共享信道

選擇適當?shù)恼{(diào)制方案只是定義通信網(wǎng)絡(luò)的問題。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。這種多用途最明顯的例子是電波;它們必須承載各種無線流量，從廣播無線電和電視到蜂窩電話，再到CB和短波無線電。即使是簡單的雙絞線電話線，代表電話公司中心局和用戶之間的專用線路，也必須在通話過程中同時傳送傳入和傳出的語音和數(shù)據(jù)。

在大多數(shù)情況下，密鑰有效地復(fù)用獨立傳輸是適當遵守“直播和直播”協(xié)議，使得能夠有效傳輸所需消息而不會對其他傳輸產(chǎn)生不適當?shù)母蓴_。在多個用戶之間共享通信介質(zhì)有多種方法;每個都有自己的要求影響組件選擇。大多數(shù)這些方案可用于模擬和數(shù)字通信;但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：也許最明顯的共享通信信道的方式是“輪流”：每次只有一個發(fā)送器被分配信道。當然必須有某種協(xié)議來確定誰擁有傳輸權(quán)限，時間，頻率和持續(xù)時間。一個簡單的例子是步話機用戶使用“over”一詞來表示傳輸流的終止并釋放通信信道以供其他用戶傳輸。

通常需要更正式的安排，特別是當每個用戶被分配一個非常簡短但重復(fù)的參與時。整個時間段可以分成指定的“時隙”，每個發(fā)射機分配一個不同的時隙用于傳輸（圖1）。這種方案需要所有發(fā)射機的同步，加上一個“監(jiān)督者”來分配時隙，因為新的發(fā)射機想要進入通道以跟蹤空出的時隙。必須提供一些“開銷”空間以允許發(fā)射機時隙之間的轉(zhuǎn)換;同步越好，這些過渡期損失的時間就越少。時間復(fù)用還意味著來自給定發(fā)射機的數(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（例如在蜂窩電話呼叫中），在傳輸之間的時間段內(nèi)獲取的數(shù)字化信息必須是時間壓縮的，以短脈沖串發(fā)送，然后在接收機中擴展以形成透明連續(xù)的消息。

小組討論的類比有時用于說明TDMA的性質(zhì)。參與者無休止地打斷或發(fā)出嘎嘎聲“違反TDMA協(xié)議。”歐洲GSM數(shù)字蜂窩電話標準使用TDMA;每個頻道在8個時隙的重復(fù)發(fā)送序列中同時進行8個電話呼叫。

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

FDMA 頻分多址：任何接收電視或接收電視的人家中的無線電廣播熟悉頻分多址的示例。在這種情況下，通過將其傳輸中的每個頻率保持在指定的頻隙內(nèi)，多個發(fā)射機可以同時無干擾地發(fā)射（在給定地理區(qū)域中的給定功率電平）。接收器通過調(diào)諧到所需的頻率槽來確定要恢復(fù)哪個信道。重要的是要嚴格遵守每個發(fā)射機的頻率限制;任何違規(guī)行為都會對鄰近渠道造成干擾。 （圖2）

使用對話類比，這可能就像提供一組展位，每個發(fā)言者一個;如果他們說得夠安靜，所有“發(fā)射器”都可以同時播放，聽眾可以通過在所需的展位上聆聽來“收聽”。

幾乎所有無線應(yīng)用都受到頻段限制;國家和國際監(jiān)管機構(gòu)，例如美國的FCC，將發(fā)射機許可到特定頻率或?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，允許同時傳輸數(shù)百個通道（模擬和數(shù)字）。

保持在指定的頻率限制范圍內(nèi)，對元件選擇有很多分歧。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，或者它可能包含接收和“鎖定”到外部參考頻率的電路。傳輸路徑中的組件必須具有嚴格限制的光譜內(nèi)容;這可以通過濾波完成，但也有必要控制元件的線性度，以免產(chǎn)生偶然的“帶外”諧波和其他寄生頻率成分。

CDMA 載波分多址

em>繼續(xù)談話類比，假設(shè)有10個人試圖在一個小房間里進行5個同時進行的一對一對話。進一步假設(shè)一對同意用英語交談，另一對用法語交談，其他用中文，芬蘭語和阿拉伯語交談，都是單語。如果您是英語對的成員，您會聽到背景聲音“喋喋不休”，但唯一可理解的信息是英語。所以很容易看到所有5個對話都可以在同一個房間同時進行（雖然在實踐中，每個人都可能會頭疼）。

