為數(shù)字通信系統(tǒng)選擇混合信號分量：共享信道

共享頻道

選擇合適的調(diào)制方案只是定義通信網(wǎng)絡(luò)問題的一部分。在大多數(shù)情況下，傳輸介質(zhì)必須容納來自多個發(fā)射器的信號。這種多次使用最明顯的例子是電波;它們必須承載各種無線流量，從廣播廣播和電視到蜂窩電話，再到CB和短波無線電。即使是簡單的雙絞線電話線（代表電話公司中心辦公室和用戶之間的專用線路）也必須在呼叫期間同時傳輸傳入和傳出的語音和數(shù)據(jù)。

在大多數(shù)情況下，獨(dú)立傳輸有效多路復(fù)用的關(guān)鍵是正確遵守“實時和讓實時”協(xié)議，從而能夠有效傳輸所需消息，而不會對其他傳輸造成不當(dāng)干擾。在多個用戶之間共享通信媒體有多種方法;每個都有自己的要求，影響組件的選擇。這些方案中的大多數(shù)都可用于模擬和數(shù)字通信;但是，時間壓縮的靈活性以及數(shù)字通信中可用的其他功能開辟了更多選擇。

TDMA時分多址：也許共享通信信道的最明顯方法是“輪流”：一次只分配一個發(fā)射機(jī)。當(dāng)然，必須有某種協(xié)議來確定誰擁有傳輸特權(quán)，何時，多久以及多長時間。一個簡單的例子是對講機(jī)用戶使用單詞“over”來表示傳輸流的終止，并釋放通信通道供其他用戶傳輸。

通常需要更正式的安排，特別是當(dāng)每個用戶都被分配一個非常簡短但重復(fù)的參與時。整個時間段可以劃分為指定的“時隙”，每個發(fā)射機(jī)分配不同的傳輸時隙（圖1）。這種方案需要同步所有發(fā)射機(jī)，再加上一個“主管”，以便在新發(fā)射機(jī)想要進(jìn)入頻道時分配時隙，并跟蹤空出的時隙。必須提供一些“開銷”空間，以允許發(fā)射機(jī)時隙之間的轉(zhuǎn)換;同步越好，這些過渡期浪費(fèi)的時間就越少。時間多路復(fù)用還意味著來自給定發(fā)射器的數(shù)據(jù)流不是連續(xù)的，而是突發(fā)的。為了表示連續(xù)的對話（例如在蜂窩電話中），在傳輸之間的時間段內(nèi)獲取的數(shù)字化信息必須經(jīng)過時間壓縮，在短時間內(nèi)傳輸，然后在接收器中擴(kuò)展以形成透明的連續(xù)消息。

圖1.時間多路復(fù)用圖示，顯示保護(hù)帶。

小組討論的類比有時被用來說明TDMA的性質(zhì)。不按順序打斷或無休止地嘎嘎作響的參與者犯了“違反TDMA協(xié)議”。歐洲GSM數(shù)字蜂窩電話標(biāo)準(zhǔn)使用TDMA;每個通道以八個時隙的重復(fù)傳輸序列同時傳輸八個電話。

TDMA系統(tǒng)的元件選擇必須仔細(xì)考慮帶寬和建立時間;帶寬不足的組件的長時間常數(shù)往往會導(dǎo)致信號“滲入”相鄰用戶的時隙。

FDMA頻分多址：任何在家中接收電視或無線電廣播的人都熟悉頻分多址的示例。在這種情況下，多個發(fā)射器可以通過將其傳輸中的每個頻率保持在指定的頻隙內(nèi)來同時傳輸而不受干擾（在給定地理區(qū)域的給定功率水平下）。接收器通過調(diào)諧到所需的頻率時隙來確定要恢復(fù)的信道。嚴(yán)格遵守每個發(fā)射機(jī)的頻率限制非常重要;任何違規(guī)行為都會對相鄰頻道造成干擾。（圖2）

圖2.頻率復(fù)用圖示，顯示未使用的頻段以提供分離。

使用對話類比，這可能就像提供一組展位，每個演講者一個;如果他們說話足夠小，所有“發(fā)射機(jī)”都可以同時廣播，聽眾可以通過在所需的隔間收聽來“收聽”。

幾乎所有無線應(yīng)用都受到頻帶限制;國家和國際監(jiān)管機(jī)構(gòu)，例如美國的FCC，將發(fā)射機(jī)許可為特定頻率或?qū)⑵漕悇e限制在特定頻段。有線電視等有線應(yīng)用也使用頻率分離來允許同時傳輸數(shù)百個頻道（模擬和數(shù)字）。

