为数字通信系统选择混合信号分量：共享信道

共享频道

选择合适的调制方案只是定义通信网络问题的一部分。在大多数情况下，传输介质必须容纳来自多个发射器的信号。这种多次使用最明显的例子是电波;它们必须承载各种无线流量，从广播广播和电视到蜂窝电话，再到CB和短波无线电。即使是简单的双绞线电话线（代表电话公司中心办公室和用户之间的专用线路）也必须在呼叫期间同时传输传入和传出的语音和数据。

在大多数情况下，独立传输有效多路复用的关键是正确遵守“实时和让实时”协议，从而能够有效传输所需消息，而不会对其他传输造成不当干扰。在多个用户之间共享通信媒体有多种方法;每个都有自己的要求，影响组件的选择。这些方案中的大多数都可用于模拟和数字通信;但是，时间压缩的灵活性以及数字通信中可用的其他功能开辟了更多选择。

TDMA时分多址：也许共享通信信道的最明显方法是“轮流”：一次只分配一个发射机。当然，必须有某种协议来确定谁拥有传输特权，何时，多久以及多长时间。一个简单的例子是对讲机用户使用单词“over”来表示传输流的终止，并释放通信通道供其他用户传输。

通常需要更正式的安排，特别是当每个用户都被分配一个非常简短但重复的参与时。整个时间段可以划分为指定的“时隙”，每个发射机分配不同的传输时隙（图1）。这种方案需要同步所有发射机，再加上一个“主管”，以便在新发射机想要进入频道时分配时隙，并跟踪空出的时隙。必须提供一些“开销”空间，以允许发射机时隙之间的转换;同步越好，这些过渡期浪费的时间就越少。时间多路复用还意味着来自给定发射器的数据流不是连续的，而是突发的。为了表示连续的对话（例如在蜂窝电话中），在传输之间的时间段内获取的数字化信息必须经过时间压缩，在短时间内传输，然后在接收器中扩展以形成透明的连续消息。

图1.时间多路复用图示，显示保护带。

小组讨论的类比有时被用来说明TDMA的性质。不按顺序打断或无休止地嘎嘎作响的参与者犯了“违反TDMA协议”。欧洲GSM数字蜂窝电话标准使用TDMA;每个通道以八个时隙的重复传输序列同时传输八个电话。

TDMA系统的元件选择必须仔细考虑带宽和建立时间;带宽不足的组件的长时间常数往往会导致信号“渗入”相邻用户的时隙。

FDMA频分多址：任何在家中接收电视或无线电广播的人都熟悉频分多址的示例。在这种情况下，多个发射器可以通过将其传输中的每个频率保持在指定的频隙内来同时传输而不受干扰（在给定地理区域的给定功率水平下）。接收器通过调谐到所需的频率时隙来确定要恢复的信道。严格遵守每个发射机的频率限制非常重要;任何违规行为都会对相邻频道造成干扰。（图2）

图2.频率复用图示，显示未使用的频段以提供分离。

使用对话类比，这可能就像提供一组展位，每个演讲者一个;如果他们说话足够小，所有“发射机”都可以同时广播，听众可以通过在所需的隔间收听来“收听”。

几乎所有无线应用都受到频带限制;国家和国际监管机构，例如美国的FCC，将发射机许可为特定频率或将其类别限制在特定频段。有线电视等有线应用也使用频率分离来允许同时传输数百个频道（模拟和数字）。

保持在指定的频率约束范围内对元件选择有许多影响。例如，系统中的某些组件将用作精确的频率参考。它可以是绝对频率参考，如晶体，也可以包含接收并“锁定”到外部参考频率的电路。传输路径中的组件必须具有精心限制的光谱内容;这可以通过滤波来完成，但也需要控制分量线性度，以免产生偶然的“带外”谐波和其他杂散频率分量。

CDMA运营商分部多址 继续对话类比，假设10个人试图在一个小房间里同时进行5次一对一对话。进一步假设一对同意用英语交谈，另一对同意用法语交谈，其他人用中文、芬兰语和阿拉伯语交谈，并且都是单语。如果你是说英语的一对成员，你会听到背景“喋喋不休”的声音，但唯一可理解的信息是英语。因此，很容易看出所有 5 次对话可以同时在同一个房间里进行（尽管在实践中，每个人都可能会头疼）。

