为什么要信道复用？

想象一下一个城市，如果没有交通规则，所有车辆都在同一条路上随意行驶，那交通会彻底瘫痪,网络世界也是一样。

信道复用技术的核心思想是：

如何让多个用户或设备能够高效、有序地共享同一个物理通信信道，而不会互相严重干扰，从而极大地提高信道的利用率和整个网络的容量。

如果没有复用技术，每个通信设备都需要一条独立的物理线路，这在成本和物理空间上是不可行的，信道复用技术就像一个“交通警察”或“智能调度系统”，它为多个信号在共享的“道路”（信道）上安全、高效地通行提供了方案。

主要信道复用技术原理详解

信道复用技术主要分为两大类：正交复用 和 非正交复用。

频分复用

核心原理：划分“车道”

FDM就像一条多车道的高速公路，它将整个信道的可用频带划分成多个互不重叠的、较窄的子频带（Sub-band）,每个子频带都分配给一个用户独占使用。

• 工作方式：

  1. 划分信道：将总带宽（从 1MHz 到 10MHz）划分为若干个子信道（1-2MHz, 2-3MHz, ..., 9-10MHz）。
  2. 分配信道：为每个用户分配一个固定的子信道。
  3. 同时传输：所有用户在自己的子信道上同时发送信号，因为频带不同,互不干扰。
  4. 接收：接收端通过带通滤波器只接收特定频带的信号,从而分离出各个用户的信号。

• 生活中的比喻：

  
  （图片来源网络，侵删）

  广播电台，不同的电台（如音乐台、新闻台、交通台）使用不同的频率（如 FM 97.4, FM 103.9），你的收音机调谐到某个频率，就只接收那个电台的信号，即使其他电台同时在广播,也不会干扰到你。

• 优点：

  • 技术简单,易于实现。
  • 适合传输模拟信号。

• 缺点：

  • 频谱效率低：子信道之间必须留有“保护频带”（Guard Band）以防止串扰,这造成了频谱资源的浪费。
  • 固定分配：一旦分配，即使某个用户没有数据发送，其子信道也会空闲,造成资源浪费。
  • 非线性效应：信道的非线性会产生谐波和交调干扰,影响FDM系统性能。

• 应用场景：

  • 老式的模拟有线电视系统。
  • AM/FM 广播电台。
  • 第一代移动通信系统。

时分复用

核心原理：轮流使用“整条车道”

TDM与FDM正好相反，它将时间分割成周期性的帧，每个帧再划分为若干个时隙，所有用户共享同一个频带,但在不同的时隙中独占信道。

• 工作方式：

  1. 划分时间：将时间划分为周期性的“帧”（Frame），每个帧又划分为若干个“时隙”（Time Slot）。
  2. 分配时隙：为每个用户分配一个或多个固定的时隙。
  3. 轮流传输：用户在自己的时隙到来时，将数据发送到共享信道上，其他时间,该用户保持沉默。
  4. 接收：接收端与发送端严格同步,在相应的时隙中接收数据。

• 生活中的比喻：

  一群人轮流在同一间会议室发言，每个人在规定的时间段内发言，其他人则保持安静，这样，大家都能完整地表达自己的观点,而不会互相打断。

• 优点：

  • 频谱效率高：不需要保护频带,所有频谱资源都用于传输数据。
  • 没有互调干扰：因为不同用户在不同时间使用信道,避免了FDM的非线性干扰问题。

• 缺点：

  • 需要严格同步：发送端和接收端必须保持精确的时间同步,否则数据就会错乱。
  • 固定分配：和FDM一样，时隙是预分配的，如果某个用户没有数据,其时隙也会被浪费。

• 应用场景：

  • POTS（传统电话系统）：多路电话信号通过TDM复用到一条主干线上传输。
  • GSM（2G移动通信）：结合了FDM和TDM，先在频分上划分载波,再在每个载波上进行时分复用。

波分复用

核心原理：FDM在光纤上的应用

WDM可以看作是FDM在光纤通信领域的特例，它利用光来承载信号,通过使用不同波长的光来划分信道。

• 工作方式：

  • 每个光信号被调制到一个特定的、不同的光波长（λ）上。
  • 这些不同波长的光信号通过同一根光纤同时传输。
  • 在接收端，使用“解复用器”（Demultiplexer，如光栅或棱镜）将不同波长的光信号分离出来,再由光电探测器转换为电信号。

