為數(shù)字通信系統(tǒng)選擇混合信號(hào)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(wèn)題的一部分。在大多數(shù)情況下，傳輸介質(zhì)必須容納來(lái)自多個(gè)發(fā)射器的信號(hào)。這種多次使用最明顯的例子是電波;它們必須承載各種無(wú)線流量，從廣播廣播和電視到蜂窩電話，再到CB和短波無(wú)線電。即使是簡(jiǎn)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(shí)傳輸傳入和傳出的語(yǔ)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(shí)時(shí)和讓實(shí)時(shí)”協(xié)議，從而能夠有效傳輸所需消息，而不會(huì)對(duì)其他傳輸造成不當(dāng)干擾。在多個(gè)用戶之間共享通信媒體有多種方法;每個(gè)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(shí)間壓縮的靈活性以及數(shù)字通信中可用的其他功能開(kāi)辟了更多選擇。

TDMA時(shí)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(gè)發(fā)射機(jī)。當(dāng)然，必須有某種協(xié)議來(lái)確定誰(shuí)擁有傳輸特權(quán)，何時(shí)，多久以及多長(zhǎng)時(shí)間。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是對(duì)講機(jī)用戶使用單詞“over”來(lái)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(gè)用戶都被分配一個(gè)非常簡(jiǎn)短但重復(fù)的參與時(shí)。整個(gè)時(shí)間段可以劃分為指定的“時(shí)隙”，每個(gè)發(fā)射機(jī)分配不同的傳輸時(shí)隙（圖1）。這種方案需要同步所有發(fā)射機(jī)，再加上一個(gè)“主管”，以便在新發(fā)射機(jī)想要進(jìn)入頻道時(shí)分配時(shí)隙，并跟蹤空出的時(shí)隙。必須提供一些“開(kāi)銷(xiāo)”空間，以允許發(fā)射機(jī)時(shí)隙之間的轉(zhuǎn)換;同步越好，這些過(guò)渡期浪費(fèi)的時(shí)間就越少。時(shí)間多路復(fù)用還意味著來(lái)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(duì)話（例如在蜂窩電話中），在傳輸之間的時(shí)間段內(nèi)獲取的數(shù)字化信息必須經(jīng)過(guò)時(shí)間壓縮，在短時(shí)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(shí)間多路復(fù)用圖示，顯示保護(hù)帶。

小組討論的類比有時(shí)被用來(lái)說(shuō)明TDMA的性質(zhì)。不按順序打斷或無(wú)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(gè)通道以八個(gè)時(shí)隙的重復(fù)傳輸序列同時(shí)傳輸八個(gè)電話。

TDMA系統(tǒng)的元件選擇必須仔細(xì)考慮帶寬和建立時(shí)間;帶寬不足的組件的長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)往往會(huì)導(dǎo)致信號(hào)“滲入”相鄰用戶的時(shí)隙。

FDMA頻分多址：任何在家中接收電視或無(wú)線電廣播的人都熟悉頻分多址的示例。在這種情況下，多個(gè)發(fā)射器可以通過(guò)將其傳輸中的每個(gè)頻率保持在指定的頻隙內(nèi)來(lái)同時(shí)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(guò)調(diào)諧到所需的頻率時(shí)隙來(lái)確定要恢復(fù)的信道。嚴(yán)格遵守每個(gè)發(fā)射機(jī)的頻率限制非常重要;任何違規(guī)行為都會(huì)對(duì)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(duì)話類比，這可能就像提供一組展位，每個(gè)演講者一個(gè);如果他們說(shuō)話足夠小，所有“發(fā)射機(jī)”都可以同時(shí)廣播，聽(tīng)眾可以通過(guò)在所需的隔間收聽(tīng)來(lái)“收聽(tīng)”。

幾乎所有無(wú)線應(yīng)用都受到頻帶限制;國(guó)家和國(guó)際監(jiān)管機(jī)構(gòu)，例如美國(guó)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(lái)允許同時(shí)傳輸數(shù)百個(gè)頻道（模擬和數(shù)字）。

