2.4 信道复用技术

 前言：

 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

**2.4 信道复用技术笔记**

---

**1. 定义：**
- **复用 (Multiplexing)**：允许多个用户共享一个传输介质，从而提高资源使用效率。

---

**2. 基本复用示意：**
- 使用多个独立信道 vs 使用一个共享信道（配合复用器和分用器）。

---

**3. 主要类型：**
  
   **a. 频分复用 (FDM)**
   
   - 多个用户同时传输，但每个用户被分配到一个唯一的频带。
   - 持续占用固定频带。
   
   **b. 时分复用 (TDM)**
   
   - 把时间分为多个时隙，每个用户被分配到一个固定的时隙。
   - 适合数字信号传输。

   **c. 统计时分复用 (STDM)**
   
   - 动态地根据用户数据的存在与否分配时隙。
   - 提高线路利用率，称为异步时分复用。
   - 每个时隙包含用户地址信息。

---

**4. 优点与缺点：**

   **a. FDM**
   
   - 优点：简单，成熟。
   - 缺点：带宽不变，无法灵活应对用户数变化。

   **b. TDM**
   
   - 优点：技术成熟，适合数字信号。
   - 缺点：固定时隙分配，可能导致资源浪费。
   
   **c. STDM**
   
   - 优点：线路利用率高，适应性好。
   - 缺点：需要附加地址信息。

---

**5. 注意事项：**
   
   - 复用器与分用器成对使用。
   - STDM与常规TDM的区别是动态分配。
   - 物理层的“帧”与数据链路层的“帧”是不同的概念。

---

**重点**：

- 复用技术是为了提高传输媒体的利用率。
- FDM、TDM、STDM三种常见的复用方法，各有优缺点。

**难点**：

- STDM的工作原理和与TDM的区别。
- 如何选择合适的复用技术以适应特定的应用。

**易错点**：

- 混淆FDM、TDM和STDM的定义和应用场景。
- 混淆物理层的帧与数据链路层的帧。

我的理解：

1. **信道复用技术的基本含义**:
    - 信道复用技术是指让多个用户或信号共享同一个通信信道。你可以想象高速公路上有多条车道，虽然所有车辆使用相同的公路，但它们可以在不同的车道上行驶而不会相互干扰。

2. **频分复用 (FDM)**:
    - 所有用户同时使用信道，但每个用户被分配一个独特的频率范围（频带）。这就像一个广播电台拥有自己的频率并且不与其他电台干扰。
  
3. **时分复用 (TDM)**:
    - 所有用户共享同一频带，但不是同时。每个用户被分配一个固定的时间段（或时隙）来使用信道。这就像多个人轮流使用一个公用电话进行通话。

4. **统计时分复用 (STDM)**:
    - 这是时分复用的一种变体。不是为每个用户固定分配时间，而是根据用户的数据需求动态分配时间。所以，如果一个用户没有数据发送，那么该用户的时间可以分配给其他用户。这使得信道的利用率得到了优化。

5. **复用和分用设备**:
    - 复用器是在发送端将多个输入信号合并到一个输出信道的设备。而分用器则在接收端工作，将复用后的信号分离出来，恢复到其原始的信号。

6. **信道利用率问题**:
    - 在传统的时分复用中，即使用户没有数据要发送，其分配的时隙也不能被其他用户使用，这可能导致资源浪费。
    - 而统计时分复用技术允许更加灵活地利用时间资源，从而提高了信道的利用率。

7. **集中器和统计时分复用**:
    - 集中器使用统计时分复用技术来提高信道利用率。当用户发送数据到集中器时，集中器将数据存储在其输入缓存中。然后，集中器检查哪些用户有数据要发送，并动态地为它们分配时间，这使得信道的利用率得到了优化。

