《通信系統(tǒng)原理》課件第11章

11.1通信資源的分配

11.2頻分復(fù)用和頻分多址

11.3時分復(fù)用和時分多址

11.4碼分多址

11.5空分多址和極分多址

11.6多址通信系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)

11.7局域網(wǎng)的多址接入技術(shù)

思考題

習(xí)題

第11章多路復(fù)用和多址接入11.1通信資源的分配多路復(fù)用和多址接入都是指通信資源的共享，但是兩者有所不同。就多路復(fù)用而言，用戶對資源共享的需求是固定的或者緩慢變化的，資源已經(jīng)預(yù)先分配，共享通常發(fā)生在局部端點，例如一塊電路板上。而多址接入則通常包括資源的遠(yuǎn)程共享，例如蜂窩移動通信中不同用戶對系統(tǒng)的接入需求。對于動態(tài)變化的多址接入系統(tǒng)，控制中心還必須知道每個用戶對通信資源的需求。信息傳輸所需的時間也是系統(tǒng)開銷的一部分，它決定了通信資源利用率的上限。提高通信資源的吞吐量(即總數(shù)據(jù)速率)的基本方法有三種。第一種是提高發(fā)信機的有效各向同性輻射功率(EIRP，EffectiveIsotropicRadiatedPower)或者降低系統(tǒng)損耗，從而提高接收端的信噪比。第二種方法是提供更多的信道帶寬等通信資源。第三種方法是更高效地分配通信資源，這是多址接入技術(shù)的主要研究領(lǐng)域。例如對于衛(wèi)星通信而言，大量用戶之間以各種比特速率和占空比相互傳遞數(shù)字信息，如何有效地將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的固定的通信資源分配給這些用戶，是多路復(fù)用和多址接入需要解決的問題。多路復(fù)用和多址接入所采用的通信資源的基本分配方法主要有以下幾種：

(1)頻分多路復(fù)用/頻分多址(FDMA，F(xiàn)requencyDivisionMultipleAccess)：對通信資源中的頻率的特定子頻帶進(jìn)行分配。

(2)時分多路復(fù)用/時分多址(TDMA，TimeDivisionMultipleAccess)：系統(tǒng)對周期循環(huán)的時隙進(jìn)行分配，有些系統(tǒng)為用戶分配固定的時隙，有些系統(tǒng)則讓用戶采用隨機訪問的方式共享時間資源。

(3)碼分多路復(fù)用(CDM，CodeDivisionMultiplexing)/碼分多址(CDMA，CodeDivisionMultipleAccess)：利用各路信號碼型結(jié)構(gòu)的正交性而實現(xiàn)的通信資源分配。系統(tǒng)為用戶分配一個正交或者接近正交的擴頻碼本集合中的一個碼本，每個用戶都使用全部信道帶寬。

(4)多波束頻率復(fù)用/空分多址(SDMA，SpaceDivisionMultipleAccess)：采用點波束天線通過指向不同的方向來實現(xiàn)信號的復(fù)用，允許同一頻帶的再利用。

(5)極化復(fù)用(PDM，PoarizationDivisionMultiplexing)/極分多址(PDMA，PoarizationDivisionMultipleAccess)：采用正交極化天線來分離信號，允許同一頻帶的再使用。所有多路復(fù)用和多址接入方案的關(guān)鍵是，各種信號在共享通信資源時，不會在檢測過程中產(chǎn)生難以處理的相互干擾，即一個信道上傳輸?shù)男盘柌荒茱@著地增加另一個信道中傳輸?shù)男盘柕恼`碼率，這就要求信號應(yīng)當(dāng)是正交的或者是接近正交的。信號波形xi(t)(i=1，2，…)如果在時域中滿足

(11.1)則它們是正交的，其中K是一個非零常量。如果信號在頻域中滿足

(11.2)

