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信道复用技术（FDM/TDM/WDM/CDM）
2026 大纲 三（五）1 信道划分介质访问控制（FDM、TDM、WDM、CDM）。文件放在 physical 目录，但大纲把「信道划分」归在数据链路层的介质访问控制之下，归属以大纲为准。码片序列的正交性与内积解码在《CDMA 码分多址》。
一、一条线只服务一对用户太浪费
前三节把一条线用到了极限：定义清量、算出上限、选好编码。但这条线上只跑着一对用户的数据——铺一条长途线路的成本极高，只给两个人用显然不划算。
复用要解决的就是这件事：让多路信号共用同一条物理线路，接收端还能把它们分开。
分开的办法只有一个思路：切维度。两个信号只要在任何一个维度上不重叠，接收端就有办法把它们区分出来。FDM 切频率、TDM 切时间、WDM 切波长（本质仍是频率）、CDM 切编码——四种技术的差别全在切的是哪一维。
复用器 MUX 与分用器 DEMUX 必须成对使用。它也不是免费的：共享信道带宽大、本身更贵，两端还要加这两台设备。信道数量足够大，摊薄下来才划算。
先摆清它在介质访问控制里的位置
多个站共用一条链路、避免互相打架的办法一共三类，信道划分只是其中一类：
| 类别 | 做法 | 会不会冲突 | 代表技术 |
|---|---|---|---|
| 信道划分（本篇） | 事先把信道按某个维度切成互不重叠的份，每站独占一份 | 绝不会 | FDM、TDM、WDM、CDM |
| 随机访问 | 不预先分配，谁想发就发，撞了退避重发 | 会，靠协议善后 | ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA |
| 轮询访问 | 不预先分配，但发送权按顺序传递 | 不会 | 令牌传递 |
分界只有两句：划分是静态的、发生在通信开始之前，后两类是动态的、在通信过程中决定谁发；随机访问允许冲突再解决，轮询访问从机制上不产生冲突。
信道划分换来无冲突与确定时延，通病是站没数据可发时它那一份也空着——这正是本节末尾统计时分复用要修补的，也是数据链路层那一章随机访问协议得以存在的理由。
二、FDM 与 TDM：两句判据，三处"为什么"
两句判据先记准，它们的措辞是对称的：
- FDM：各路信号在同样的时间占用不同的频带。
- TDM：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
FDM TDM
频率 ↑ 时间 →
│ ┌────────┐ ┌──────┬──────┬──────┬──────┐
│ │ 用户3 │ │用户A │用户B │用户C │用户A │ ...
│ ├────────┤ ← 保护频带 └──────┴──────┴──────┴──────┘
│ │ 用户2 │ ├──── 一个 TDM 帧 ────┤
│ ├────────┤ ← 保护频带
│ │ 用户1 │ 每一路在每个帧里占固定序号的时隙，
│ └────────┘ 轮到时独占整个链路带宽
└──────────────→ 时间
所有用户始终占着各自的频带因为每一路占用的时隙周期性地出现（周期就是 TDM 帧的长度），TDM 信号也称为等时（isochronous）信号。
保护频带为什么省不掉。 理想滤波器不存在，实际滤波器的过渡带有宽度；相邻两个子频带紧挨着，一路信号的能量就会溢进邻路的通带，这叫邻道干扰。保护频带就是花一段带宽换隔离度——标准话路语音只有 3.1 kHz，复用时却要占 4 kHz。所以 FDM 的总带宽是各路带宽之和，1000 个用户就要 4 MHz。
TDM 为什么必须严格同步、FDM 不用。 TDM 靠位置区分用户：接收端是数着"这是本帧第几个时隙"来判断这段比特属于谁的，时钟一偏、数错一个时隙，所有用户的数据全部串位。FDM 靠频率区分用户，滤波器认的是频率不是时刻，收发时钟差一点无所谓。
125 µs 从哪来。 一路标准数字电话每秒采样 8000 次（这个数的来历见通信基础的 PCM 一节），采样周期就是
由此得出一条对称的结论，也是这一节最值得记的一句：用户数增加时，FDM 与 TDM 的变化方向相反——FDM 总带宽变宽、每路带宽不变；TDM 帧长不变、每个时隙变窄（1000 路则每人 0.125 µs）、线路速率变高。而时隙宽度非常窄的脉冲信号，所占的频谱范围也非常宽，绕了一圈还是要付带宽的账。
T1 与 E1 的速率可以自己推出来
依据只有三条：帧长 125 µs（每秒 8000 帧）、每样本 8 bit、再加几位同步开销。
北美 T1：24 路话音做同步时分复用，每帧在 24 个时隙之外再加 1 个帧同步位——这一位就是"TDM 必须严格同步"的开销，接收端靠它对齐帧边界。
欧洲 E1：32 个时隙（30 路话音 + 2 个用于帧同步与信令的时隙），每时隙 8 bit，无额外帧同步位：
