共享信道時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)什么問題？如何解決

共享信道

選擇適當(dāng)?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(gè)發(fā)射器的信號(hào)。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(jiǎn)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(shí)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(dú)立傳輸是適當(dāng)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(huì)對(duì)其他傳輸產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)母蓴_。在多個(gè)用戶之間共享通信介質(zhì)有多種方法;每個(gè)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(shí)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(shí)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(gè)發(fā)送器被分配信道。當(dāng)然必須有某種協(xié)議來確定誰擁有傳輸權(quán)限，時(shí)間，頻率和持續(xù)時(shí)間。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是步話機(jī)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(dāng)每個(gè)用戶被分配一個(gè)非常簡(jiǎn)短但重復(fù)的參與時(shí)。整個(gè)時(shí)間段可以分成指定的“時(shí)隙”，每個(gè)發(fā)射機(jī)分配一個(gè)不同的時(shí)隙用于傳輸（圖1）。這種方案需要所有發(fā)射機(jī)的同步，加上一個(gè)“監(jiān)督者”來分配時(shí)隙，因?yàn)樾碌陌l(fā)射機(jī)想要進(jìn)入通道以跟蹤空出的時(shí)隙。必須提供一些“開銷”空間以允許發(fā)射機(jī)時(shí)隙之間的轉(zhuǎn)換;同步越好，這些過渡期損失的時(shí)間就越少。時(shí)間復(fù)用還意味著來自給定發(fā)射機(jī)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（例如在蜂窩電話呼叫中），在傳輸之間的時(shí)間段內(nèi)獲取的數(shù)字化信息必須是時(shí)間壓縮的，以短脈沖串發(fā)送，然后在接收機(jī)中擴(kuò)展以形成透明連續(xù)的消息。

小組討論的類比有時(shí)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?！睔W洲GSM數(shù)字蜂窩電話標(biāo)準(zhǔn)使用TDMA;每個(gè)頻道在8個(gè)時(shí)隙的重復(fù)發(fā)送序列中同時(shí)進(jìn)行8個(gè)電話呼叫。

TDMA系統(tǒng)的組件選擇必須包括仔細(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)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(gè)頻率保持在指定的頻隙內(nèi)，多個(gè)發(fā)射機(jī)可以同時(shí)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(gè)信道。重要的是要嚴(yán)格遵守每個(gè)發(fā)射機(jī)的頻率限制;任何違規(guī)行為都會(huì)對(duì)鄰近渠道造成干擾。 （圖2）

使用對(duì)話類比，這可能就像提供一組展位，每個(gè)發(fā)言者一個(gè);如果他們說得夠安靜，所有“發(fā)射器”都可以同時(shí)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(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(shí)傳輸數(shù)百個(gè)通道（模擬和數(shù)字）。

保持在指定的頻率限制范圍內(nèi)，對(duì)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(duì)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(yán)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(gè)人試圖在一個(gè)小房間里進(jìn)行5個(gè)同時(shí)進(jìn)行的一對(duì)一對(duì)話。進(jìn)一步假設(shè)一對(duì)同意用英語交談，另一對(duì)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(duì)的成員，您會(huì)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(gè)對(duì)話都可以在同一個(gè)房間同時(shí)進(jìn)行（雖然在實(shí)踐中，每個(gè)人都可能會(huì)頭疼）。

這實(shí)質(zhì)上是對(duì)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(duì)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(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碼解調(diào)該復(fù)合信號(hào)，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(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)在更寬的帶寬上擴(kuò)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(kuò)展，但可以保持頻譜效率，因?yàn)槎鄠€(gè)用戶可以共享相同的帶寬。增加更多用戶只會(huì)導(dǎo)致信道噪聲增加。

CDMA系統(tǒng)的例子包括美國(guó)的IS95數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)和眾多軍用“擴(kuò)頻”通信應(yīng)用（調(diào)制的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)）具有唯一信號(hào)的發(fā)送信號(hào)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(gè)發(fā)射機(jī)將同時(shí)在同一信道中進(jìn)行廣播，因此通常希望最大限度地減少發(fā)射機(jī)組件對(duì)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(gè)房間進(jìn)行同步一對(duì)一對(duì)話的另一種方法是移動(dòng)到房間的對(duì)角并說話相對(duì)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(hào)強(qiáng)度迅速下降。在足夠大的距離處，可以認(rèn)為信號(hào)已經(jīng)完全消失，從這一點(diǎn)來看，新的發(fā)射機(jī)可以為不同的信號(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(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。

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(jī)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(shí)踐中，設(shè)計(jì)模式使得相鄰小區(qū)不會(huì)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。現(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(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)間的特定高速公路）的聚焦的定向信號(hào)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(jí)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(huì)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(yuǎn)問題

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。但是，在許多應(yīng)用中，多路復(fù)用布置會(huì)對(duì)通信接收器中的動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生最終要求。