則它們也是正交的，其中函數(shù)Xi(f)是xi(t)的傅里葉變換。用式(11.1)表示的正交波形的信道化就稱為時分復(fù)用或者時分多址；同樣，用式(11.2)表示的正交頻譜的信道化就稱為頻分復(fù)用或者頻分多址。多址接入的基本思想可以用圖11.1描述。圖中通信資源用一個頻率-時間平面描述，不同的頻率-時間分配方案給出了不同的接入方式。圖11.1多址技術(shù)的基本思想11.2頻分復(fù)用和頻分多址11.2.1頻分復(fù)用原理頻分復(fù)用是指將所給的信道帶寬分割成互不重疊的許多小區(qū)間，每個小區(qū)間能順利通過一路信號?？梢岳脤φ也ㄕ{(diào)制的方法，先將各路信號分別調(diào)制在不同的副載波上，即將各路信號的頻譜分別搬到相應(yīng)的小區(qū)間里，然后把它們一起發(fā)送出去。在接收端用中心頻率調(diào)在各個副載波上的帶通濾波器將各路已調(diào)信號分離開來，再進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)，取出各路信號。頻分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用很多，例如載波電話、調(diào)頻立體聲、電視廣播、空間遙測裝置等。一個3路帶限調(diào)制信號的多路頻分復(fù)用原理如圖11.2所示。從圖中可以看出，3路調(diào)制信號分別通過低通濾波器(LPF)，形成帶限調(diào)制信號，以避免調(diào)制后對鄰路信號的干擾(頻譜重疊)。帶限信號對副載波fC1、fC2、fC3進(jìn)行SSB調(diào)制，產(chǎn)生xC1(t)、xC2(t)、xC3(t)，然后將它們相加得到x(t)，稱為頻分復(fù)用信號。只要適當(dāng)選擇副載波，并且調(diào)制信號又是帶限的，就不會產(chǎn)生各路信號頻譜重疊的現(xiàn)象。頻分復(fù)用信號可以直接通過信道傳輸，稱為一次調(diào)制；也可以將頻分復(fù)用信號再對某個載波fC調(diào)制后傳輸，稱為二次調(diào)制。在二次調(diào)制中，為了節(jié)約復(fù)用信號的頻譜寬度，第一次調(diào)制通常采用SSB調(diào)制，而第二次調(diào)制為了提高抗干擾性能，通常采用FM調(diào)制。在接收端將二次調(diào)制后的信號xC(t)解調(diào)成頻分復(fù)用信號x(t)，然后分路濾波并經(jīng)SSB解調(diào)，恢復(fù)出各路信號x1(t)、x2(t)、x3(t)。圖11.2頻分多路復(fù)用系統(tǒng)圖11.3描述了電話信道中FDM多路復(fù)用體系的最低二級。第1級由1組12個被調(diào)制到副載波的信道組成，頻率范圍為60~108kHz。第2級由5組共60個副載波調(diào)制的信道組成，頻率范圍為312~552kHz，這5組信道也稱為超群。多路復(fù)用信號可以看做一個合成信號，它可以通過電纜傳輸，也可以調(diào)制到載波進(jìn)行無線傳輸。圖11.3典型的頻分復(fù)用系統(tǒng)的調(diào)制方案頻分多路復(fù)用中有一個重要的指標(biāo)是路際串話，這是各路信號不希望有的交叉耦合，即某一路在通話的同時又聽到另外一路之間的通話。產(chǎn)生路際串話的主要原因是系統(tǒng)中的非線性傳輸，這在設(shè)計過程中要特別注意；其次的原因是各濾波器的濾波特性不良和副載波頻率漂移等。為了減少頻分復(fù)用信號頻譜的重疊，各路信號頻譜之間應(yīng)當(dāng)保留一定的頻率間隔，這個頻率間隔稱為防護(hù)頻帶。防護(hù)頻帶的大小主要和濾波器的過渡范圍有關(guān)。若濾波器的濾波特性不好，過渡范圍寬，則相應(yīng)的防護(hù)頻帶也要增加。頻分多路復(fù)用信號的帶寬和各路調(diào)制信號的帶寬、相鄰話路間的防護(hù)頻帶以及調(diào)制方式有關(guān)。假設(shè)信號x1(t)的頻譜為X1(f)，x2(t)與x3(t)的頻譜分別為X2(f)和X3(f)，采用SSB調(diào)制方式，則復(fù)用信號x(t)的頻譜X(f)如圖11.4所示。從圖中可以看出，在單邊帶調(diào)制時，復(fù)用信號的帶寬為

B=fX1+fX2+fX3+Bg1+Bg2 (11.3)

其中Bg1、Bg2為防護(hù)頻帶。圖11.4多路復(fù)用信號的頻譜如果采用其他調(diào)制方式，則頻分多路復(fù)用信號的帶寬要增加。例如振幅調(diào)制時滿足

B=2(fX1+fX2+fX3)+Bg1+Bg2

(11.4)從上面的討論可知，復(fù)用信號的最小帶寬是各調(diào)制信號的頻帶之和。如果不采用單邊帶調(diào)制，則B要增加。如果濾波特性不佳，副載波頻率漂移嚴(yán)重，則應(yīng)增加防護(hù)帶寬，B也同樣要增加。為了能在給定的信道內(nèi)同時傳輸更多路數(shù)的信號，要求邊帶濾波器的頻率特性比較陡峭。另外，收、發(fā)兩端都采用了很多的載波，為了保證收端相干解調(diào)的質(zhì)量，要求收、發(fā)兩端的載波保持同步，因此常用一個頻率穩(wěn)定度很高的主振源，并采用頻率合成技術(shù)來產(chǎn)生所需的各種頻率。采用頻分復(fù)用技術(shù)可以在給定的信道內(nèi)同時傳輸許多路信號，傳輸?shù)穆窋?shù)越多，則信號傳輸?shù)挠行栽礁?。頻分復(fù)用技術(shù)在有線通信、無線電報通信、微波通信中都得到廣泛的應(yīng)用。11.2.2衛(wèi)星系統(tǒng)的頻分多址方式商用衛(wèi)星通信中最常用的頻帶稱為C波段，上行鏈路為6GHz的載波，下行鏈路為4GHz的載波。對于C波段衛(wèi)星系統(tǒng)，國際上規(guī)定每個衛(wèi)星可以使用500MHz的帶寬。一般每個衛(wèi)星有12個轉(zhuǎn)發(fā)器，每個轉(zhuǎn)發(fā)器占用36MHz帶寬。通常，36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器采用FDM/FM/FDMA的多宿多模式進(jìn)行工作。例如對于電話信號，每個信號的頻譜為4kHz的單邊帶(包括防護(hù)帶)，并組成多信道復(fù)合信號。然后，復(fù)合信號通過調(diào)頻方式調(diào)制到載波上，并發(fā)送給衛(wèi)星。頻分多址方案對36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬進(jìn)行再分割并分配給不同的用戶。只要用戶接入轉(zhuǎn)發(fā)器，就會得到一定的帶寬分配。這樣，復(fù)合FDM信號經(jīng)過FM調(diào)制后，在FDMA分配的帶寬內(nèi)發(fā)射給衛(wèi)星。FDMA的主要優(yōu)點是它的簡單性。FDMA信號不需要進(jìn)行同步或者中心定時；每個信道基本上獨立于其他信道。11.3時分復(fù)用和時分多址11.3.1時分復(fù)用的原理