两条线路互不兼容，就差在同步开销放在哪里。能推出来比记住这两个数牢靠。
三、统计时分复用：省下空闲时隙，代价是什么
同步时分复用的时隙是固定分配的：计算机数据是突发性的，某个用户正在敲键盘时根本没数据，它的时隙照样空着，别人即使一直有数据也用不了。
STDM 改成按需动态分配：各用户有数据就发往集中器的输入缓存，集中器依次扫描各缓存，把有数据的放进 STDM 帧、对没有数据的直接跳过，装满一帧就发出去。
代价链条很硬：跳过机制破坏了"第 3 个时隙一定是用户 C 的"这种位置约定，就必须换一种方式说明这段数据是谁的，于是每个时隙都要额外携带地址。同一件事的另一个说法是：STDM 输出线路上某用户占用的时隙不再周期性出现，所以它又叫异步时分复用。
| 对比项 | TDM（同步） | STDM（异步/统计） |
|---|---|---|
| 时隙分配 | 预先固定 | 按需动态 |
| 帧内时隙数 | = 用户数 | ＜ 用户数 |
| 用户空闲时 | 时隙浪费 | 跳过，不浪费 |
| 靠什么认人 | 位置 | 地址字段 |
| 每时隙开销 | 无 | 有（地址） |
| 线路利用率 | 较低 | 高 |
| 时延 | 恒定可算 | 取决于当时有多少人在抢 |
STDM 的前提是输出线路速率小于各输入速率之和、而平均看两者平衡——也就是各用户都间歇工作，否则缓存必然溢出。省下来的倍数也就是这么来的：同步 TDM 必须按每个用户的峰值留固定时隙，STDM 只需承载总的平均负载，所以线路速率省的倍数正好是占空比的倒数（各用户 20% 时间在发，就省 5 倍）。
这条权衡在整门课里反复出现：预留资源 → 时延确定、利用率低；共享资源 → 反之。电路交换与分组交换是同一件事的另一个版本，后面的虚电路与数据报、面向连接与无连接也都是。
⚠️ TDM/STDM 帧不是链路层的帧。 前者是物理层比特流上的划分（长度由采样周期定死、无差错控制），后者是链路层的 PDU（长度可变、有帧检验序列）。同名不同物，教材专门强调过一句"不可弄混"。
四、WDM 与 CDM 各自的特殊之处
WDM 换的只是标识方式。 光载波频率非常高（可见光约
波分复用与"一条光缆里放多根光纤"是两个互相独立的倍增维度，可以直接相乘——铺缆的土建成本极高，工程上总是两个维度一起用。
CDM 是最反直觉的一个：时间和频率都不切。 但它确实是一种划分，划分的是"信号空间里的方向"——
复用 M 与多址 MA 差在哪
FD、TD、CD 说的是用哪种技术，后面跟的两个字母才是区别所在：M = Multiplexing，只说明在哪个域上复用；MA = Multiple Access，多出来的 A 是"接入"，强调让多个（可能异地的）用户接入同一条信道。所以谈技术本身用 FDM/TDM/CDM，谈"多个站怎么共享"用 FDMA/TDMA/CDMA。
五、四种复用总对比
| 对比项 | FDM | TDM | WDM | CDM |
|---|---|---|---|---|
| 划分维度 | 频率 | 时间 | 波长（光的频率） | 编码 |
| 同时传输 | 是 | 否（轮流） | 是 | 是 |
| 共享频带 | 否（各占一段） | 是（轮到时独占全部） | 否（各占一个波长） | 是（全部共享） |
| 需要时钟同步 | 否 | 是（严格） | 否 | 是（码片序列要对齐） |
| 靠什么区分用户 | 频率 | 时隙位置 | 波长 | 码片序列 |
| 主要开销 | 保护频带 | 帧同步位 | 光复用/分用器 | 带宽扩大 |
| 适用介质 | 电缆、无线 | 电缆 | 仅光纤 | 无线 |
| 典型应用 | 广播、有线电视、ADSL | T1/E1 线路 | 光纤骨干网 | CDMA 移动通信 |
本节小结
- 复用就是切维度：两个信号只要在任一维度上不重叠就能分开。FDM 切频率（需保护频带、总带宽为各路之和）、TDM 切时间（靠时隙位置认人故必须严格同步）、WDM 是光的 FDM、CDM 切编码（同时同频、靠正交性、带宽扩大
倍）。 - TDM 帧长恒为 125 µs，由 PCM 采样周期钉死、与用户数无关；用户数增加时变窄的是时隙。这与"FDM 用户数增加则总带宽变宽"方向相反。
- STDM 用"跳过空闲用户"换利用率，因此帧内时隙数小于用户数、每时隙必须带地址、时隙不再周期出现（故称异步时分复用）；代价是排队时延不确定、过载丢数据。
考点速记
本节的四种复用机制在真题里不单独成题。 拿"频分复用""统计时分复用""波分"这些词去查历年真题的题干与选项，命中为零；仅有的相关词出现在别的题的干扰项里（比如举例说明分层透明性时提一句）。这不等于超纲——它在大纲里明确列着（三（五）1），只是历年考查的重心落在了数据链路层的随机访问那一侧。
本节练习区显示的那道题（cn-2014-37）考的是 CDMA 码片序列解码，因为它挂的 topic 是"信道划分"。它的完整解法在CDMA 码分多址——练习区比本节内容窄属正常，本节负责的是四种复用的横向对照。