這實質(zhì)上是對載波分割多址的基本思想的描述。所有用戶在相同的頻帶上發(fā)送和接收，但每對用戶都被分配了唯一的代碼序列。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碼解調(diào)該復(fù)合信號，它基本上執(zhí)行互相關(guān)操作：將恢復(fù)用相同碼序列調(diào)制的比特流;用不同代碼調(diào)制的所有其他發(fā)送信號將作為“噪聲”被拒絕。

使用特殊代碼進行調(diào)制往往會在更寬的帶寬上擴展初始數(shù)字比特流的頻譜，這有助于提高免受干擾的能力。盡管存在這種頻譜擴展，但可以保持頻譜效率，因為多個用戶可以共享相同的帶寬。增加更多用戶只會導(dǎo)致信道噪聲增加。

CDMA系統(tǒng)的例子包括美國的IS95數(shù)字蜂窩標準和眾多軍用“擴頻”通信應(yīng)用（調(diào)制的另一個優(yōu)勢）具有唯一信號的發(fā)送信號是基本上加密的;接收器不能在沒有唯一調(diào)制序列的情況下恢復(fù)發(fā)送的消息）。雖然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)射機將同時在同一信道中進行廣播，因此通常希望最大限度地減少發(fā)射機組件對背景和雜散噪聲的影響。

SDMA Space Division Multiple Access ：回到談話類比，在同一個房間進行同步一對一對話的另一種方法是移動到房間的對角并說話相對安靜的音調(diào)。這體現(xiàn)了SDMA的精神。在無線應(yīng)用中，隨著與發(fā)射天線的距離增加，信號強度迅速下降。在足夠大的距離處，可以認為信號已經(jīng)完全消失，從這一點來看，新的發(fā)射機可以為不同的信號重復(fù)使用相同的頻率或時隙（圖3）。在廣播無線電中，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。*

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

頻道重用距離的概念是“蜂窩電話”的基礎(chǔ)。小區(qū)大小由給定發(fā)射機的有效覆蓋區(qū)域決定，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，設(shè)計模式使得相鄰小區(qū)不會重復(fù)使用相同的頻率。常規(guī)天線在所有方向上輻射，產(chǎn)生圓形覆蓋區(qū)域和圖3中的“蜂窩”蜂窩圖案?，F(xiàn)代技術(shù)通過開發(fā)聚焦或波束控制天線為SDMA的概念增加了新的維度。相控陣技術(shù)可以創(chuàng)建針對單個目標接收器或特定目標區(qū)域（例如，高峰時間的特定高速公路）的聚焦的定向信號傳輸模式。這樣可以更快速地重復(fù)使用頻譜，從而有效地增加無線應(yīng)用的總?cè)萘俊?/p>

高級數(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信道中。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)復(fù)雜性，但是信道容量的有效增加比偏移量增加了組件成本。

近/遠問題

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。但是，在許多應(yīng)用中，多路復(fù)用布置會對通信接收器中的動態(tài)范圍產(chǎn)生最終要求。

在任何應(yīng)用中，接收信號的強度都是傳輸信號的強度，與發(fā)射機的距離，以及與傳輸介質(zhì)（無線或有線）相關(guān)的眾多環(huán)境因素。大多數(shù)通信系統(tǒng)設(shè)計用于各種距離，因此必須設(shè)計成適應(yīng)接收信號功率的巨大變化。

例如，考慮一下蜂窩電話應(yīng)用程序。接收器電路必須設(shè)計成在“單元”的最邊緣處恢復(fù)由傳輸產(chǎn)生的弱信號。這種恢復(fù)弱信號的能力通常被稱為接收器的靈敏度。為了恢復(fù)這種微弱信號，在接收電路中包括增益級似乎是合適的。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放在信號路徑中，以便快速將信號提升到后續(xù)階段的本底噪聲之上。

不幸的是，同樣的接收器還必須能夠接收直接站在基站天線下的用戶發(fā)送的信號。例如，在GSM的情況下，該信號可以比最弱的信號強90dB。如果接收器在信號路徑中具有太多的增益，則強信號可以使增益級飽和。對于包括幅度信息（包括AM和QAM）的調(diào)制方案，這將基本上破壞信號。根據(jù)情況，相位和頻率調(diào)制方法可能更容忍這種削波。 （即使在相位調(diào)制方案中，削波仍會產(chǎn)生足以引起問題的失真產(chǎn)物。）