1．時分復(fù)用的基本工作原理抽樣定理告訴我們，一個頻帶限制在fX以內(nèi)的時間上連續(xù)的模擬信號x(t)，可以用時間上離散了的抽樣值來傳輸，抽樣值中包含有x(t)的全部信息；當(dāng)抽樣頻率fS≥2fX時，可以從已抽樣的輸出信號xS(t)中，用一個帶寬B為fX≤B≤(fS-fX)的理想低通濾波器不失真地恢復(fù)x(t)，如圖11.5(a)所示，圖11.5(b)畫出了x(t)和xS(t)的波形。圖11.5抽樣定理的描述如果信道對信號傳輸不產(chǎn)生失真并且不引入噪聲，那么x′(t)的波形與x(t)的波形完全相同，只是大小和x(t)不同，或者產(chǎn)生一定的時間延遲。如果像圖11.5那樣的傳輸系統(tǒng)只傳輸一路信號，那是非常不經(jīng)濟的，而且也沒有必要，因為一路信號不需要抽樣，直接傳輸就可以了。如果利用圖11.5(b)所示的xS(t)在時間上離散的相鄰脈沖間有很大空隙的特點，在空隙中再插入若干路也是抽樣后的信號，只要各路抽樣信號在時間上能區(qū)分開(即不重疊)，那么一個信道就有可能同時傳輸多路信號，達(dá)到多路復(fù)用的目的。這種多路復(fù)用稱為時分多路復(fù)用。

2．時分復(fù)用的原理框圖和各點波形圖11.6是一個時分復(fù)用的原理框圖，為作圖方便只畫出了三路。在發(fā)端，旋轉(zhuǎn)開關(guān)按照產(chǎn)生抽樣脈沖的定時電路給出的順序完成各路信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期TS=1/fS。轉(zhuǎn)換開關(guān)按一定順序(例如圖中按1、2、3的順序)將各路信號接入并取樣，圖11.7畫出了各路信號取樣后的波形和合成以后的波形。各路信號脈沖間隔為TS，合路信號脈沖的間隔為TS/N，其中N為路數(shù)，在圖11.7(d)中，合路信號脈沖間隔為TS/3。在接收端，用一個和發(fā)送端同步的定時電路控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，區(qū)分不同路的信號，把各路信號的抽樣脈沖序列分離出來，再用低通濾波器恢復(fù)各路所需要的信號。

圖11.6三路時分復(fù)用的原理框圖

圖11.7時分復(fù)用的波形

3．時分復(fù)用中幾個問題的討論

(1)抽樣速率、抽樣脈沖寬度和復(fù)用路數(shù)的關(guān)系。傳輸一路信號時，抽樣頻率fS≥2fX，以傳輸話音x(t)為例，fS通常為8kHz，抽樣周期TS=125μs，抽樣脈沖的寬度τ要比125μs小。傳輸N路信號，即N路復(fù)用時，在原先一路信號的抽樣周期TS內(nèi)要順序地插入N路抽樣脈沖，而且各個脈沖間還要留出一些空隙即保護(hù)時間。假設(shè)保護(hù)時間tg和取樣脈沖寬度τ相等，這樣取樣脈沖的寬度τ=TS/2N=t0，N比較大時，τ很小。而τ不能做得很小，因此復(fù)用的路數(shù)N也不能太多。

(2)信號帶寬與路數(shù)的關(guān)系。時分復(fù)用信號的帶寬有不同的含義。一種是信號本身具有的帶寬，從理論上講，時分復(fù)用信號是一個窄脈沖序列，它具有無窮大的帶寬，但是其頻譜的主要能量集中在0~1/τ以內(nèi)，因此從傳輸主要能量的觀點考慮，帶寬B在(1/τ，2/τ)之間，也就是落在(2NfS，4NfS)范圍內(nèi)。但是從另一個方面考慮，如果不是傳輸復(fù)用信號的主要能量，也不要求脈沖序列的波形不失真，而只要求傳輸抽樣脈沖序列的包絡(luò)即各脈沖的高度，此時帶寬只需NfS/2即可，即N路信號時分復(fù)用時，每秒NfS個脈沖中的信息可以在NfS/2的帶寬內(nèi)傳輸，因此B=NfS/2?？偟膩碚f，帶寬與NfS成正比，fS一般為8kHz，因此路數(shù)越多，帶寬越大。