8. **异步和同步时分复用**:
    - 统计时分复用是异步的，因为它是根据需要动态分配时间的，而传统的时分复用则是同步的，因为它有固定的时间分配。

9. **额外的开销**:
    - 由于在统计时分复用中，时间不是固定地分配给某个用户，所以每个时间段中都需要有用户的地址信息，这导致了一些额外的开销。

最后，这节中提到的“帧”是指在物理层传送的数据单位，与数据链路层的“帧”是两个不同的概念。

简言之，这一节的重点是描述如何有效地在单个信道上同时传输多个信号或数据流，使得网络资源得到充分的利用。

 2.4.2 波分复用

笔记2.4.2：波分复用 (WDM)

**定义与背景**:
- **波分复用 (WDM)**: 本质上是光的频分复用。随着光纤技术的发展，数据传输速率得到了显著提高。现在，利用频分复用的概念，一根光纤可以同时传输多个频率相近的光载波信号，从而显著提高光纤的传输能力。
- **波长与频率**: 通常使用波长而不是频率来表示光载波，因为光载波的频率非常高。
  
**技术进展**:
- **WDM**: 起初，一根光纤只能复用两路光载波信号。
- **DWDM (密集波分复用)**: 随技术进步，一根光纤现在能够复用多达几十路或更多的光载波信号。例如，每路数据率为40 Gbit/s的DWDM，若在一根光纤上复用64路，则总数据率为2.56 Tbit/s。

**图2-17 波分复用概念**:
- 该图展示了8路传输速率均为2.5 Gbit/s的光载波，其波长均为1310 nm。这些光载波经调制后，其波长变为1550-1557 nm，每隔1nm一个。这8个光载波经过复用器后在单根光纤中传输，使得总传输速率达到20 Gbit/s。

**光放大技术**:
- **EDFA (掺铒光纤放大器)**: 是一种直接放大光信号的放大器，不需要进行光电转换。EDFA在1550 nm波长附近提供较均匀的、最高可达40~50dB的增益。两个EDFA之间的光缆长度可达120 km。

**优化光纤使用**:
- 由于地下光缆的部署成本高昂，通常在单根光缆中包含大量光纤，并对每根使用DWDM技术。例如，对于含有100根2.5 Gbit/s光纤的光缆，采用16倍的DWDM后，得到的总数据率为4Tbit/s。

**前沿动态**:
- 截止2014年，我国已实现在一根光纤中进行375路、每路267.27 Gbit/s的传输，总容量达到100.23 Tbit/s，尽管此技术商业化仍需时间。

**总结**:
波分复用技术通过在单根光纤上复用多个光载波信号，显著提高了数据传输速率，且随着技术进步，其容量和传输距离仍在增长。

我的理解：

波分复用 (Wavelength Division Multiplexing, WDM) 是一种光通信技术，它允许在同一根光纤中同时传输多个光信号，从而提高了光纤的数据传输能力。下面是对这一概念的简化理解：

1. **基本原理**：就像在高速公路上有多条车道，每条车道上可以驶过一辆车，WDM 允许我们在一根光纤中有多条"光的车道"，每条“车道”对应一个特定的波长。

2. **频率和波长**：在光纤通信中，我们通常不说"频率"，而说"波长"。波长是光的特性，与频率是相反的。更短的波长意味着更高的频率。

3. **WDM vs DWDM**：WDM 是最初的技术，只允许少数几个信号同时传输。而随着技术的进步，我们能够在一根光纤上发送更多的信号，这就是密集波分复用 (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)。DWDM 与 WDM 的主要区别在于它可以处理更多的信号。

4. **图2-17**：这张图显示了如何将8个不同波长的光信号复合到一根光纤上。每个信号首先经过调制（改变其波长），然后所有的信号都被复合到一起，最后一起通过光纤发送。

5. **光放大**：由于光信号在光纤中传输一段距离后会衰减，所以需要放大。EDFA 是一种特殊的放大器，它可以直接放大光信号，而不需要将其转换为电信号。

6. **提高效率**：光纤部署的成本很高，因此人们尽量提高其效率。一种方法是在一根光纤中放入更多的光纤，并使用 DWDM 技术。这样，单个光纤的数据传输能力可以显著增加。