这本质上是对运营商划分多址的基本思想的描述。所有用户都在同一频段上发送和接收，但每对都分配有唯一的代码序列。您希望发送的数字比特流使用此唯一代码序列进行调制并传输。接收器将接收所有发射器的组合调制比特流。如果接收器用相同的唯一代码解调这个复合信号，它本质上执行互相关操作：用相同代码序列调制的比特流将被恢复;所有其他用不同代码调制的传输信号将作为“噪声”被拒绝。

使用特殊代码进行调制往往会将初始数字比特流的频谱扩展到更宽的带宽上，这有助于提高其抗干扰能力。尽管存在这种频谱扩展，但频谱效率可以保持，因为多个用户可以共享相同的带宽。添加更多用户只会导致频道中出现噪音增加。

CDMA系统的例子包括美国的IS95数字蜂窝标准和众多军事“扩频”通信应用（用唯一信号调制传输信号的另一个优点是它基本上是加密的;如果没有唯一的调制序列，接收器就无法恢复传输的消息）。尽管CDMA系统涉及更高的数字复杂性，但其模拟组件的性能要求却降低了。但是，由于多个发射机将同时在同一信道中广播，因此通常需要尽量减少发射机组件对背景和杂散噪声的贡献。

SDMA空间分部多路访问：回到对话类比，在同一房间内同时进行一对一对话的另一种方法是移动到房间的相对角落，用相对安静的语气说话。这抓住了SDMA的精神。在无线应用中，信号强度会随着与发射天线距离的增加而迅速下降。在足够远的距离上，可以认为信号已经完全褪色，从这一点开始，新的发射器可以对不同的信号重复使用相同的频率或时隙（图 3）。在广播电台中，相同的频率可以在不同的城市重复使用，只要它们相距足够远。

*信号随距离的衰减是频率的强函数：发射机频率越高，滚降越快。

图3.地理多路复用图示，显示中心有基站天线的蜂窝状小区。

信道重用距离的概念是术语“蜂窝电话”的基础。小区大小由给定发射机的有效覆盖面积决定，相同的频率可以在其他小区中重复使用。然而，在实践中，模式的设计使得相邻的单元不会重复使用相同的频率。传统天线向各个方向辐射，产生圆形覆盖区域和图3中的“蜂窝”蜂窝模式。随着聚焦或波束控制天线的发展，现代技术为 SDMA 的概念增加了新的维度。相控阵技术可以创建针对单个目标接收器或特定目标区域（例如，高峰时段的特定高速公路）的聚焦定向信号传输模式。这可以允许更快速地重用频谱，从而有效地增加无线应用的总容量。

先进的数字通信系统使用这些多路复用方案的组合，有效地将尽可能多的容量打包到可用的传输通道中。例如，GSM蜂窝电话使用TDMA，FDMA和SDMA来分配流量。甚至许多有线应用也使用TDMA和FDMA协议。虽然这些多路复用安排通常会增加系统的复杂性，但通道容量的有效增加远远抵消了元件成本的增加。

近/远问题

在前几期中，我们讨论了错误率和调制方案对数字通信系统中所需动态范围的影响。然而，在许多应用中，多路复用布置对通信接收器的动态范围提出了最终要求。

在任何应用中，接收信号的强度都是传输信号强度、与发射器的距离以及与传输介质（无线或有线）相关的众多环境因素的函数。大多数通信系统被设计为在各种距离上工作，因此必须设计为适应接收信号功率的较大变化。

例如，考虑蜂窝电话应用。接收器电路必须设计为在“小区”的最边缘恢复传输产生的微弱信号。这种恢复微弱信号的能力通常被称为接收器的灵敏度。为了恢复这种微弱的信号，似乎应该在接收电路中包括增益级。与良好的低噪声设计实践一致，人们可能希望尽可能早地将增益置于信号路径中，以快速将信号提升到后续级的本底噪声之上。

不幸的是，同一个接收器还必须能够接收直接站在基站天线下方的用户发送的信号。例如，在GSM的情况下，该信号可能比最弱的信号强90 dB。如果接收器在信号路径中的增益过多，则强信号会使增益级饱和。对于包含幅度信息（包括AM和QAM）的调制方案，这基本上会破坏信号。相位和频率调制方法可能更能容忍这种削波，具体取决于具体情况。（削波仍然会产生失真产物，即使在相位调制方案中也足以引起问题。