(3)時分復(fù)用信號仍然是基帶信號。時分復(fù)用得到的信號仍然是基帶信號，不過這個時候是N路信號合在一起的基帶信號，這個基帶信號可以通過基帶傳輸系統(tǒng)直接傳輸，也可以經(jīng)載頻調(diào)制后通過頻帶傳輸系統(tǒng)傳輸。例如，像圖11.5所示的時分復(fù)用的PAM信號，經(jīng)過單邊帶調(diào)制以后可以在無線電信道傳輸，這種傳輸系統(tǒng)可以用TDM-PAM/SSB表示。現(xiàn)在通常不采用如圖11.5所示的PAM信號，代之以PCM和ΔM信號，PCM和ΔM信號也都可以復(fù)用，例如TDM-PCM/SSB表示多路復(fù)用的PCM信號經(jīng)過單邊帶調(diào)制以后的頻帶傳輸系統(tǒng)。下面介紹多路PCM信號的時分復(fù)用。11.3.2時分復(fù)用的PCM系統(tǒng)(TDM-PCM)

1．TDM-PCM的原理

PCM和PAM的區(qū)別在于PCM要在PAM信號基礎(chǔ)上經(jīng)過量化和編碼，把PAM中的一個抽樣脈沖量化后編為k位二進(jìn)制代碼。圖11.8表示一個只有3路PCM復(fù)用的系統(tǒng)。圖11.8(a)畫出了發(fā)端的原理框圖，話音信號經(jīng)過放大和低通濾波后得到x1(t)、x2(t)、x3(t)；然后經(jīng)過抽樣得到3路PAM信號xS1(t)、xS2(t)、xS3(t)，它們在時間上是分開的，由各路的發(fā)定時取樣脈沖控制。3路PAM信號一起進(jìn)入量化和編碼器進(jìn)行編碼，每個PAM信號的抽樣脈沖經(jīng)量化后編為k位二進(jìn)制代碼。編碼后的PCM代碼經(jīng)過碼型變換，變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)拇a型，然后經(jīng)過信道傳輸?shù)浇邮斩?。圖11.8TDM-PCM方框圖圖11.8(b)為接收端的原理框圖。收端收到信碼后，首先經(jīng)過碼型反變換，然后加到譯碼器進(jìn)行譯碼，譯碼后是3路合在一起的PAM信號，再經(jīng)過分離電路把各路PAM信號區(qū)分出來，最后經(jīng)過放大和低通濾波還原為話音信號。

2．碼元速率與信號帶寬

TDM-PCM的信號代碼在每一個抽樣周期內(nèi)有Nk個，其中N為路數(shù)，k為每個抽樣值編碼時編的碼位數(shù)。因此，碼元速率為NkfS波特，即fb=NkfS。實際上碼元速率要比NkfS大一些，因為除了信號代碼以外，還要加入同步碼元、振鈴用的振鈴碼和監(jiān)視測試等使用的監(jiān)測碼等。例如24路PCM中，如果只計信碼，則當(dāng)fS=8kHz，k=7時，碼元速率fb=24×7×8000=1344000=1.344×106波特。但是，當(dāng)計及振鈴碼和同步碼后，fb=1.544×106波特。從不產(chǎn)生碼間串?dāng)_出發(fā)，要求的最小信道帶寬為B=fb/2=NkfS/2。實際應(yīng)用中一般B=NkfS。11.3.3時分復(fù)用/時分多址和頻分復(fù)用/頻分多址的比較

1.時分復(fù)用和頻分復(fù)用的比較

1)復(fù)用的原理

FDM用頻率來區(qū)分同一信道上同時傳輸?shù)母髀沸盘?，各路信號在頻譜上互相分開，但是在時間上重疊在一起。

TDM是在時間上區(qū)分同一信道上輪流傳輸?shù)母髀沸盘?，各路信號在時間上互相分開，但是在頻譜上重疊在一起。圖11.1(a)、(b)分別畫出了FDM和TDM各路信號在頻譜上和時間上的特點。

2)設(shè)備復(fù)雜性

FDM復(fù)用部分的設(shè)備簡單，TDM因為要用同步系統(tǒng)，比較復(fù)雜。TDM分路部分的設(shè)備簡單，所有的濾波器都是相同的低通濾波器，而FDM因為要用不同的載頻和不同的帶通濾波器等，相對復(fù)雜。但是總的來說，TDM的設(shè)備要簡單些。除了路數(shù)很少時用FDM以外，路數(shù)較多時用TDM比較好。但當(dāng)路數(shù)很多時，TDM由于取樣脈沖寬度τ不能太小而導(dǎo)致實現(xiàn)困難，F(xiàn)DM沒有這種限制，因此復(fù)用路數(shù)很多時要用FDM。