保持在指定的頻率約束范圍內(nèi)對元件選擇有許多影響。例如，系統(tǒng)中的某些組件將用作精確的頻率參考。它可以是絕對頻率參考，如晶體，也可以包含接收并“鎖定”到外部參考頻率的電路。傳輸路徑中的組件必須具有精心限制的光譜內(nèi)容;這可以通過濾波來完成，但也需要控制分量線性度，以免產(chǎn)生偶然的“帶外”諧波和其他雜散頻率分量。

CDMA運(yùn)營商分部多址 繼續(xù)對話類比，假設(shè)10個人試圖在一個小房間里同時進(jìn)行5次一對一對話。進(jìn)一步假設(shè)一對同意用英語交談，另一對同意用法語交談，其他人用中文、芬蘭語和阿拉伯語交談，并且都是單語。如果你是說英語的一對成員，你會聽到背景“喋喋不休”的聲音，但唯一可理解的信息是英語。因此，很容易看出所有 5 次對話可以同時在同一個房間里進(jìn)行（盡管在實踐中，每個人都可能會頭疼）。

這本質(zhì)上是對運(yùn)營商劃分多址的基本思想的描述。所有用戶都在同一頻段上發(fā)送和接收，但每對都分配有唯一的代碼序列。您希望發(fā)送的數(shù)字比特流使用此唯一代碼序列進(jìn)行調(diào)制并傳輸。接收器將接收所有發(fā)射器的組合調(diào)制比特流。如果接收器用相同的唯一代碼解調(diào)這個復(fù)合信號，它本質(zhì)上執(zhí)行互相關(guān)操作：用相同代碼序列調(diào)制的比特流將被恢復(fù);所有其他用不同代碼調(diào)制的傳輸信號將作為“噪聲”被拒絕。

使用特殊代碼進(jìn)行調(diào)制往往會將初始數(shù)字比特流的頻譜擴(kuò)展到更寬的帶寬上，這有助于提高其抗干擾能力。盡管存在這種頻譜擴(kuò)展，但頻譜效率可以保持，因為多個用戶可以共享相同的帶寬。添加更多用戶只會導(dǎo)致頻道中出現(xiàn)噪音增加。

CDMA系統(tǒng)的例子包括美國的IS95數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)和眾多軍事“擴(kuò)頻”通信應(yīng)用（用唯一信號調(diào)制傳輸信號的另一個優(yōu)點(diǎn)是它基本上是加密的;如果沒有唯一的調(diào)制序列，接收器就無法恢復(fù)傳輸?shù)南ⅲ?。盡管CDMA系統(tǒng)涉及更高的數(shù)字復(fù)雜性，但其模擬組件的性能要求卻降低了。但是，由于多個發(fā)射機(jī)將同時在同一信道中廣播，因此通常需要盡量減少發(fā)射機(jī)組件對背景和雜散噪聲的貢獻(xiàn)。

SDMA空間分部多路訪問：回到對話類比，在同一房間內(nèi)同時進(jìn)行一對一對話的另一種方法是移動到房間的相對角落，用相對安靜的語氣說話。這抓住了SDMA的精神。在無線應(yīng)用中，信號強(qiáng)度會隨著與發(fā)射天線距離的增加而迅速下降。在足夠遠(yuǎn)的距離上，可以認(rèn)為信號已經(jīng)完全褪色，從這一點(diǎn)開始，新的發(fā)射器可以對不同的信號重復(fù)使用相同的頻率或時隙（圖 3）。在廣播電臺中，相同的頻率可以在不同的城市重復(fù)使用，只要它們相距足夠遠(yuǎn)。