7. **未来的发展**：这一节还提到了一些前沿的研究和成果，显示了光纤通信技术在未来的巨大潜力。

简而言之，波分复用技术就是利用光纤的不同“车道”同时传输多个光信号，从而大大提高了数据传输的速率和效率。

 2.4.3 码分复用

### 2.4.3 码分复用笔记

**定义与应用**：
- 码分复用（CDM）是一种允许多用户共享同一信道的技术。
- 更常见的名词是码分多址（CDMA）。
- 允许每个用户在同一时间使用相同的频带进行通信，但由于每个用户使用独特的码型，所以用户间不会相互干扰。
- 最初用于军事通信，具有高抗干扰能力且难以被发现。
- 随技术进步，现在广泛应用于民用移动通信，特别是无线局域网中。

**CDMA的优势**：
- 提高通信质量与数据传输可靠性。
- 减少干扰。
- 增大通信系统容量（是GSM的4~5倍）。
- 降低手机的平均发射功率。

**工作原理**：
- 在CDMA中，每一个比特时间被进一步划分为多个短的间隔，称为“码片”。
- 每个使用CDMA的站点都有一个唯一的码片序列。
- 当要发送比特1时，发送该码片序列；发送比特0时，发送该码片序列的二进制反码。
- 该方法导致实际的数据发送率是原始数据率的多倍，这是扩频通信的一种形式。

**扩频通信的分类**：
- 直接序列扩频（DSSS）：如上所述的使用码片序列的方法。
- 跳频扩频（FHSS）。

**CDMA的关键特性**：
- CDMA为每个站分配的码片序列不仅要唯一，还要互相正交。
- 这些序列通常使用伪随机码。

**正交性原理**：
- 两个不同站的码片序列正交意味着他们的规格化内积为0。
- 一个码片向量和它自己的规格化内积是1，而与它的反码的内积是-1。

**CDMA的运作**：
- 所有站点发送的信号都是数据比特与其码片序列的乘积。
- 当一个站（如X站）想接收另一个站（如S站）的数据时，它使用S站的码片序列与接收到的信号求内积。
- 结果，其他站的信号都被滤除，仅保留S站的信号。

**图2-18解释**：
- 展示了CDMA的工作原理。
- S站发送的数据是110，其码片序列为(-1-1-1+1+1-1+1+1)。
- T站发送的数据也是110，但其码片序列与S站不同。
- 所有站收到的是S和T站的信号的总和。
- 当接收站想要接收S站的信号时，它用S站的码片序列求内积，从而获得S站的数据。

通过上述笔记，我们可以更简洁地了解和复习码分复用（CDM/CDMA）的基本概念、优势和工作原理。

 我的理解：

码分多址 (CDMA) 是一个复杂但又非常强大的通信技术。为了帮助你更好地理解这一节的概念，我会将其概括并使用一些简化的示例来解释核心思想。

1. **基本概念**：
    - **码分复用 (Code Division Multiplexing)**：这是允许多个用户在同一时间使用相同频率进行通信的技术。
    - **码片 (chip)**：原始数据比特被划分为较小的时间间隔，这些间隔被称为“码片”。例如，原始数据比特“1”可以转化为一个码片序列如“00011011”。
    - **扩频 (spread spectrum)**：原始数据被扩展到一个更宽的频带。因此，数据传输的速率和占用的频带宽度都会增加。

2. **工作原理**：
    - 每个用户在CDMA系统中被分配一个唯一的码片序列。这些序列是精心设计的，使得任何两个序列之间都是正交的。
    - 正交是一个数学术语，意味着两个序列相乘的结果是零。因为这些序列是正交的，所以即使所有用户同时在同一个频道上发送消息，他们也不会互相干扰。
    - 当用户需要发送数据时，他们会用自己的唯一码片序列来编码这些数据。
    - 在接收端，如果你知道一个特定用户的码片序列，你可以用这个序列来解码接收到的信号，从中提取出该用户的数据。由于码片序列的正交性，其他用户的数据对解码过程没有影响。

3. **实际应用**：
    - CDMA技术最初被应用于军事通信，因为它对干扰有很强的抵抗能力，使得其很难被敌人发现和干扰。
    - 现代移动通信系统，特别是无线通信和某些无线局域网技术，也广泛采用了CDMA。