3)抗各路信號之間的干擾各路信號間的干擾導(dǎo)致各路互相串話。在FDM系統(tǒng)中，由于各路信號在時間上同時存在，因此在復(fù)用部分的放大器中只要有非線性特性，就會引起各路頻譜間的組合干擾，從而引起互相干擾即串話，所以FDM系統(tǒng)中對于線性的要求比單路通信時要嚴(yán)格得多。在TDM系統(tǒng)中，各路信號在時間上是分開的，因此在TDM系統(tǒng)中對線性的要求同單路通信時一樣，沒有FDM系統(tǒng)中要求得那樣嚴(yán)格，產(chǎn)生的路間串話也要比FDM系統(tǒng)的小。

4)需要的傳輸帶寬由前面關(guān)于TDM和FDM對信道傳輸帶寬的計算可以看到，兩者是一樣的，N路復(fù)用時對信道帶寬的要求都是單路的N倍。

2.頻分多址和時分多址的性能比較

1)比特率等價性假設(shè)FDMA和TDMA系統(tǒng)能夠支持的全部速率都為R。FDMA系統(tǒng)的帶寬被分成M個正交頻帶，因此M個信息源的每一個Sm(1≤m≤M)都能以R/M的比特率進(jìn)行同步傳輸。而TDMA系統(tǒng)的每個幀被分成M個正交時隙，因此M個信息源的每一個Sm都以速率R傳輸，時間是同等FDMA用戶的M倍。在這兩種情形下，信息源都以平均速率R/M傳輸信息。假設(shè)每個信息源產(chǎn)生的信息組成b比特每群，稱為包或者數(shù)據(jù)分組。在FDMA的情況下，在M個不相交的信道中，b比特的分組都可以在T秒內(nèi)傳輸完，因此需要的全部的比特率是

(11.5)

在TDMA情況下，從每個信息源發(fā)出的b個比特可以在T/M秒內(nèi)傳輸完。因此需要的比特率是

(11.6)比較式(11.5)和式(11.6)可以得到

(11.7)

2)消息延遲上述分析似乎說明FDMA和TDMA之間的對應(yīng)性導(dǎo)致了同樣的性能，但是當(dāng)比較的標(biāo)準(zhǔn)是平均包延遲時，情況就不是這樣了。TDMA的包延遲小于FDMA包延遲，在這一方面TDMA的性能優(yōu)于FDMA。如前所述，假定FDMA情況下系統(tǒng)帶寬分成M個正交頻帶，在TDMA情況下幀被分成M個正交時隙。以傳輸確定的信息源為例，假定通信資源100％的被使用，所以在FDMA情況下所有的頻帶都填充滿了數(shù)據(jù)包，在TDMA情況下所有的時隙也都填滿了數(shù)據(jù)包。為了簡化，假定無需防護(hù)頻帶和防護(hù)時間間隔。消息延遲定義為

D=w+τ

(11.8)其中，w是包的平均等待時間(傳輸前)，τ是包的傳輸時間。在FDMA情況下，每個包在T秒間隔上發(fā)送，所以FDMA包的傳輸時間為τFD=T

(11.9)在TDMA情況下，每個包在T/M的時隙內(nèi)傳輸完。根據(jù)式(11.7)，得到TDMA包的傳輸時間為

(11.10)

FDMA信道是連續(xù)可用的，包一旦生成就馬上被傳輸，因此FDMA的等待時間是wFD=0

(11.11)圖11.9比較了FDMA和TDMA的比特流。對于TDMA而言，圖11.9(a)描述了每個用戶時隙在幀中的開始時間不同，即包Smk在幀產(chǎn)生的瞬間開始計時后的(m-1)T/M秒才開始(其中1≤m≤M)，因此TDMA包在開始傳輸前的平均等待時間是

(11.12)圖11.9TDMA和FDMA的比特流比較包傳輸之前最大的等待時間是(M-1)T/M，每個包平均等待(M-1)(T/M)/2=(T/2)(1-1/M)秒，如式(11.12)所示。為比較FDMA和TDMA的平均延遲時間DFD和DTD，將式(11.9)和式(11.11)代入(11.8)中，并將式(11.10)和式(11.12)帶入式(11.8)中，得到

DFD=T

(11.13)(11.14)由式(11.7)和式(11.14)可以得到

(11.15)

