前一篇讨论奈奎斯特定理和香农公式时，我们知道了一条信道的容量存在理论上限。既然单条链路的带宽昂贵而有限，接下来的问题就很自然：当多个用户都需要通信时，怎样让他们共享同一条物理链路，而不是为每个人单独铺一根线？
复用 就是这个问题的答案。它把一条物理信道拆分为可以共享的资源，再由复用器把多路信号合并发送，在接收端由分用器将它们重新分开。
从资源的角度看，频分复用分的是频率，时分复用分的是时间，波分复用分的是光的波长。它们都在物理层解决"多路信号如何共用一条链路"的问题，但划分资源的维度不同，适合的介质和业务也不同。
一、为什么需要复用？
如果每个用户都独占一条从本地到远端的物理线路，建设和维护成本会非常高，而且很多线路在大多数时间里其实是空闲的。
例如，一条骨干光纤的传输能力远高于单个家庭、电话或终端的需求。让多个用户共享它，可以把高成本的物理设施摊薄到多路业务上，提高整体利用率。
复用系统通常包含两个关键设备或功能：
- 复用器（MUX）：把多路输入信号组织到同一条链路中；
- 分用器（DEMUX）：在接收端按照约定的资源位置，把混合信号还原为多路输出。
复用不是让多个信号"随意混在一起"。收发双方必须事先约定每一路信号占用哪个频段、哪个时隙或哪个波长，才能在接收端正确分离。
二、频分复用：不同用户同时使用不同频带
1. 什么是频分复用？
频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）把一条信道的总频带划分成多个互不重叠的子频带，每个子频带相当于一个子信道，分配给一路信号使用。
所有用户在同一时间占用不同的频带资源。每个子信道分配的频带可不相同，但它们的总和不能超过信道的总频带。
它的核心特点是：不同用户在同一时刻传输，但使用不同的频率范围。
在实际应用中，为了防止子信道之间互相干扰，相邻信道间还要加入**"隔离频带"。**
2. 为什么需要保护频带？
真实滤波器无法像一把绝对锋利的刀那样，把频率严格切开。某个子信道的能量会在边界附近有扩散，相邻频带如果贴得太近，就会互相干扰。
因此，FDM 通常会在相邻子频带之间留出不承载业务的保护频带。它减少了相邻信号串扰，但也会占用一部分总带宽。这是 FDM 的一个典型权衡：隔离更可靠，频谱利用率却会下降。
3. FDM 适合什么场景？
广播电台是最直观的例子：不同电台在不同频率上持续发射，收音机选择目标频率后即可接收对应节目。传统模拟电话系统、有线电视以及部分无线通信系统中，也能看到频分复用的思想。
在 FDM 中，某一路即使暂时没有数据，它预留的频带通常仍然不能被其他固定子信道直接占用。因此，它特别适合持续发送、带宽需求相对稳定的业务；面对大量突发流量时，固定频带也可能闲置。
4. 问题
在频分复用中，若每个用户占用的带宽固定，则用户数越多，总带宽越宽。用户数增加会导致总带宽线性增加。
假设每个标准话路的带宽为4 kHz（包含3.1 kHz语音信号和保护频带）。若有1000个用户进行FDM复用，则总带宽需达到 1000 × 4 kHz = 4 MHz。
三、时分复用：不同用户轮流使用同一频带
1. 什么是同步时分复用？
时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)是将时间划分为一段段等长的时隙，每个时分复用的用户，在其相应时隙内独占传输媒体的资源进行通信。
它的核心特点是：不同用户使用相同的频带，但在不同的时间发送。
时分复用的各用户所对应的时隙，就构成了时分复用帧(TDM帧)。每个时分复用的用户，在每个TDM帧中占用固定顺序的时隙。通过TDM帧组织数据，每帧包含所有用户的时隙。
因此，在使用时分复用技术进行通信的过程中，每个时分复用的用户所占用的时隙，是周期性出现的，其周期就是TDM帧的长度。TDM 帧实际上是一段固定长度的时间，它与数据链路层的帧不是同一个概念。
时分复用的所有用户，在不同的时间占用同样的信道资源发送数据，即各信号周期性占用全部带宽。
从某个时刻来看，时分复用信道上传送的仅是某对用户之间的信号;
从某段时间来看，传送的是按时间分割的复用信号。
从时隙的角度是串行
站在TDM帧的角度是并行
所以是微观上的串行，宏观上的并行
2. 同步 TDM 的优点与浪费