• 生活中的比喻：

  一束白光（如太阳光）通过三棱镜后，会被分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等不同颜色的光，WDM就是反过来，把不同颜色的光（信号）混合在一起通过光纤传输,然后在另一端再把它们分开。

• 优点：

  • 容量巨大：一根光纤的带宽极高，WDM可以同时传输数十甚至上百个不同波长的光信号，极大地扩展了传输容量（一根光纤 = N条虚拟光纤）。
  • 技术成熟。

• 缺点：

  成本较高（需要激光器、复用/解复用器等光器件）。

• 应用场景：

  • 骨干网络：互联网的骨干网几乎完全使用WDM技术来承载海量数据。
  • 城域网和数据中心互联。

码分复用

核心原理：用不同的“暗号”区分

CDM是一种非常巧妙的复用方式，所有用户可以在同一时间、同一频带上发送信号，它们使用的是经过特殊编码（通常是伪随机码，PN码）的信号。

• 工作方式：

  1. 分配编码：为每个用户分配一个唯一的、互相关性极低的“地址码”（即伪随机码）。
  2. 扩频传输：每个用户要发送的数据（比特“1”或“0”）与其分配到的地址码进行模2加运算，从而将信号的频谱“扩展”得很宽。
  3. 混合传输：所有用户的扩频信号在空中叠加,混合在一起进行传输。
  4. 接收解扩：接收端使用与发送端完全相同的地址码进行相关运算，对于本用户的信号，经过相关运算后会恢复成原始数据；对于其他用户的信号，由于地址码不同，相关运算后结果接近于噪声,可以被滤除。

• 生活中的比喻：

  一个嘈杂的房间里，有多对人同时在用不同的语言（如中文、英文、日文）交谈，你只懂中文，那么你就能清晰地听到你那桌朋友的对话，而其他语言的对话对你来说就像背景噪音,你可以自动忽略。

• 优点：

  • 抗干扰性强：扩频信号具有很好的抗窄带干扰和抗多径衰落的能力。
  • 保密性好：信号经过扩频，看起来像噪声,不易被窃听。
  • 软容量：系统是“自干扰”的，新用户加入会增加背景噪声,但不会完全中断现有用户的通信。
  • 灵活接入：所有用户使用相同频率,无需频率或时间规划。

• 缺点：

  • 技术复杂：需要复杂的扩频和解扩电路,以及严格的同步。
  • 容量受限：系统的容量受限于“远近效应”（Near-Far Effect）,即离基站近的强信号会淹没离基站远的弱信号。

• 应用场景：

  • 3G移动通信（如WCDMA, CDMA2000）。
  • GPS全球定位系统。
  • Wi-Fi（802.11b标准）。

空分复用

核心原理：利用“空间位置”区分

SDM利用空间上的不同路径或位置来区分不同的信号，最典型的例子就是使用多天线（MIMO）技术。

• 工作方式：

  • 在发送端和接收端都部署多根天线。
  • 通过多根天线，可以同时创建多个并行的空间数据流，在同一频带、同一时间上传输不同的数据。
  • 接收端利用信号到达不同天线的角度差异，通过先进的信号处理算法（如波束成形、空间滤波）将这些数据流分离出来。

• 生活中的比喻：

  在一个体育场里，一个演说者对着多个方向同时喊话，而不同位置的听众可以根据声音来源的方向，清晰地听到各自想要听到的内容，MIMO技术就是通过多根天线制造出多个“虚拟”的方向通道。

• 优点：

  • 容量倍增：在不增加频谱和功率的情况下,成倍地提升系统容量和传输速率。
  • 提高信号质量：通过波束成形技术，可以将能量集中在特定方向，增强信号强度,抑制干扰。

• 缺点：

  • 需要更多的天线和复杂的信号处理算法。
  • 天线之间需要有足够的物理间隔,以避免相关性过高。

• 应用场景：

  • 4G/5G移动通信：MIMO是5G的核心技术之一。
  • Wi-Fi（802.11n/ac/ax）：现代路由器普遍采用多天线技术。

总结与对比

在现代通信系统中，这些技术很少单独使用，而是组合使用,以达到最佳的频谱效率和系统性能。

• GSM：FDM + TDM，先在频率上划分出200kHz的载波,再在每个载波上进行8个用户的时分复用。
• 4G/5G：OFDM + MIMO + TDD/FDD，OFDM本身是一种更先进的FDM变种，再结合空分复用和时分/频双工,构成了现代移动通信的基石。

理解这些复用技术原理,是深入掌握计算机网络和现代通信技术的关键。