以上結(jié)果表明，從消息延遲的角度看，TDMA的性能優(yōu)于FDMA。盡管式(11.15)是在假定數(shù)據(jù)源是確定性的條件下得到的結(jié)果，但是適用于對任何到達(dá)時間獨立的消息過程。11.4碼分多址在圖11.1(a)中，通信資源是通過水平分割FDMA頻帶來共享的。在圖11.1(b)中，通信資源則是通過垂直分割TDMA時隙來共享的，這兩種技術(shù)是多址接入中應(yīng)用最普遍的技術(shù)。而在圖11.1(c)中，通信資源被FDMA和TDMA的兩種組合所分割，稱為碼分多址(CDMA)，它是擴頻技術(shù)的一種應(yīng)用。圖11.1(c)形象化地描述了跳頻CDMA，頻帶被臨時分配給不同的信號源，在每個連續(xù)時隙里(持續(xù)時間通常很短)，頻帶會被重新分配。例如，在時隙1里，信號1占用了頻帶1，信號2占用了頻帶2，信號3占用了頻帶3；而在時隙2里，信號1跳到了頻帶3，信號2跳到了頻帶1，信號3跳到了頻帶2，等等。每個用戶使用的偽隨機序列跟其他所有用戶的PN序列正交或者接近正交，這其中包含了跳頻頻帶的分配。相對于TDMA，跳頻CDMA的優(yōu)點是用戶組之間不需要同步(僅僅在同一個組的發(fā)射器和接收器之間需要同步)。圖11.10描述了跳頻調(diào)制過程。在每個跳頻時間里，PN碼生成器發(fā)送一個碼序列給跳頻器，跳頻器生成了一個許用的跳頻序列。假定數(shù)據(jù)調(diào)制使用M進(jìn)制FSK(M-aryFSK)，在傳統(tǒng)的MFSK系統(tǒng)中，數(shù)字信號在固定頻率的載波上調(diào)制，而在跳頻MFSK系統(tǒng)中，數(shù)字信號調(diào)制所用的載波頻率擴展到整個通信資源占用的頻帶上。圖11.10CDMA跳頻調(diào)制過程與FDMA和TDMA相比，CDMA具有以下獨特的優(yōu)點：

(1)保密性。屬于特殊用戶組的代碼僅允許在授權(quán)用戶之間收發(fā)，傳輸?shù)男盘柌灰妆环鞘跈?quán)用戶截獲，所以CDMA提供了通信的保密性。

(2)抗衰落。如果頻譜的某一部分有嚴(yán)重的衰落，則落在這段頻譜范圍內(nèi)的信號就會遭受衰落的影響。在FDMA系統(tǒng)里，一個用戶很可能會被分配到有嚴(yán)重衰落特性的某個頻段上，只要衰落存在，該用戶將始終經(jīng)歷嚴(yán)重衰落的通信過程。但是在跳頻CDMA方案里，僅當(dāng)用戶跳到這個受影響的頻譜部分，用戶的通信才會被影響。因此對CDMA來說，這種衰落的影響是所有用戶共同承擔(dān)的。

(3)抗阻塞。在一個給定的CDMA跳頻上，信號帶寬與傳統(tǒng)的MFSK帶寬(等于傳輸MFSK信號所需的最小帶寬)相等。但是經(jīng)過許多時隙后，系統(tǒng)會在一個比數(shù)據(jù)頻帶寬得多的頻帶上跳變，稱為擴頻，而擴頻具有良好的抗阻塞性。

(4)靈活性。CDMA方案相比于TDMA方案的最大優(yōu)點，是在各個同步收發(fā)器之間不需要精確的時間同步，基于不同編碼的用戶傳輸之間的正交性不受傳輸時間變化的影響。11.5空分多址和極分多址空分多址(SDMA)也稱多波束頻帶復(fù)用，它將空間分割成不同的信道。例如，在一顆衛(wèi)星上使用多個天線，各個天線的波束射向地球表面的不同區(qū)域。地面上不同地區(qū)的地球站，它們在同一時間即使使用相同的頻率進(jìn)行工作，也不會形成相互干擾。圖11.11給出了用時間-頻率-空間三維表示的通信資源分配關(guān)系。由圖中可見，F(xiàn)DMA是對頻帶的分割，TDMA是對時間的分割，而SDMA則是對空間的分割。SDMA是一種新的多址技術(shù)，它已在中國提出的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA中得到應(yīng)用，此外，在衛(wèi)星通信中也應(yīng)用了SDMA。圖11.11通信資源的時間-頻率-空間分割