同步 TDM 的优点是规则简单。收发双方知道每个时隙属于谁，不必在每个时隙中额外写明用户身份；固定周期也让时钟同步和实时业务的时延估算更直接。
它的缺点同样明显：即使某个用户当前没有数据，它的专属时隙仍会按时出现，其他用户通常不能立即拿来使用。空时隙会直接降低链路利用率。
这种浪费在突发数据场景中尤其明显。用户浏览网页、输入文字或等待服务器响应时，大部分时间并不持续发送数据，但同步 TDM 依旧为其保留固定时隙。
3. 一个简单的带宽直觉
假设共享链路的速率为 RRR，有 NNN 个用户，每个 TDM 帧都为每个用户保留一个等长时隙。在忽略帧同步等开销时，每个用户平均获得的速率约为：
RN \frac{R}{N} NR
这不是说每个用户只能以这个瞬时速率发送，而是描述固定、均分时隙下的长期平均份额。当部分用户空闲时，这些本可利用的份额并不会自动让给忙碌用户。
四、统计时分复用：谁有数据，谁先使用时隙
1. 为什么要从同步 TDM 走向统计 TDM？
统计时分复用（Statistical Time Division Multiplexing，STDM），也常称异步时分复用，是对固定时隙分配的一种改进。
它不再要求"每一帧都给每个用户固定位置"。引入集中器，集中器会先缓存各输入线路的数据，只把当前有数据的用户放入待发送帧中。谁有数据，谁才占用时隙。遇到没有数据的缓存就跳过去。如果一个STDM帧的数据放满了，就发送出去。由于仅在用户有数据时分配时隙，避免空闲资源浪费，那么就非常适合突发性数据流量（如网页浏览、视频会议） 。
因此，STDM帧与TDM帧不同，它并不固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。也就是说，STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户。
**因此，在每个时隙中还必须包含用户的地址信息，这是实现统计时分复用的必要开销。**统计时分复用所使用的集中器也称为智能复用器，它可以对数据包进行存储转发，通过排队方式使各用户更合理地共享信道。例如交换机的干道链路就使用了统计时分复用技术。
统计时分复用的主要工作就是：
- 集中器作为智能调度中心，实时监控各用户数据状态
- 按需分配时隙：仅当用户有数据发送时才分配时隙
- 地址标识：每个时隙添加用户地址标签，确保数据准确投递
他的工作流程是：
- 数据输入：用户数据先暂存在输入缓存中。
- 动态扫描：集中器按顺序扫描缓存，将有数据的缓存内容依次填入STDM帧的时隙中。
- 帧发送：当帧填满或达到发送周期时，将帧通过高速线路发送至远地计算机。
2. 为什么 STDM 需要地址信息？
同步 TDM 中，时隙位置本身就表明了归属，例如"每帧第 2 个时隙永远属于 B"。
STDM 中的时隙位置是动态变化的：同一个位置这一帧可能装 A 的数据，下一帧可能装 D 的数据。因此，每个动态时隙必须携带来源或目的标识等地址信息，接收端才能正确分用。
这带来了额外开销，也要求集中器具备缓存、调度和排队能力。但只要各用户不是长期同时满负荷发送，获得的利用率提升通常值得这些复杂度。
3. STDM 不是无限容量
统计复用依赖"用户流量不会同时一直达到峰值"这一统计特征。若所有用户在同一时刻持续高速发送，集中器缓存会不断增长，最终出现排队时延、丢弃或拥塞控制。
所以 STDM 提高的是平均资源利用率，而不是凭空创造带宽。它把空闲用户的资源让给活跃用户，也因此把"固定浪费"转化为"可能排队"的权衡。
五、波分复用：在一根光纤中并行传多束光
1. 波分复用是什么？
波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）是在光纤中按不同波长复用多路光信号的技术。从本质上说，它是频分复用在光通信领域的实现：光的频率与波长一一对应，选择不同波长，就相当于选择不同的光学频带。
它的核心特点是：多路光信号同时在同一根光纤中传播，但各自使用不同波长。
波分复用的具体实现技术非常复杂，但其中的基本物理原理 还是比较简单的。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。根据三棱镜的原理，可以实现光复用器(又称为合波器)和光分用器(又称为分波器)。