4. **示例**：
    - 想象一个大房间，里面有很多人在说话。每个人都用自己的语言（这就是他们的“码片序列”）说同样的故事（数据）。即使所有人都在同时说话，如果你懂其中一个人的语言，你就可以理解他说的故事，而其他人的讲述就像背景噪音一样，不会影响你的理解。

总的来说，CDMA是一种允许多个用户在同一时间、同一频率进行通信，而不会互相干扰的技术。其关键在于每个用户使用的独特码片序列，以及这些序列之间的正交性。

比喻：

当然可以。让我们用一个图书馆来进行比喻。

想象一个大型的图书馆，这里的每一位读者都在阅读不同的书籍。图书馆代表了一个通信通道，而每一位读者代表了CDMA系统中的一个用户。

1. **唯一的码片序列**：每位读者都有一种特殊的眼镜。这些眼镜非常特别，它们只允许穿戴者看到他们选择的那本书的内容，而其他所有书的内容都会被这对眼镜滤掉。这种眼镜就是每个用户的唯一码片序列。

2. **正交性**：由于每对眼镜都被调制为只看到某本特定的书，所以无论图书馆里有多少读者，他们都可以同时阅读，而不会被其他书籍的内容干扰。这种现象可以比作码片序列之间的正交性。

3. **发送与接收**：当一个读者想要分享他所读的内容时，他可以用他的眼镜将某一页的内容投影到墙上。其他读者，如果他们也有相同的眼镜，就可以看到这位读者分享的内容。但是，没有这种眼镜的读者则看不到这些内容。这就好比CDMA中的发送和接收过程。

4. **抗干扰能力**：即使有人在图书馆里大声说话或有背景噪音，每位读者依然可以集中注意力阅读自己的书籍，因为他们的眼镜过滤掉了所有其他的信息。这类似于CDMA的抗干扰能力。

5. **多用户接入**：图书馆的容量巨大，可以容纳数百名读者同时阅读。由于每位读者都有自己的特殊眼镜，所以他们可以同时在图书馆中阅读，而不会相互干扰。这代表了CDMA技术允许多个用户同时在一个通信通道中传输信息。

通过这个比喻，你可以将图书馆视为一个大型的通信系统，而每位读者及其特殊的眼镜则代表了CDMA中的每个用户及其唯一的码片序列。

 

总结：

### 重点：
1. **信道复用技术定义**：它允许多个用户或通信会话共享同一个通信链路或频带。
  
2. **种类**：时分多路复用（TDM）、频分多路复用（FDM）、码分多路复用（CDM/CDMA）和波分多路复用（WDM）。

3. **使用场景**：每种复用技术都有其适用的特定场景和应用领域，例如CDMA主要在无线通信中使用，WDM常用于光纤通信。

### 难点：
1. **CDMA的正交性理解**：正交码在CDMA中是非常关键的，确保每个用户的码片序列与其他用户的码片序列互相不干扰。
  
2. **工作原理的细节**：对于新手来说，理解每种复用技术如何具体工作，如何分配和解复用信道可能会有些复杂。

3. **技术的优缺点和适用环境**：每种复用技术都有其优点和缺点，并不是所有技术都适用于所有场景。

### 易错点：
1. **混淆不同的复用技术**：例如将TDM和FDM或者CDMA和WDM混淆。尽管它们的目的都是允许多个用户共享一个信道，但它们的工作原理和实现细节是完全不同的。

2. **CDMA的码片序列选择**：正交性是CDMA工作的关键，但是在实际系统中如何选择和生成这些正交的码片序列是一个复杂的问题。

3. **误解频宽和传输速率的关系**：尽管复用技术可以提高信道的使用效率，但它并不总是直接增加传输速率。例如，FDM将信道分为多个子频带，每个子频带的频宽都小于原始信道。

这些总结可以为你提供一个对2.4信道复用技术的全面和深入的理解。需要注意的是，真正理解这些技术的工作原理和细节需要时间和实践。