共享信道时可能会出现什么问题？如何解决

共享信道

选择适当的调制方案只是定义通信网络的问题。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。这种多用途最明显的例子是电波;它们必须承载各种无线流量，从广播无线电和电视到蜂窝电话，再到CB和短波无线电。即使是简单的双绞线电话线，代表电话公司中心局和用户之间的专用线路，也必须在通话过程中同时传送传入和传出的语音和数据。

在大多数情况下，密钥有效地复用独立传输是适当遵守“直播和直播”协议，使得能够有效传输所需消息而不会对其他传输产生不适当的干扰。在多个用户之间共享通信介质有多种方法;每个都有自己的要求影响组件选择。大多数这些方案可用于模拟和数字通信;但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：也许最明显的共享通信信道的方式是“轮流”：每次只有一个发送器被分配信道。当然必须有某种协议来确定谁拥有传输权限，时间，频率和持续时间。一个简单的例子是步话机用户使用“over”一词来表示传输流的终止并释放通信信道以供其他用户传输。

通常需要更正式的安排，特别是当每个用户被分配一个非常简短但重复的参与时。整个时间段可以分成指定的“时隙”，每个发射机分配一个不同的时隙用于传输（图1）。这种方案需要所有发射机的同步，加上一个“监督者”来分配时隙，因为新的发射机想要进入通道以跟踪空出的时隙。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，这些过渡期损失的时间就越少。时间复用还意味着来自给定发射机的数据流不是连续的，而是突发的。为了表示连续的对话（例如在蜂窝电话呼叫中），在传输之间的时间段内获取的数字化信息必须是时间压缩的，以短脉冲串发送，然后在接收机中扩展以形成透明连续的消息。

小组讨论的类比有时用于说明TDMA的性质。参与者无休止地打断或发出嘎嘎声“违反TDMA协议。”欧洲GSM数字蜂窝电话标准使用TDMA;每个频道在8个时隙的重复发送序列中同时进行8个电话呼叫。

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

FDMA 频分多址：任何接收电视或接收电视的人家中的无线电广播熟悉频分多址的示例。在这种情况下，通过将其传输中的每个频率保持在指定的频隙内，多个发射机可以同时无干扰地发射（在给定地理区域中的给定功率电平）。接收器通过调谐到所需的频率槽来确定要恢复哪个信道。重要的是要严格遵守每个发射机的频率限制;任何违规行为都会对邻近渠道造成干扰。 （图2）

使用对话类比，这可能就像提供一组展位，每个发言者一个;如果他们说得够安静，所有“发射器”都可以同时播放，听众可以通过在所需的展位上聆听来“收听”。

几乎所有无线应用都受到频段限制;国家和国际监管机构，例如美国的FCC，将发射机许可到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，允许同时传输数百个通道（模拟和数字）。

保持在指定的频率限制范围内，对元件选择有很多分歧。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，或者它可能包含接收和“锁定”到外部参考频率的电路。传输路径中的组件必须具有严格限制的光谱内容;这可以通过滤波完成，但也有必要控制元件的线性度，以免产生偶然的“带外”谐波和其他寄生频率成分。

CDMA 载波分多址

em>继续谈话类比，假设有10个人试图在一个小房间里进行5个同时进行的一对一对话。进一步假设一对同意用英语交谈，另一对用法语交谈，其他用中文，芬兰语和阿拉伯语交谈，都是单语。如果您是英语对的成员，您会听到背景声音“喋喋不休”，但唯一可理解的信息是英语。所以很容易看到所有5个对话都可以在同一个房间同时进行（虽然在实践中，每个人都可能会头疼）。

这实质上是对载波分割多址的基本思想的描述。所有用户在相同的频带上发送和接收，但每对用户都被分配了唯一的代码序列。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码解调该复合信号，它基本上执行互相关操作：将恢复用相同码序列调制的比特流;用不同代码调制的所有其他发送信号将作为“噪声”被拒绝。

使用特殊代码进行调制往往会在更宽的带宽上扩展初始数字比特流的频谱，这有助于提高免受干扰的能力。尽管存在这种频谱扩展，但可以保持频谱效率，因为多个用户可以共享相同的带宽。增加更多用户只会导致信道噪声增加。

CDMA系统的例子包括美国的IS95数字蜂窝标准和众多军用“扩频”通信应用（调制的另一个优势）具有唯一信号的发送信号是基本上加密的;接收器不能在没有唯一调制序列的情况下恢复发送的消息）。虽然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进行广播，因此通常希望最大限度地减少发射机组件对背景和杂散噪声的影响。

SDMA Space Division Multiple Access ：回到谈话类比，在同一个房间进行同步一对一对话的另一种方法是移动到房间的对角并说话相对安静的音调。这体现了SDMA的精神。在无线应用中，随着与发射天线的距离增加，信号强度迅速下降。在足够大的距离处，可以认为信号已经完全消失，从这一点来看，新的发射机可以为不同的信号重复使用相同的频率或时隙（图3）。在广播无线电中，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。