保持在指定的頻率約束范圍內(nèi)對(duì)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(duì)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(guò)濾波來(lái)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(yíng)商分部多址 繼續(xù)對(duì)話類比，假設(shè)10個(gè)人試圖在一個(gè)小房間里同時(shí)進(jìn)行5次一對(duì)一對(duì)話。進(jìn)一步假設(shè)一對(duì)同意用英語(yǔ)交談，另一對(duì)同意用法語(yǔ)交談，其他人用中文、芬蘭語(yǔ)和阿拉伯語(yǔ)交談，并且都是單語(yǔ)。如果你是說(shuō)英語(yǔ)的一對(duì)成員，你會(huì)聽(tīng)到背景“喋喋不休”的聲音，但唯一可理解的信息是英語(yǔ)。因此，很容易看出所有 5 次對(duì)話可以同時(shí)在同一個(gè)房間里進(jìn)行（盡管在實(shí)踐中，每個(gè)人都可能會(huì)頭疼）。

這本質(zhì)上是對(duì)運(yùn)營(yíng)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(duì)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(gè)復(fù)合信號(hào)，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(hào)將作為“噪聲”被拒絕。

使用特殊代碼進(jìn)行調(diào)制往往會(huì)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?yàn)槎鄠€(gè)用戶可以共享相同的帶寬。添加更多用戶只會(huì)導(dǎo)致頻道中出現(xiàn)噪音增加。

CDMA系統(tǒng)的例子包括美國(guó)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(hào)調(diào)制傳輸信號(hào)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它基本上是加密的;如果沒(méi)有唯一的調(diào)制序列，接收器就無(wú)法恢復(fù)傳輸?shù)南ⅲ１M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(gè)發(fā)射機(jī)將同時(shí)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(duì)背景和雜散噪聲的貢獻(xiàn)。

SDMA空間分部多路訪問(wèn)：回到對(duì)話類比，在同一房間內(nèi)同時(shí)進(jìn)行一對(duì)一對(duì)話的另一種方法是移動(dòng)到房間的相對(duì)角落，用相對(duì)安靜的語(yǔ)氣說(shuō)話。這抓住了SDMA的精神。在無(wú)線應(yīng)用中，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)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(hào)已經(jīng)完全褪色，從這一點(diǎn)開(kāi)始，新的發(fā)射器可以對(duì)不同的信號(hào)重復(fù)使用相同的頻率或時(shí)隙（圖 3）。在廣播電臺(tái)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(hào)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(yǔ)“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(shí)踐中，模式的設(shè)計(jì)使得相鄰的單元不會(huì)重復(fù)使用相同的頻率。傳統(tǒng)天線向各個(gè)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(duì)單個(gè)目標(biāo)接收器或特定目標(biāo)區(qū)域（例如，高峰時(shí)段的特定高速公路）的聚焦定向信號(hào)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(wú)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(lái)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(huì)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(wèn)題

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

在任何應(yīng)用中，接收信號(hào)的強(qiáng)度都是傳輸信號(hào)強(qiáng)度、與發(fā)射器的距離以及與傳輸介質(zhì)（無(wú)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(jì)為在各種距離上工作，因此必須設(shè)計(jì)為適應(yīng)接收信號(hào)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(jì)為在“小區(qū)”的最邊緣恢復(fù)傳輸產(chǎn)生的微弱信號(hào)。這種恢復(fù)微弱信號(hào)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(hào)，似乎應(yīng)該在接收電路中包括增益級(jí)。與良好的低噪聲設(shè)計(jì)實(shí)踐一致，人們可能希望盡可能早地將增益置于信號(hào)路徑中，以快速將信號(hào)提升到后續(xù)級(jí)的本底噪聲之上。

不幸的是，同一個(gè)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(hào)。例如，在GSM的情況下，該信號(hào)可能比最弱的信號(hào)強(qiáng)90 dB。如果接收器在信號(hào)路徑中的增益過(guò)多，則強(qiáng)信號(hào)會(huì)使增益級(jí)飽和。對(duì)于包含幅度信息（包括AM和QAM）的調(diào)制方案，這基本上會(huì)破壞信號(hào)。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(huì)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(wèn)題。