SDMA實現(xiàn)的核心技術(shù)是智能天線的應(yīng)用，理想情況下，它要求天線給每個用戶分配一個點波束，這樣根據(jù)用戶的空間位置就可以區(qū)分每個用戶的無線信號。換句話說，處于不同位置的用戶可以在同一時間使用同一頻率和同一碼型而不會相互干擾。實際上，SDMA通常都不是獨立使用的，而是與其他多址方式如FDMA、TDMA和CDMA等結(jié)合使用，也就是說，對處于同一波束內(nèi)的不同用戶再用這些多址方式加以區(qū)分。應(yīng)用SDMA具有明顯的優(yōu)勢，它可以提高天線增益，使得功率控制更加合理有效，顯著提升系統(tǒng)容量；此外，一方面可以削弱來自外界的干擾，另一方面還可以降低對其他系統(tǒng)的干擾。如前所述，SDMA實現(xiàn)的關(guān)鍵是智能天線技術(shù)，這也正是當(dāng)前應(yīng)用SDMA的難點。特別是對于移動用戶，由于移動無線信道的復(fù)雜性，使得智能天線中關(guān)于多用戶信號的動態(tài)捕獲、識別與跟蹤以及信道的辨識等算法極為復(fù)雜，從而對數(shù)字信號處理(DSP，DigitalSignalProcessing)提出了很高的要求。極化波復(fù)用是在衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中采用的另一種復(fù)用技術(shù)，它利用一個天線饋源來同時接收兩種極化方式的波束，例如垂直極化和水平極化，左旋圓極化和右旋圓極化，以此實現(xiàn)復(fù)用。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中通常采用兩種辦法來實現(xiàn)頻率復(fù)用：一種是同一頻帶采用不同極化方式，如垂直極化和水平極化，左旋圓極化和右旋圓極化等；另一種是不同波束內(nèi)重復(fù)使用同一頻帶，此辦法廣泛使用于多波束系統(tǒng)中。11.6多址通信系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)多址協(xié)議或者多址算法(MAA，MultipleAccessAlgorithm)是一種規(guī)則，它指導(dǎo)用戶怎樣使用時間、頻率、編碼函數(shù)等與其他用戶進(jìn)行通信。多址接入系統(tǒng)是硬件與支持MAA軟件的結(jié)合。多址接入系統(tǒng)的目標(biāo)是及時、有序、有效地提供通信服務(wù)。圖11.12描述了衛(wèi)星接入系統(tǒng)的一些基本選擇方案，圖中不同的圖例符號表示地面站是否有MAA控制器，以及衛(wèi)星是否有MAA控制器。在圖11.12(a)中，將某個地面站設(shè)置成控制器，這個地面站擁有一臺MAA計算機，響應(yīng)所有其他用戶的請求服務(wù)。在這種情況下，用戶的請求必須經(jīng)過衛(wèi)星返回到控制器，控制器的響應(yīng)必須通過衛(wèi)星傳輸，因此，對于每個服務(wù)必須要有兩個上行和下行傳輸鏈路。在圖11.12(b)中，把MAA控制器分給所有地面站，每個地面站采用同樣的多址接入算法，知道關(guān)于接入請求和任務(wù)的相同信息，因此，每個服務(wù)僅需要一個往返行程。圖11.12(c)描述了MAA控制器在衛(wèi)星中的情況，服務(wù)請求是從用戶到衛(wèi)星，衛(wèi)星立刻做出響應(yīng)并返回；每個服務(wù)任務(wù)也只需要一個往返行程。圖11.12衛(wèi)星多址接入結(jié)構(gòu)11.6.1多址接入信息流圖11.13描述了多址接入算法或控制器與地面站之間的基本信息流。如前所述，控制器可以放置在衛(wèi)星、主站或者分布在所有的地面站上。圖11.13多址接入信息流多址接入的信息流程由如下幾個部分組成：

(1)信道化。控制信息的信道化給出了最基本的信息分配方案。例如，信道1~N可能分給了陸軍，信道N＋1～M可能分給了海軍，等等，這種分配信息很少改變。

(2)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)描述了系統(tǒng)中通信資源的狀態(tài)，基站會被告知關(guān)于通信資源的可利用性以及傳輸服務(wù)請求需要的資源位置(例如時間、頻帶、碼的位置)。

(3)服務(wù)請求。在這一階段由站點安排服務(wù)請求，例如進(jìn)行m個信息時隙的分配。

(4)進(jìn)程表?？刂破骰騇AA接收到服務(wù)請求時，會發(fā)送給站點一個關(guān)于數(shù)據(jù)在通信資源中的時間和地點定位的進(jìn)程表。