在任何應(yīng)用中，接收信號(hào)的強(qiáng)度都是傳輸信號(hào)的強(qiáng)度，與發(fā)射機(jī)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(jì)用于各種距離，因此必須設(shè)計(jì)成適應(yīng)接收信號(hào)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(jì)成在“單元”的最邊緣處恢復(fù)由傳輸產(chǎn)生的弱信號(hào)。這種恢復(fù)弱信號(hào)的能力通常被稱為接收器的靈敏度。為了恢復(fù)這種微弱信號(hào)，在接收電路中包括增益級(jí)似乎是合適的。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放在信號(hào)路徑中，以便快速將信號(hào)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(hào)。例如，在GSM的情況下，該信號(hào)可以比最弱的信號(hào)強(qiáng)90dB。如果接收器在信號(hào)路徑中具有太多的增益，則強(qiáng)信號(hào)可以使增益級(jí)飽和。對(duì)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(hào)。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(huì)產(chǎn)生足以引起問題的失真產(chǎn)物。）

解決近/遠(yuǎn)動(dòng)態(tài)范圍問題的基本方法是使用可變/可編程增益級(jí)在接收信號(hào)路徑中。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。但是，一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素是需要多快地調(diào)整增益。例如，在ADSL（非對(duì)稱數(shù)字用戶側(cè)邊欄）調(diào)制解調(diào)器中，接收信號(hào)強(qiáng)度隨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)成跟蹤來自快速移動(dòng)的車輛的信號(hào)，這些信號(hào)可能正在移動(dòng)到建筑物的陰影中或從建筑物的陰影或其他信號(hào)障礙物中出現(xiàn)，因此需要非?？焖俚脑鲆孀兓?TDMA系統(tǒng)對(duì)增益測(cè)距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)隙之間的過渡期內(nèi)穩(wěn)定下來。

FDMA系統(tǒng)提供不同類型的近/遠(yuǎn)挑戰(zhàn)。在這里，要考慮的最壞情況是在強(qiáng)信號(hào)旁邊的頻率槽中恢復(fù)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)作為復(fù)合信號(hào)存在，因此根據(jù)較強(qiáng)信號(hào)的電平設(shè)置增益。弱信號(hào)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(gè)低噪聲基底提供動(dòng)態(tài)范圍來恢復(fù)弱信號(hào)，對(duì)增益級(jí)的動(dòng)態(tài)線性度也必須有非常嚴(yán)格的約束;在錯(cuò)誤的頻率箱中卷起的強(qiáng)信號(hào)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(hào)。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(hào)。區(qū)分相鄰頻段中不需要的信號(hào)的能力通常被稱為接收機(jī)的選擇性。

大多數(shù)無線電設(shè)計(jì)都具有級(jí)聯(lián)的濾波器系列和增益級(jí)（其中一些可能是可變的）以去除/衰減強(qiáng)干擾，然后將所需信號(hào)放大到可以容易解調(diào)的水平。然而，寬帶無線電試圖同時(shí)恢復(fù)一個(gè)接收機(jī)中的所有信號(hào);他們不能使用模擬鑒別濾波器;因此，寬帶接收器通常對(duì)其模擬電路和轉(zhuǎn)換器中的動(dòng)態(tài)范圍有最嚴(yán)格的要求。有趣的是，即使您認(rèn)為自己擁有通信通道的應(yīng)用程序也會(huì)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)用于近端回波（來自本地發(fā)射機(jī)的泄漏）作為干擾信號(hào)出現(xiàn)的情況，實(shí)際上比所需的接收信號(hào)強(qiáng)60 dB。

在CDMA系統(tǒng)中，近/遠(yuǎn)問題要難以描述。由于所有信號(hào)在同一頻率空間同時(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帶中的信號(hào)）。 CDMA使用對(duì)所需信號(hào)唯一的載波進(jìn)行解調(diào)，以從不需要的信號(hào)中提取所需信號(hào);用不同載波調(diào)制的信號(hào)表現(xiàn)為背景噪聲。成功恢復(fù)信號(hào)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(zhēng)取的最佳情況是使所有信號(hào)以相等的功率到達(dá)基站天線。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，許多CDMA系統(tǒng)將接收的功率電平傳送回發(fā)射機(jī)，以便可以調(diào)整各個(gè)信號(hào)分量的功率以均衡基站接收機(jī)處的功率電平。為了幫助減少他們的近/遠(yuǎn)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(jī)。

非對(duì)稱數(shù)字用戶線

ADSL是眾多競(jìng)爭(zhēng)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(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)，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(hào)。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(shí)發(fā)生電話呼叫的情況下進(jìn)行操作。

ADSL的ANSI標(biāo)準(zhǔn)使用FDM（在頻率上分離上游和下游信號(hào)）或回聲消除來提供同時(shí)上行（從家庭出局）和下行（到家庭）傳輸?；芈曄褂脧?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)分離，僅將接收信號(hào)傳遞給解調(diào)器。使用會(huì)話模型，這類似于能夠有效地同時(shí)交談和傾聽的人。