复用

多路复用 (Multiplexing) 是一种将一个或多个信号通过同一通信信道发送的过程。调制过程（幅度调制或角度调制）是多路复用的一个例子，因为消息信号和载波信号都通过单个通信信道传输。多路复用的主要优点是可以在同一通信信道上实现多次传输。

信道在发射器和接收器之间充当媒介。它传输从发射器接收到的已调制的信号，并将其发送给接收器。接收器对接收到的信号进行解调，以恢复信号的原始形式。有各种通信信道类型，例如光纤、同轴电缆、双绞线电缆等。这些通信信道源将数据传输到很远的距离，如 Wi-Fi 和双向通信。我们还可以将多路复用定义为多个信号共享信道的过程。

多路复用与调制

单信道的传输称为调制，而多路传输称为多路复用。调制的目的是根据输出需求改变输入消息信号的特性。多路复用的目的是合并多个信号。因此，这两个术语（调制和多路复用）都会调制信号并将其传输到通信信道，并且在通信中广泛使用。在解调中，接收器捕获信号并将其转换回原始形式。同样，将多个信号恢复回原始形式的过程称为分路复用。

下面展示了多路复用器 (MUX) 和分路复用器 (DEMUX) 的简单图示

在多路复用中，各种信号以不同的频率传输。它避免了信号之间的任何干扰或混合，并有助于在接收端轻松分离它们。

多路复用类型

多路复用有五种类型，如下所示

• FDM (频分多路复用)
• TDM (时分多路复用)
• CDM (码分多路复用)
• SDM (空分多路复用)
• PDM (偏振分多路复用)
• WDM (波分多路复用)

FDM

频分多路复用是指多路复用方法，其中总带宽的信道按频率或频带进行划分。它允许不同频率的多个信号共享一个公共信道，例如光纤。每个频带都与其他频带不同，并承载单独的信号。以比特流形式的信号也以类似的方式传输。另一种方法是并行传输高阶比特流。

并行组合一次发送多个比特，如下图所示

在单一通信信道上发送的信号称为基带信号。发射器由电子振荡器、调制器和滤波器组成。电子振荡器生成携带信息的高频载波信号。调制器将载波信号和基带信号组合起来。它还会根据需要改变基带信号的特性，例如幅度、频率或相位。可以使用滤波器来减少任何噪声或衰减。调制器的输出产生调制和载波频率的和与差。信息存在于载波波的两个侧带中。类似地，以不同频率传输的其他信号会创建其他信息通道。

FDM 示例

让我们讨论最常见的 FDM 示例。

1. 电视广播
2. 广播
3. 电话广播

电视广播

电视广播是指在同一频道上传输多个电视信号的过程。所有独立的频道都以不同的频率传输，以防止任何串扰或干扰。

例如：

有线电视

在有线广播中，使用单个电缆传输多个信号。它通常在单个电缆（例如同轴电缆）上同时发送各种电视频道。

广播

广播是指在同一频道（空气）上传输多个无线电信号的过程。所有独立的频道都以不同的频率传输，以防止任何串扰或干扰。传输通过发送和接收无线电信号的天线进行。

电话广播

电话广播也指在同一频道（电话线）上传输多个电话或音频信号的过程。电话广播使用通信卫星、宽带、调制解调器、无线电波等，将信号从一个地方传输到另一个地方。例如，双绞线电缆。

FDM 的优点

FDM 的优点如下

• 无需同步
• 易于调制和解调
• 延迟高于 TDM

FDM 的缺点

FDM 的缺点如下

• 串扰和失真的可能性高
• 复杂的电路设计
• 昂贵
• 适用于低速信道

TDM

时分多路复用是指多路复用方法，其中信道的总带宽根据时隙进行划分。与其他类型多路复用相比，TDM 在利用最大传输信道带宽方面具有优势。它使用时间而不是频率来分隔按顺序排列的信号或数据流。它有助于接收器按各自的顺序恢复信息。时间间隔是根据发送信号的时间选择的。

例如：

脉冲调制

这是一种基于 TDM 的模拟调制技术。在脉冲调制中，传输的是幅度、频率或相位变化的脉冲形式的数据。两个脉冲之间的空间或间隙可供其他脉冲用于传输。

下面是解释使用 TDM 技术进行数据传输的简单框图

上图显示了每个输入有三个比特。它表明每个输入的每个比特都以特定的顺序排列，该顺序对于 n 个输入比特是相同的。每个输入的每个比特都按顺序排列。类似地，使用 TDM 传输 n 个比特。

TDM 进一步分为

1. 同步时分多路复用
2. 异步时分复用

同步 TDM

同步 TDM 中的时隙会预先分配给每一帧。数据传输中的任何延迟都可能导致数据传输空闲。这意味着如果一个时隙在指定时间未使用，则该时隙将被空着传输。

异步TDM

异步 TDM 中的时隙对每一帧都是灵活的。当连接的设备准备好传输数据时，可以将数据分配给时隙。这意味着一个时隙不会空着传输。它不允许任何特定时隙的浪费。

TDM 的优点

TDM 的优点如下

• 有效利用带宽
• 低干扰
• 低失真
• 简单的电路设计
• 高传输速度

TDM 的缺点

TDM 的缺点如下

• 需要正确的排序和规划
• 可能出现时隙不平衡
• 延迟低于 FDM
• 需要同步

CDM

码分多路复用是一种在传输过程中使用编码方案的技术。它为每个发射器分配一个代码。每个具有不同代码的发射器在同一通信信道上进行传输，并使用相同的过程进行分路复用。编码方案可确保传输过程具有较少的干扰。数字通信中的CDMA（码分多址）概念与 CDM 相同，它允许多个用户共享一个公共通信信道。