解決近/遠動態(tài)范圍問題的基本方法是使用可變/可編程增益級在接收信號路徑中。自動增益控制（AGC）允許根據(jù)接收信號的強度調(diào)整增益。但是，一個重要的設(shè)計考慮因素是需要多快地調(diào)整增益。例如，在ADSL（非對稱數(shù)字用戶側(cè)邊欄）調(diào)制解調(diào)器中，接收信號強度隨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)計成跟蹤來自快速移動的車輛的信號，這些信號可能正在移動到建筑物的陰影中或從建筑物的陰影或其他信號障礙物中出現(xiàn)，因此需要非?？焖俚脑鲆孀兓?TDMA系統(tǒng)對增益測距電路提出了額外的要求，因為近/遠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)提供不同類型的近/遠挑戰(zhàn)。在這里，要考慮的最壞情況是在強信號旁邊的頻率槽中恢復(fù)弱信號（圖4）。由于兩個信號在增益級的輸入端同時作為復(fù)合信號存在，因此根據(jù)較強信號的電平設(shè)置增益。弱信號可能在本底噪聲中丟失（在這種情況下，噪聲基底可能是A / D轉(zhuǎn)換器的熱噪聲或量化噪聲。）

即使后續(xù)階段有一個低噪聲基底提供動態(tài)范圍來恢復(fù)弱信號，對增益級的動態(tài)線性度也必須有非常嚴格的約束;在錯誤的頻率箱中卷起的強信號的諧波或其他寄生響應(yīng)可以很容易地消除較弱的所需信號。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)分相鄰頻段中不需要的信號的能力通常被稱為接收機的選擇性。

大多數(shù)無線電設(shè)計都具有級聯(lián)的濾波器系列和增益級（其中一些可能是可變的）以去除/衰減強干擾，然后將所需信號放大到可以容易解調(diào)的水平。然而，寬帶無線電試圖同時恢復(fù)一個接收機中的所有信號;他們不能使用模擬鑒別濾波器;因此，寬帶接收器通常對其模擬電路和轉(zhuǎn)換器中的動態(tài)范圍有最嚴格的要求。有趣的是，即使您認為自己擁有通信通道的應(yīng)用程序也會受到同時近/遠信號的影響。例如，在ADSL調(diào)制解調(diào)器中，系統(tǒng)必須設(shè)計用于近端回波（來自本地發(fā)射機的泄漏）作為干擾信號出現(xiàn)的情況，實際上比所需的接收信號強60 dB。

在CDMA系統(tǒng)中，近/遠問題要難以描述。由于所有信號在同一頻率空間同時傳輸，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帶中的信號）。 CDMA使用對所需信號唯一的載波進行解調(diào)，以從不需要的信號中提取所需信號;用不同載波調(diào)制的信號表現(xiàn)為背景噪聲。成功恢復(fù)信號的能力由總噪聲能量設(shè)定，包括頻帶中其他載波的總噪聲能量。由于濾波不能用于區(qū)分，因此要爭取的最佳情況是使所有信號以相等的功率到達基站天線。為了實現(xiàn)這一點，許多CDMA系統(tǒng)將接收的功率電平傳送回發(fā)射機，以便可以調(diào)整各個信號分量的功率以均衡基站接收機處的功率電平。為了幫助減少他們的近/遠問題，TDMA系統(tǒng)也可以使用這種功率控制，但它往往需要更復(fù)雜（即昂貴）的手機。

非對稱數(shù)字用戶線

ADSL是眾多競爭將寬帶數(shù)字服務(wù)引入家庭的技術(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)，例如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）來傳送調(diào)制信號。頻率空間在20 kHz和1.2 MHz之間的數(shù)字信息，高于傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)占用的頻率空間。這種頻率分離使ADSL調(diào)制解調(diào)器能夠在不打擾同時發(fā)生電話呼叫的情況下進行操作。

ADSL的ANSI標準使用FDM（在頻率上分離上游和下游信號）或回聲消除來提供同時上行（從家庭出局）和下行（到家庭）傳輸。回聲消除使用復(fù)雜的信號處理（模擬，數(shù)字或兩者）將強發(fā)射信號與較弱的接收信號分離，僅將接收信號傳遞給解調(diào)器。使用會話模型，這類似于能夠有效地同時交談和傾聽的人。