解决近/远动态范围问题的基本方法是在接收信号路径中使用可变/可编程增益级。自动增益控制（AGC）允许根据接收信号的强度调整增益。不过，一个重要的设计考虑因素是增益需要调整的速度。例如，在ADSL（非对称数字用户线路边栏）调制解调器中，接收的信号强度随着室外温度变化影响线路阻抗而变化，因此分钟的时间常数是可以容忍的。另一方面，蜂窝电话接收器必须设计为跟踪来自快速移动车辆的信号，这些车辆可能正在进入或从建筑物或其他信号障碍物的阴影中出来，因此需要非常快速的增益变化。TDMA系统对增益范围电路提出了额外的要求，因为近/远信号可能位于相邻的TDMA时隙中;在这种情况下，电路必须改变增益并在时隙之间的过渡期内稳定下来。

FDMA系统提供了另一种近/远挑战。在这里，要考虑的最坏情况是在强信号旁边的时隙中恢复微弱信号（图 4）。由于两个信号在增益级的输入端同时以复合形式存在，因此增益根据强信号的电平进行设置;本底噪声中可能会丢失微弱的信号（在这种情况下，本底噪声可能是A/D转换器的热噪声或量化噪声）。

图4.近远效应要求能够处理相邻通道之间的宽动态范围。

即使后续级具有足够低的本底噪声以提供动态范围以恢复微弱信号，也必须对增益级的动态线性度进行非常严格的约束;强信号的谐波或其他杂散响应缠绕在错误的频率箱中，很容易消除较弱的期望信号。为了减少这种干扰问题，大多数FDMA系统试图在接收电路的早期滤除不需要的信号。区分相邻频带中不需要的信号的能力通常称为接收器的选择性。

大多数无线电设计具有一系列级联滤波器和增益级（其中一些可能是可变的），以消除/衰减强干扰源，然后将所需信号放大到易于解调的水平。然而，宽带无线电试图同时恢复一个接收器中的所有信号;他们不能使用模拟判别滤波器;因此，宽带接收器通常对其模拟电路和转换器的动态范围有最严格的要求。有趣的是，即使是您认为自己拥有通信通道的应用程序也可能受到同时近/远信号的影响。例如，在ADSL调制解调器中，系统必须设计用于以下场景：近端回波（来自本地发射器的泄漏）显示为干扰信号，实际上比所需接收信号强60 dB。

在CDMA系统中，近/远问题有点难以描述。由于所有信号在同一频率空间中同时传输，因此滤波不能用于区分不需要的信号（尽管它仍然用于消除相邻频段中的信号）。CDMA采用解调，使用所需信号特有的载波从不需要的信号中提取所需的信号;使用不同载波调制的信号显示为背景噪声。成功恢复信号的能力由总噪声能量（包括频段中其他载波的能量）决定。由于滤波不能用于区分，因此最好的情况是让所有信号以相同的功率到达基站天线。为了实现这一点，许多CDMA系统将接收到的功率电平传输回发射器，以便可以调整各个信号组件的功率以均衡基站接收器的功率电平。为了帮助减少近/远问题，TDMA系统也可以使用这种功率控制，尽管它往往需要更复杂（即昂贵）的手机。

非对称数字用户线

ADSL是将宽带数字服务带入家庭的众多技术之一。ADSL的基本概念是利用已经为美国家庭提供几乎通用电话服务的双绞线。提供双向信息流的其他服务，如ISDN（综合业务数字网络），需要额外的专用线路来提供服务。

ADSL使用频分复用（FDM）在20 kHz和1.2 MHz之间的频率空间中传输调制数字信息，高于传统语音流量占用的频率空间。这种频率分离允许ADSL调制解调器在不干扰同时发生的电话呼叫的情况下运行这是一个极其重要的功能。

ADSL的ANSI标准使用FDM（在频率上分离上行和下行信号）或回声消除提供同步上行（从家庭传出）和下行（传入到家庭）传输。回声消除使用复杂的信号处理（模拟、数字或两者）将强发射信号与较弱的接收信号分开，仅将接收信号传递到解调器。使用对话模型，这类似于一个可以同时有效地说话和倾听的人。

审核编辑：郭婷