每个站点的代码不会相互干扰，因为一个站点的代码乘以另一个站点总是得到 0。一个站点的代码可以与其自身相乘，得到一个正数。

CDM 的优点

CDM 的优点如下

• 低干扰
• 安全传输
• 大用户容量
• 增加的用户资源

CDM 的缺点

CDM 的缺点如下

• 需要时间同步
• 其性能会受到用户增加的影响

SDM

空分多路复用用于在空间中传输独立信道。它也称为空间多路复用。它通常用于无线技术，例如光纤和 Wi-Fi。光纤传输可以使用单芯光纤、多芯光纤和光纤束来将数据从发射器传输到接收器。

在通过空间进行无线传输的情况下，会在发射端和接收端集成多个天线。通过使用绝缘体和波导来保持信道分离。

例如：

SDMA（空分多址）

它是一种数字通信多路复用方法，在通信系统中为每个信道使用点对点导体。它通常用于移动通信，其中信道可以重用用于传输过程。它通过先进的天线技术提供高容量的空间多路复用，可以在同一通信信道上传输多个信号。使用先进技术有助于过滤掉传入信号的噪声或干扰。

SDM 的优点

SDM 的优点如下

• 低功耗
• 无线传输
• 高效率
• 高精度

SDM 的缺点

SDM 的缺点如下

• 复杂的电路设计
• 昂贵
• 维护复杂
• 高插入损耗

PDM

偏振分多路复用是一种光纤传输技术，它使用电磁波的偏振。偏振是指沿特定方向传播的波的振动。电磁波携带电磁能量，如X射线、红外线、红外线等。它允许两个承载信息的信道基于相同的载波频率传输，方法是使用两个正交偏振状态。它通常用于 VHF（甚高频）应用，例如卫星通信和光纤。

微波卫星通信中的两个正交偏振天线将总带宽增加了一倍。双极化信号可以承载多达两个独立的数据流，而单极化信号一次只能承载或接收一个数据流。PDM 允许高达 100G/bits 的高传输速度。它通常与光QAM（正交幅度调制）和相位调制一起使用。

There

PDM 的优点

PDM 的优点如下

• 高频谱效率
• 高光传输能力
• 适用于 VHF 应用

PDM 的缺点

PDM 的缺点如下

• 由于环境的物理变化，可能发生偏振漂移
• 可能发生偏振相关损耗

WDM

波分多路复用也是一种通过光纤进行的光通信类型。它允许传输具有不同波长或颜色（激光）的多个信号。它也称为波长双工或双向多路复用，因为它允许双向传输。所有信号被组合并通过单个光纤传输。接收端的解复用器将入射光束分成独立的信号作为输出。链路或信号源称为换能器。

下面展示了 WDM 的简单图示

WDM 进一步分为 CWDM 和 DWDM。CWDM（粗波分多路复用）可以处理多达 8 个信道，相邻两个信道之间间隔 20 纳米。它价格便宜且功耗较低。DWDM（密集波分多路复用）可以处理更多信道。它价格昂贵，通过单个光纤链路传输大量数据。

WDM 的优点

WDM 的优点如下

• 双向传输
• 高带宽
• 高安全性
• 易于实现
• 高灵活性

WDM 的缺点

WDM 的缺点如下

• 需要适当的间隔才能有效传输
• 成本随着信道容量的增加而增加

多路复用的应用

多路复用有多种应用。让我们讨论一些最常见的应用。

• 模拟广播
  模拟广播是指将模拟信号从一个地方传输到另一个地方。在调制过程中，载波信号被添加到消息信号中。它在不同时间通过通信信道将多个模拟信号发送到接收器。TDM 广泛用于模拟脉冲调制，以传输幅度、宽度和位置变化的脉冲序列。其他脉冲可以有效地利用脉冲之间的空间或间隙进行传输。
• 数字广播
  数字广播是指将数字信号从一个地方传输到另一个地方。在这里，将多个比特数据流多路复用成一个固定数据流。它有助于在同一通信信道上传输多个音频和视频信号。在电视上传输多个频道是常见的例子。
  通过通信卫星（人造卫星）传输数据有两种模式：MCPC 和 SCPC。MCPC（每个载波多个信道）在单个载波上传输多个无线电和电视频道。SCPC（每个载波单个信道）在单个视频载波上传输单个无线电和电视频道。这意味着 SCPC 中的多路复用是不切实际的。
• 视频处理
  视频处理中的 TDM（时分多路复用）是一种常见的技术，用于在特定时间间隔内传输多个分隔的信号。多路复用将音频和视频信号合并到一个连贯的数据流中。音频和视频信号具有不同的比特率。组合这两个信号的设备称为混合器或多路复用器。在接收端执行相反的操作，其中分路器或分路复用器将接收到的流的组件分离。
• 电报
  这是最早发明的通过电线进行通信的技术，它使用电池在发送端和接收端发送消息。电话的发明基于 FDM（频分多路复用），它允许在同一电话线上传输多个音频信号。电话线还与相邻区域进行多路复用，然后连接到中央交换机。