波分复用的工作方式：
- 发送端：多个光信号调制到不同波长后，通过合波器 合并到同一根光纤中。
- 接收端：通过分波器 将混合的光信号按波长分离，恢复原始数据。
这里的颜色只是帮助理解，实际光纤通信使用的通常是人眼不可见的红外波段。关键在于波长不同，而不是看起来颜色不同。
2. 合波与分波如何工作？
发送端先把不同业务调制到不同波长的光载波上，再由合波器将这些光信号合并进入同一根光纤。接收端的分波器则按照波长把混合光分开，交给各自的接收模块。
可以把合波器和分波器理解为光学版的"合流"和"分流"装置。它们利用光学器件的波长选择特性实现分离，而不是把光信号先全部还原成电信号再分类。
3. 为什么 WDM 很重要？
铺设光纤，特别是土建、管道、施工和维护的成本往往远高于单纯增加一套光模块的成本。WDM 让运营商和数据中心能够在既有光纤上增加更多独立波长通道，从而显著扩展容量，避免频繁重新铺设线路。
随着技术的进步，目前可以在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号。因此，这种复用技术也称为密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)，密集波分复用会把波长间隔划分得更细，在单根光纤上复用更多波长通道。通道越密，光学滤波、波长稳定性和放大技术的要求也越高。
六、码分复用 CDM
码分复用（CDM） 是一种通过唯一编码实现多用户共享信道的技术 。它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。当CDM用于多用户通信时，称为码分多址（CDMA）。
与频分复用（FDM）或时分复用（TDM）不同，CDMA允许所有用户在同一时间、同一频带上传输数据，通过特殊编码避免相互干扰。
这项技术最初应用于军事通信（因其抗干扰和隐蔽性强），现已广泛用于民用移动通信（如3G、Wi-Fi）。
七、多址接入
FDMA
FDMA基于频分复用（FDM），将信道的总频率带宽划分为多个互不重叠的子频带，每个用户（比如一个手机用户）独占一个子频带进行通信。多个用户通过各自的子频带同时传输数据，互不干扰。
FDMA中"MA"强调多用户共享，而FDM可能仅用于单用户中的多路信号复用。
TDMA
TDMA基于时分复用（TDM），将时间划分为周期性的时隙，每个用户按固定顺序占用时隙传输数
据。使得多个用户轮流使用同一频带，通过时间片隔离信号。
复用跟多址接入的关系
FDM、TDM 描述的是多路信号如何复用到一条链路上。若这些资源明确分配给多个独立用户或终端接入同一无线系统，常称为频分多址（FDMA）或时分多址（TDMA）。
可以粗略理解为：复用强调"怎样切分信道资源"，多址接入强调"多个用户怎样接入并使用这些资源"。二者的底层思想紧密相关，但术语关注点不同。
七、结合实际场景理解：一次家庭上网背后的共享
你在家里看视频时，家中设备可能通过 Wi-Fi 竞争无线资源，再经由家庭路由器和运营商接入网汇聚到更高速的传输链路。运营商的骨干光纤通常不会只服务一个用户，而是通过光纤中的多个波长通道、不同层次的汇聚和统计共享来承载大量流量。
这里每一层的实现细节可能不同，但共同目标一致：把昂贵的大容量资源切分给更多用户，同时在成本、时延、隔离性和利用率之间取得平衡。
这也解释了为什么"标称带宽"不等于你随时可获得的独享速率。共享链路上的其他用户、动态调度策略和上游容量，都会影响某一时刻的实际吞吐量。
八、总结
复用技术让多路信号共享同一条物理链路，是通信系统规模化和经济化的基础。频分复用按频率划分资源，多路信号可同时传输；时分复用按时间划分资源，用户轮流发送；统计时分复用按需分配时隙，改善突发流量下的利用率；波分复用则把频分思想扩展到光纤，让多种波长的光在一根光纤中并行传输。
它们都没有突破信道容量上限，而是在有限资源内安排更多业务。理解了"怎样共享链路"，下一步就可以把视角转向具体的接入技术，看看以太网、光纤、DSL 与接入网如何把用户真正接入互联网。
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