真正需要从本节带走的，是三件会在别处被用到的事：TDM 帧长 125 µs 与 PCM 采样周期的关系（通信基础那条
易错：用户数增加时，FDM 与 TDM 的反应方向相反。 FDM 总带宽变宽、每路带宽不变；TDM 帧长恒为 125 µs、时隙变窄。"用户越多 TDM 帧越长"是错的。
易错：统计时分复用的帧内时隙数小于用户数，而且每个时隙必须带地址。 这两条是绑在一起的——跳过空闲用户就破坏了位置约定，地址开销因此不可避免。
易错：TDM 帧与数据链路层的帧同名不同物。 前者在物理层比特流上划分、长度定死、无差错控制。
易错：虚电路、统计时分复用、分组交换是同一条权衡的三个版本，都属于"共享资源换利用率"这一侧；而电路交换、同步 TDM、FDM 属于"预留资源换确定性"那一侧。选项里把两侧的特性交叉搭配是常用的设错手法。
教材出处
- 谢希仁《计算机网络》（第 8 版）p56（2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用）：给出复用器与分用器的配对关系，以及"复用要付出一定代价（共享信道由于带宽较大因而费用也较高，再加上复用器和分用器）。但如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是合算的"；并给出两句判据式的定义——"频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的'带宽'是频率带宽而不是数据的发送速率）"，"时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度"。
- 同书 p56–p57：区分复用与多址——"这种方式称为频分多址接入 FDMA……FDMA 或 TDMA 中的 'MA' 表明'多址'，意思是强调这种复用信道可以让多个用户（可以在不同地点）接入进来。而 'FD' 或 'TD' 则表示所使用的复用技术是'频分复用'或'时分复用'。但术语 FDM 或 TDM 则说明是在频域还是在时域进行复用，而并不强调复用的信道是用于多个用户还是一个用户"。
- 同书 p57：给出本篇两条计算的原始依据——"传统的电话通信中每个标准话路的带宽是 4 kHz（即通信用的 3.1 kHz 加上两边的保护频带），那么若有 1000 个用户进行频分复用，则复用后的总带宽就是 4 MHz"；"但在使用时分复用时，每个时分复用帧的长度是不变的，始终是 125 µs。若有 1000 个用户进行时分复用，则每一个用户分配到的时隙宽度就是 125 µs 的千分之一，即 0.125 µs……时隙宽度非常窄的脉冲信号所占的频谱范围也是非常宽的"。
- 同书 p58（统计时分复用）：说明 STDM 的工作方式与开销——"每一个 STDM 帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数……对没有数据的缓存就跳过去……STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙"；"在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现的。因此，统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用"；"由于 STDM 帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户的，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须有的和不可避免的一些开销"；并给出前提条件——"集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作的"。
- 同书 p58–p59 末段强调："TDM 帧和 STDM 帧都是在物理层传送的比特流中所划分的帧。这种'帧'和我们以后要讨论的数据链路层的'帧'是完全不同的概念，不可弄混。"
- 同书 p59（2.4.2 波分复用）：给出 WDM 的定义"波分复用 WDM 就是光的频分复用"，密集波分复用的光载波间隔"一般是 0.8 nm 或 1.6 nm"，以及 EDFA 掺铒光纤放大器"不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大"、放大器间距"可达 120 km"、光复用器与光分用器之间的无光电转换距离"可达 600 km"。
- 同书 p62（2.5 数字传输系统）：给出 T1（1.544 Mbit/s）与 E1（2.048 Mbit/s）两个互不兼容的速率标准，本篇的验算目标即此。
相关知识
通信基础（信道/信号/调制）｜CDMA 码分多址｜ALOHA 协议｜CSMA/CD 协议｜令牌传递｜数据链路层的帧