*信號隨距離的衰減是頻率的強(qiáng)函數(shù)：發(fā)射機(jī)頻率越高，滾降越快。

圖3.地理多路復(fù)用圖示，顯示中心有基站天線的蜂窩狀小區(qū)。

信道重用距離的概念是術(shù)語“蜂窩電話”的基礎(chǔ)。小區(qū)大小由給定發(fā)射機(jī)的有效覆蓋面積決定，相同的頻率可以在其他小區(qū)中重復(fù)使用。然而，在實踐中，模式的設(shè)計使得相鄰的單元不會重復(fù)使用相同的頻率。傳統(tǒng)天線向各個方向輻射，產(chǎn)生圓形覆蓋區(qū)域和圖3中的“蜂窩”蜂窩模式。隨著聚焦或波束控制天線的發(fā)展，現(xiàn)代技術(shù)為 SDMA 的概念增加了新的維度。相控陣技術(shù)可以創(chuàng)建針對單個目標(biāo)接收器或特定目標(biāo)區(qū)域（例如，高峰時段的特定高速公路）的聚焦定向信號傳輸模式。這可以允許更快速地重用頻譜，從而有效地增加無線應(yīng)用的總?cè)萘俊?/p>

先進(jìn)的數(shù)字通信系統(tǒng)使用這些多路復(fù)用方案的組合，有效地將盡可能多的容量打包到可用的傳輸通道中。例如，GSM蜂窩電話使用TDMA，F(xiàn)DMA和SDMA來分配流量。甚至許多有線應(yīng)用也使用TDMA和FDMA協(xié)議。雖然這些多路復(fù)用安排通常會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，但通道容量的有效增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消了元件成本的增加。

近/遠(yuǎn)問題

在前幾期中，我們討論了錯誤率和調(diào)制方案對數(shù)字通信系統(tǒng)中所需動態(tài)范圍的影響。然而，在許多應(yīng)用中，多路復(fù)用布置對通信接收器的動態(tài)范圍提出了最終要求。

在任何應(yīng)用中，接收信號的強(qiáng)度都是傳輸信號強(qiáng)度、與發(fā)射器的距離以及與傳輸介質(zhì)（無線或有線）相關(guān)的眾多環(huán)境因素的函數(shù)。大多數(shù)通信系統(tǒng)被設(shè)計為在各種距離上工作，因此必須設(shè)計為適應(yīng)接收信號功率的較大變化。

例如，考慮蜂窩電話應(yīng)用。接收器電路必須設(shè)計為在“小區(qū)”的最邊緣恢復(fù)傳輸產(chǎn)生的微弱信號。這種恢復(fù)微弱信號的能力通常被稱為接收器的靈敏度。為了恢復(fù)這種微弱的信號，似乎應(yīng)該在接收電路中包括增益級。與良好的低噪聲設(shè)計實踐一致，人們可能希望盡可能早地將增益置于信號路徑中，以快速將信號提升到后續(xù)級的本底噪聲之上。

不幸的是，同一個接收器還必須能夠接收直接站在基站天線下方的用戶發(fā)送的信號。例如，在GSM的情況下，該信號可能比最弱的信號強(qiáng)90 dB。如果接收器在信號路徑中的增益過多，則強(qiáng)信號會使增益級飽和。對于包含幅度信息（包括AM和QAM）的調(diào)制方案，這基本上會破壞信號。相位和頻率調(diào)制方法可能更能容忍這種削波，具體取決于具體情況。（削波仍然會產(chǎn)生失真產(chǎn)物，即使在相位調(diào)制方案中也足以引起問題。

解決近/遠(yuǎn)動態(tài)范圍問題的基本方法是在接收信號路徑中使用可變/可編程增益級。自動增益控制（AGC）允許根據(jù)接收信號的強(qiáng)度調(diào)整增益。不過，一個重要的設(shè)計考慮因素是增益需要調(diào)整的速度。例如，在ADSL（非對稱數(shù)字用戶線路邊欄）調(diào)制解調(diào)器中，接收的信號強(qiáng)度隨著室外溫度變化影響線路阻抗而變化，因此分鐘的時間常數(shù)是可以容忍的。另一方面，蜂窩電話接收器必須設(shè)計為跟蹤來自快速移動車輛的信號，這些車輛可能正在進(jìn)入或從建筑物或其他信號障礙物的陰影中出來，因此需要非?？焖俚脑鲆孀兓DMA系統(tǒng)對增益范圍電路提出了額外的要求，因為近/遠(yuǎn)信號可能位于相鄰的TDMA時隙中;在這種情況下，電路必須改變增益并在時隙之間的過渡期內(nèi)穩(wěn)定下來。