频道重用距离的概念是“蜂窝电话”的基础。小区大小由给定发射机的有效覆盖区域决定，相同的频率可以在其他小区中重复使用。然而，在实践中，设计模式使得相邻小区不会重复使用相同的频率。常规天线在所有方向上辐射，产生圆形覆盖区域和图3中的“蜂窝”蜂窝图案。现代技术通过开发聚焦或波束控制天线为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，高峰时间的特定高速公路）的聚焦的定向信号传输模式。这样可以更快速地重复使用频谱，从而有效地增加无线应用的总容量。

高级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信道中。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复杂性，但是信道容量的有效增加比偏移量增加了组件成本。

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。但是，在许多应用中，多路复用布置会对通信接收器中的动态范围产生最终要求。

在任何应用中，接收信号的强度都是传输信号的强度，与发射机的距离，以及与传输介质（无线或有线）相关的众多环境因素。大多数通信系统设计用于各种距离，因此必须设计成适应接收信号功率的巨大变化。

例如，考虑一下蜂窝电话应用程序。接收器电路必须设计成在“单元”的最边缘处恢复由传输产生的弱信号。这种恢复弱信号的能力通常被称为接收器的灵敏度。为了恢复这种微弱信号，在接收电路中包括增益级似乎是合适的。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放在信号路径中，以便快速将信号提升到后续阶段的本底噪声之上。

不幸的是，同样的接收器还必须能够接收直接站在基站天线下的用户发送的信号。例如，在GSM的情况下，该信号可以比最弱的信号强90dB。如果接收器在信号路径中具有太多的增益，则强信号可以使增益级饱和。对于包括幅度信息（包括AM和QAM）的调制方案，这将基本上破坏信号。根据情况，相位和频率调制方法可能更容忍这种削波。 （即使在相位调制方案中，削波仍会产生足以引起问题的失真产物。）

解决近/远动态范围问题的基本方法是使用可变/可编程增益级在接收信号路径中。自动增益控制（AGC）允许根据接收信号的强度调整增益。但是，一个重要的设计考虑因素是需要多快地调整增益。例如，在ADSL（非对称数字用户侧边栏）调制解调器中，接收信号强度随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成跟踪来自快速移动的车辆的信号，这些信号可能正在移动到建筑物的阴影中或从建筑物的阴影或其他信号障碍物中出现，因此需要非常快速的增益变化。 TDMA系统对增益测距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系统提供不同类型的近/远挑战。在这里，要考虑的最坏情况是在强信号旁边的频率槽中恢复弱信号（图4）。由于两个信号在增益级的输入端同时作为复合信号存在，因此根据较强信号的电平设置增益。弱信号可能在本底噪声中丢失（在这种情况下，噪声基底可能是A / D转换器的热噪声或量化噪声。）

即使后续阶段有一个低噪声基底提供动态范围来恢复弱信号，对增益级的动态线性度也必须有非常严格的约束;在错误的频率箱中卷起的强信号的谐波或其他寄生响应可以很容易地消除较弱的所需信号。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。区分相邻频段中不需要的信号的能力通常被称为接收机的选择性。

大多数无线电设计都具有级联的滤波器系列和增益级（其中一些可能是可变的）以去除/衰减强干扰，然后将所需信号放大到可以容易解调的水平。然而，宽带无线电试图同时恢复一个接收机中的所有信号;他们不能使用模拟鉴别滤波器;因此，宽带接收器通常对其模拟电路和转换器中的动态范围有最严格的要求。有趣的是，即使您认为自己拥有通信通道的应用程序也会受到同时近/远信号的影响。例如，在ADSL调制解调器中，系统必须设计用于近端回波（来自本地发射机的泄漏）作为干扰信号出现的情况，实际上比所需的接收信号强60 dB。

在CDMA系统中，近/远问题要难以描述。由于所有信号在同一频率空间同时传输，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带中的信号）。 CDMA使用对所需信号唯一的载波进行解调，以从不需要的信号中提取所需信号;用不同载波调制的信号表现为背景噪声。成功恢复信号的能力由总噪声能量设定，包括频带中其他载波的总噪声能量。由于滤波不能用于区分，因此要争取的最佳情况是使所有信号以相等的功率到达基站天线。为了实现这一点，许多CDMA系统将接收的功率电平传送回发射机，以便可以调整各个信号分量的功率以均衡基站接收机处的功率电平。为了帮助减少他们的近/远问题，TDMA系统也可以使用这种功率控制，但它往往需要更复杂（即昂贵）的手机。

非对称数字用户线

ADSL是众多竞争将宽带数字服务引入家庭的技术之一。 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，例如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）来传送调制信号。频率空间在20 kHz和1.2 MHz之间的数字信息，高于传统语音业务占用的频率空间。这种频率分离使ADSL调制解调器能够在不打扰同时发生电话呼叫的情况下进行操作。

ADSL的ANSI标准使用FDM（在频率上分离上游和下游信号）或回声消除来提供同时上行（从家庭出局）和下行（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离，仅将接收信号传递给解调器。使用会话模型，这类似于能够有效地同时交谈和倾听的人。