解決近/遠(yuǎn)動(dòng)態(tài)范圍問(wèn)題的基本方法是在接收信號(hào)路徑中使用可變/可編程增益級(jí)。自動(dòng)增益控制（AGC）允許根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)整增益。不過(guò)，一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素是增益需要調(diào)整的速度。例如，在ADSL（非對(duì)稱數(shù)字用戶線路邊欄）調(diào)制解調(diào)器中，接收的信號(hào)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(shí)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(jì)為跟蹤來(lái)自快速移動(dòng)車(chē)輛的信號(hào)，這些車(chē)輛可能正在進(jìn)入或從建筑物或其他信號(hào)障礙物的陰影中出來(lái)，因此需要非常快速的增益變化。TDMA系統(tǒng)對(duì)增益范圍電路提出了額外的要求，因?yàn)榻?遠(yuǎn)信號(hào)可能位于相鄰的TDMA時(shí)隙中;在這種情況下，電路必須改變?cè)鲆娌⒃跁r(shí)隙之間的過(guò)渡期內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)。

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(hào)旁邊的時(shí)隙中恢復(fù)微弱信號(hào)（圖 4）。由于兩個(gè)信號(hào)在增益級(jí)的輸入端同時(shí)以復(fù)合形式存在，因此增益根據(jù)強(qiáng)信號(hào)的電平進(jìn)行設(shè)置;本底噪聲中可能會(huì)丟失微弱的信號(hào)（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(dòng)態(tài)范圍。

即使后續(xù)級(jí)具有足夠低的本底噪聲以提供動(dòng)態(tài)范圍以恢復(fù)微弱信號(hào)，也必須對(duì)增益級(jí)的動(dòng)態(tài)線性度進(jìn)行非常嚴(yán)格的約束;強(qiáng)信號(hào)的諧波或其他雜散響應(yīng)纏繞在錯(cuò)誤的頻率箱中，很容易消除較弱的期望信號(hào)。為了減少這種干擾問(wèn)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(hào)。區(qū)分相鄰頻帶中不需要的信號(hào)的能力通常稱為接收器的選擇性。

大多數(shù)無(wú)線電設(shè)計(jì)具有一系列級(jí)聯(lián)濾波器和增益級(jí)（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(hào)放大到易于解調(diào)的水平。然而，寬帶無(wú)線電試圖同時(shí)恢復(fù)一個(gè)接收器中的所有信號(hào);他們不能使用模擬判別濾波器;因此，寬帶接收器通常對(duì)其模擬電路和轉(zhuǎn)換器的動(dòng)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(shí)近/遠(yuǎn)信號(hào)的影響。例如，在ADSL調(diào)制解調(diào)器中，系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)用于以下場(chǎng)景：近端回波（來(lái)自本地發(fā)射器的泄漏）顯示為干擾信號(hào)，實(shí)際上比所需接收信號(hào)強(qiáng)60 dB。

在CDMA系統(tǒng)中，近/遠(yuǎn)問(wèn)題有點(diǎn)難以描述。由于所有信號(hào)在同一頻率空間中同時(shí)傳輸，因此濾波不能用于區(qū)分不需要的信號(hào)（盡管它仍然用于消除相鄰頻段中的信號(hào)）。CDMA采用解調(diào)，使用所需信號(hào)特有的載波從不需要的信號(hào)中提取所需的信號(hào);使用不同載波調(diào)制的信號(hào)顯示為背景噪聲。成功恢復(fù)信號(hào)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(hào)以相同的功率到達(dá)基站天線。為了實(shí)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(gè)信號(hào)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(wèn)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(duì)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(guó)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(lái)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(yǔ)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(shí)發(fā)生的電話呼叫的情況下運(yùn)行這是一個(gè)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(hào)）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。回聲消除使用復(fù)雜的信號(hào)處理（模擬、數(shù)字或兩者）將強(qiáng)發(fā)射信號(hào)與較弱的接收信號(hào)分開(kāi)，僅將接收信號(hào)傳遞到解調(diào)器。使用對(duì)話模型，這類似于一個(gè)可以同時(shí)有效地說(shuō)話和傾聽(tīng)的人。

審核編輯：郭婷