FDMA系統(tǒng)提供了另一種近/遠(yuǎn)挑戰(zhàn)。在這里，要考慮的最壞情況是在強(qiáng)信號旁邊的時隙中恢復(fù)微弱信號（圖 4）。由于兩個信號在增益級的輸入端同時以復(fù)合形式存在，因此增益根據(jù)強(qiáng)信號的電平進(jìn)行設(shè)置;本底噪聲中可能會丟失微弱的信號（在這種情況下，本底噪聲可能是A/D轉(zhuǎn)換器的熱噪聲或量化噪聲）。

圖4.近遠(yuǎn)效應(yīng)要求能夠處理相鄰?fù)ǖ乐g的寬動態(tài)范圍。

即使后續(xù)級具有足夠低的本底噪聲以提供動態(tài)范圍以恢復(fù)微弱信號，也必須對增益級的動態(tài)線性度進(jìn)行非常嚴(yán)格的約束;強(qiáng)信號的諧波或其他雜散響應(yīng)纏繞在錯誤的頻率箱中，很容易消除較弱的期望信號。為了減少這種干擾問題，大多數(shù)FDMA系統(tǒng)試圖在接收電路的早期濾除不需要的信號。區(qū)分相鄰頻帶中不需要的信號的能力通常稱為接收器的選擇性。

大多數(shù)無線電設(shè)計具有一系列級聯(lián)濾波器和增益級（其中一些可能是可變的），以消除/衰減強(qiáng)干擾源，然后將所需信號放大到易于解調(diào)的水平。然而，寬帶無線電試圖同時恢復(fù)一個接收器中的所有信號;他們不能使用模擬判別濾波器;因此，寬帶接收器通常對其模擬電路和轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍有最嚴(yán)格的要求。有趣的是，即使是您認(rèn)為自己擁有通信通道的應(yīng)用程序也可能受到同時近/遠(yuǎn)信號的影響。例如，在ADSL調(diào)制解調(diào)器中，系統(tǒng)必須設(shè)計用于以下場景：近端回波（來自本地發(fā)射器的泄漏）顯示為干擾信號，實際上比所需接收信號強(qiáng)60 dB。

在CDMA系統(tǒng)中，近/遠(yuǎn)問題有點(diǎn)難以描述。由于所有信號在同一頻率空間中同時傳輸，因此濾波不能用于區(qū)分不需要的信號（盡管它仍然用于消除相鄰頻段中的信號）。CDMA采用解調(diào)，使用所需信號特有的載波從不需要的信號中提取所需的信號;使用不同載波調(diào)制的信號顯示為背景噪聲。成功恢復(fù)信號的能力由總噪聲能量（包括頻段中其他載波的能量）決定。由于濾波不能用于區(qū)分，因此最好的情況是讓所有信號以相同的功率到達(dá)基站天線。為了實現(xiàn)這一點(diǎn)，許多CDMA系統(tǒng)將接收到的功率電平傳輸回發(fā)射器，以便可以調(diào)整各個信號組件的功率以均衡基站接收器的功率電平。為了幫助減少近/遠(yuǎn)問題，TDMA系統(tǒng)也可以使用這種功率控制，盡管它往往需要更復(fù)雜（即昂貴）的手機(jī)。

非對稱數(shù)字用戶線

ADSL是將寬帶數(shù)字服務(wù)帶入家庭的眾多技術(shù)之一。ADSL的基本概念是利用已經(jīng)為美國家庭提供幾乎通用電話服務(wù)的雙絞線。提供雙向信息流的其他服務(wù)，如ISDN（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)），需要額外的專用線路來提供服務(wù)。

ADSL使用頻分復(fù)用（FDM）在20 kHz和1.2 MHz之間的頻率空間中傳輸調(diào)制數(shù)字信息，高于傳統(tǒng)語音流量占用的頻率空間。這種頻率分離允許ADSL調(diào)制解調(diào)器在不干擾同時發(fā)生的電話呼叫的情況下運(yùn)行這是一個極其重要的功能。

ADSL的ANSI標(biāo)準(zhǔn)使用FDM（在頻率上分離上行和下行信號）或回聲消除提供同步上行（從家庭傳出）和下行（傳入到家庭）傳輸?；芈曄褂脧?fù)雜的信號處理（模擬、數(shù)字或兩者）將強(qiáng)發(fā)射信號與較弱的接收信號分開，僅將接收信號傳遞到解調(diào)器。使用對話模型，這類似于一個可以同時有效地說話和傾聽的人。

審核編輯：郭婷