📖 2.6 信道复用技术

🎯 课程摘要：本节课讲解信道复用的基本原理，系统介绍五种常见复用技术——频分复用 FDM、时分复用 TDM、统计时分复用 STDM、波分复用 WDM（DWDM）、码分复用 CDMA，重点阐述各自的工作原理与特点，并通过 408 真题演练 CDMA 码片序列的规格化内积运算。

📝 详细笔记

1. 信道复用技术的基本原理

• 概念定义：复用（Multiplexing）就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。
• 原理解析：
  • 当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，可通过复用技术在这条传输媒体上建立多条通信信道，充分利用传输媒体带宽。
  • 发送端：使用 复用器（Multiplexer），让多个用户通过复用器使用一个大容量共享信道进行通信。
  • 接收端：使用 分用器（Demultiplexer），将共享信道中传输的信息分别发送给相应用户。
• ⚠️ 重点/考点：尽管复用会增加成本（复用器、分用器、大容量共享信道），但复用信道数量较大时比较划算。

2. 五种复用技术对比

3. 频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）

• 概念定义：将传输媒体的总频带划分成多个子频带，每个子频带作为一个通信子信道。
• 原理解析：
  • 每对用户使用其中一个子信道进行通信。
  • 各子信道之间需要留出 隔离频带（保护频带，Guard Band），以免造成子信道间干扰。
  • 所有用户 同时 占用不同的频带资源发送数据。
• ⚠️ 重点/考点：FDM 的特点是"同时占用不同频带"。

4. 时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）

• 概念定义：将时间划分为一段段等长的时隙，每个 TDM 用户在其相应时隙内独占传输媒体资源进行通信。
• 原理解析：
  • 各用户所对应的时隙构成 TDM 帧。
  • 每个用户占用的时隙 周期性出现，周期即 TDM 帧的长度。
  • 所有用户在 不同时间 占用同样的频段进行通信。
• ⚠️ 重点/考点：TDM 帧是一段固定长度的时间，与数据链路层对等实体间逻辑通信的"帧"是完全不同的概念。

5. 统计时分复用 STDM（Statistical TDM）

• 概念定义：时分复用的改进，按需动态分配时隙。
• 原理解析：不像传统 TDM 固定分配时隙，而是根据各用户的实际发送需求动态分配，提高信道利用率。
• 助教补充：STDM 适用于数据量突发性较强的数据通信场景。

6. 波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）

• 概念定义：波分复用就是光的频分复用，在一根光纤上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号。
• 原理解析：
  • 目前可在一根光纤上复用 80 路或更多路光载波信号，称为 密集波分复用 DWDM。
  • 基本物理原理：三棱镜可根据入射角和波长将几束光合成一道光，也可将合成光分离成多束光，据此实现光复用器和光分用器。
• 容量计算示例：
  • 一根光缆中放 100 根速率为 2.5 Gbit/s 的光纤，每根光纤采用 40 倍 DWDM：
  • 总数据速率 = 2.5 Gbit/s × 40 × 100 = 10000 Gbit/s = 10 Tbit/s。
• ⚠️ 重点/考点：铺设光缆工程耗资巨大，应尽量在一根光缆中放入尽可能多的光纤并对每根光纤使用 DWDM。

7. 码分复用 CDMA（Code Division Multiple Access）

• 概念定义：码分复用（常称码分多址）是在扩频通信技术基础上发展起来的一种无线通信技术。
• 原理解析：
  • 与 FDM 和 TDM 不同，CDMA 的每个用户可以在 相同时间、相同频段 进行通信。
  • 最初用于军事通信，抗干扰能力强，频谱类似白噪声，不易被发现。
  • 现已广泛用于民用移动通信。
• 码片机制：
  • CDMA 将每个比特时间划分为 M 个更短的时间片，称为 码片（Chip），M 通常为 64 或 128。
  • 每个站点被指派一个唯一的 M 比特 码片序列。
  • 发送比特 1 → 发送自己的码片序列。
  • 发送比特 0 → 发送自己码片序列的反码。
  • 码片序列中比特 0 记为 +1，比特 1 记为 −1，得到 码片向量。
• 正交规则：分配给每个站的码片序列必须相互 正交，即各码片向量的规格化内积为 0。

8. CDMA 的四个重要等式

设向量 A、B 分别为站 A、站 B 的码片向量：

• ⚠️ 重点/考点：接收端用自己的码片向量与收到的叠加码片向量做规格化内积：
  • 结果为 1 → 收到比特 1
  • 结果为 −1 → 收到比特 0
  • 结果为 0 → 没有收到信息

9. CDMA 工作流程（以基站向手机发送为例）

💡 核心总结

• 复用 = 一条传输媒体同时传多路信号，发送端复用器、接收端分用器。
• FDM 按频率划分、TDM 按时间划分、WDM 按光波长划分、CDMA 按码片序列划分。
• TDM 帧是时间段概念，不同于数据链路层的帧。
• CDMA 各用户同时同频段通信，靠正交码片序列区分，发送 1 用码片、发送 0 用反码。
• CDMA 接收判定：内积 1 → 比特 1，内积 −1 → 比特 0，内积 0 → 无信息。

❓ 课后思考 / 经典考题

1. （2014 年 408） 站点 A、B、C、D 的码片序列已知，站点 C 收到叠加序列，求站点 A 发送的数据。
   • 解析：将站点 C 收到的序列按每 4 比特分组，分别与 A 的码片序列做规格化内积：
     • 第一部分内积 = 1 → A 发送比特 1
     • 第二部分内积 = −1 → A 发送比特 0
     • 第三部分内积 = 1 → A 发送比特 1
   • 答案：A 发送的数据为 101。（答案 B）
2. 试比较 FDM、TDM、CDMA 三种复用技术在"用户同时性"和"频段占用"上的区别。
3. 为什么说 CDMA 系统具有较强的抗干扰能力？