(5)數(shù)據(jù)。站點根據(jù)分配的進(jìn)程表傳輸數(shù)據(jù)。11.6.2按需分配多址接入如果站點不管它的實際需求是否需要而周期性地接入信道，則這種多址接入方案就是固定分配的多址接入方案。與此相應(yīng)的是動態(tài)接入方案，有時稱為按需分配多址接入(DAMA,DemandAssignmentMultipleAccess)，當(dāng)需要接入的時候才讓站點接入信道。如果從站點發(fā)出的通信信息是突發(fā)性的或者是斷續(xù)的，則DAMA方式會比固定分配方式更有效，它利用了實際需求負(fù)荷很少等于最高負(fù)荷這一特性。如果系統(tǒng)容量等于其最高負(fù)荷并且傳輸是突發(fā)性的，則系統(tǒng)在大部分時間內(nèi)處于空閑狀態(tài)。但是，通過使用緩沖區(qū)和DAMA，用容量為平均負(fù)荷的系統(tǒng)就可以處理此類突發(fā)性傳輸，其代價是一些序列的延時發(fā)送。圖11.14描述了系統(tǒng)容量等于用戶需求總數(shù)的固定分配方案和系統(tǒng)容量等于用戶需求平均數(shù)的DAMA系統(tǒng)之間的區(qū)別。從圖中可以看出，系統(tǒng)使用動態(tài)信道分配，可以減小占用的系統(tǒng)帶寬。圖11.14固定分配多址方案與DAMA方案的帶寬比較11.7局域網(wǎng)的多址接入技術(shù)局域網(wǎng)(LAN，LocalAreaNetwork)用于互連同一幢樓或幾幢樓內(nèi)的計算機、終端、打印機等。遠(yuǎn)程網(wǎng)為了降低成本通常使用公用電話網(wǎng)，而局域網(wǎng)通常鋪設(shè)自己的寬帶電纜，由于帶寬比較充裕，局域網(wǎng)可以使用簡單的接入算法。11.7.1載波偵聽多址接入網(wǎng)以太網(wǎng)是Xerox公司提出的一種局域網(wǎng)接入技術(shù)，它基于這樣一個假設(shè)，即每個本地設(shè)備在使用信道之前，能夠檢測共用廣播信道的狀態(tài)，將這種技術(shù)稱為載波偵聽多址接入/沖突檢測(CSMA/CD，Carrier-SenseMultipleAccesswithCollisionDection)，其中“載波”指電纜上的任何電運動。圖11.15(a)描述了以太網(wǎng)規(guī)范的比特域格式，包長度為72~1526字節(jié)，由8字節(jié)的前同步域、14字節(jié)報頭域、4字節(jié)監(jiān)督校驗域以及46~1500字節(jié)的數(shù)據(jù)域組成，每字節(jié)8比特。報頭中的源地址是發(fā)送設(shè)備的唯一地址，類型域決定了怎樣解釋數(shù)據(jù)域，目的地址域是接收端用于決定是否接收某個特定包的依據(jù)。圖11.15以太網(wǎng)的比特域和PCM格式以太網(wǎng)的多址接入算法定義了如下的用戶操作或響應(yīng)：

(1)延遲：表示用戶不能在載波出現(xiàn)時或者最小包間隔內(nèi)傳輸信息。

(2)傳輸：如果沒有延遲，則用戶可以進(jìn)行傳輸，直到包結(jié)束或者檢測到?jīng)_突。

(3)中斷：如果檢測到?jīng)_突，則用戶必須中斷包的傳輸，并傳輸一個短阻塞信號，以確保所有沖突用戶知道沖突的發(fā)生。

(4)重傳：用戶必須等待一個隨機延遲時間再進(jìn)行重傳。

(5)后退：第n次重傳之前的延遲是0~2n-1之間均勻分布的一個隨機數(shù)(0≤n≤10)，即后退時間。圖11.15(b)顯示了遵循以太網(wǎng)規(guī)范的10Mb/s曼徹斯特PCM格式的數(shù)據(jù)流。在這種格式下，每個比特單元都有一個躍變的過程。二進(jìn)制“1”用由低到高的躍變表示，二進(jìn)制“0”用由高到低的躍變表示，因此,數(shù)據(jù)躍變表明載波存在。如果一個躍變之后，在0.75比特和1.25比特時間內(nèi)沒有躍變，則表明載波消失，即包傳輸結(jié)束。11.7.2令牌環(huán)網(wǎng)在載波偵聽網(wǎng)絡(luò)中，所有的站點都被動地連接在局域網(wǎng)的電纜上。與此不同，環(huán)網(wǎng)由站點以及相繼站點之間的一系列點到點的線纜組成，環(huán)路和站點之間的接口是主動的而不是被動的，如圖11.16所示。圖11.16(a)描述了監(jiān)聽模式和傳輸模式的接口狀態(tài)。在監(jiān)聽模式中，輸入比特以1比特延遲時間復(fù)制到輸出端；在傳輸模式中，斷開連接，站點可以將自己的數(shù)據(jù)送入環(huán)中。將令牌定義為一種特殊的模式，例如8個連續(xù)的“1”比特流“11111111”，只要站點空閑時，這個令牌就在環(huán)上繞行。那么如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和令牌，以保證消息數(shù)據(jù)中不包含令牌序列呢？系統(tǒng)采用比特填充的方式來防止數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)令牌序列。例如，對于上述的8比特令牌序列，當(dāng)數(shù)據(jù)流序列中出現(xiàn)7個連續(xù)的“1”時，比特填充算法會將一個“0”插入到7個連續(xù)“1”數(shù)據(jù)序列的后面。接收端采用相應(yīng)的算法識別并處理7個連續(xù)“1”之后的“0”比特。圖11.16令牌環(huán)網(wǎng)令牌環(huán)接入方式的工作過程如下：

(1)準(zhǔn)備發(fā)送信息的站點監(jiān)聽接口處的令牌是否出現(xiàn)。當(dāng)令牌的最后一比特出現(xiàn)時，站點對其取反，例如11111110，然后斷開接口連接，將自己的數(shù)據(jù)送入環(huán)中。

(2)當(dāng)數(shù)據(jù)流沿著環(huán)路返回站點時，會被發(fā)送者刪除。令牌環(huán)網(wǎng)對數(shù)據(jù)包的大小沒有限制，因為整個包不會同一瞬間出現(xiàn)在環(huán)中。

(3)傳輸信息的最后一個比特后，發(fā)送站點會重新產(chