术在广电也同样取得了广泛地应用，如SDH，ATM，IP和HFC网络中CM与CMTS的通信都是利用了时分复用的技术。

3 波分多路复用（WDM）

光通信是由光来运载信号进行传输的方式。在光通信领域，人们习惯按波长而不是按频率来命名。因此，所谓的波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）其本质上也是频分复用技术。WDM是在1根光纤上承载多个波长（信道）系统，将1根光纤转换为多条”虚拟”纤，当然每条虚拟纤独立工作在不同波长上，这样极大地提高了光纤的传输容量。由于WDM系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。波分复用技术作为一种系统概念，通常有3种复用方式，即1310nm和1550nm波长的波分复用、粗波分复用（CWDM，CoarseWavelengthDivisionMultiplexing）和密集波分复用（DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing）。

图2 WDM互报传输系统示意图

（1）1310nm和1550nm波长的波分复用这种复用技术在20世纪70年代初时仅用两个波长：1310nm窗口一个波长，1550nm窗口一个波长，利用WDM技术实现单纤双窗口传输，这是最初的波分复用的使用情况。

（2）粗波分复用继在骨干网及长途网络中应用后，波分复用技术也开始在城域网中得到使用，主要指的是粗波分复用技术。CWDM使用1200～1700nm的宽窗口，目前主要应用波长在1550nm的系统中，当然1310nm波长的波分复用器也在研制之中。粗波分复用（大波长间隔）器相邻信道的间距一般≥20nm，它的波长数目一般为4波或8波，最多16波。当复用的信道数为16或者更少时，由于CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却，在成本、功耗要求和设备尺寸方面，CWDM系统比DWDM系统更有优势，CWDM越来越广泛地被业界所接受。CWDM无需选择成本昂贵的密集波分解复用器和光纤放大器，只需采用便宜的多通道激光收发器作为中继，因而成本大大下降。

（3）密集波分复用

密集波分复用技术（DWDM）可以承载8～160个波长，而且随着DWDM技术的不断发展，其分波波数的上限值仍在不断地增长，间隔一般≤1.6nm，主要应用于长距离传输系统。在所有的DWDM系统中都需要色散补偿技术（克服多波长系统中的非线性失真--四波混频现象）。在16波DWDM系统中，一般采用常规色散补偿光纤来进行补偿，而在40波DWDM系统中，必须采用色散斜率补偿光纤补偿。目前，采用DWDM技术，单根光纤可以传输的数据流量高达400Gbit/s，随着厂商在每根光纤中加入更多信道，每秒太位的传输速度指日可待。

4 码分多路复用（CDM）

码分复用（CDM，CodeDivisionMultiplexing）是用一组相互正交的码字区分信号的多路复用方法。在码分复用中，各路信号码元在频谱上和时间上都是混叠的，但是代表每路信号的码字是正交的。

码分复用主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。例如在多址蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳1个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内，建立用户之间的无线信道连接，是无线多址接入方式，属于多址接入技术。联通CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）就是码分复用的一种方式，称为码分多址，此外还有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和同步码分多址（SCD-MA）。实际上我们国家第一代移动通信系统是采用FDMA的模拟蜂窝系统。第二代移动通信系统是采用TDMA或窄带CDMA为主的数字蜂窝系统。第三代移动通信系统中的主流技术为CDMA技术，它意味着代表所有用户的伪随机码在到达基站时是同步的，由于伪随机码之间的同步正交性，可以有效地消除码间干扰，系统容量方面将得到极大的改善。

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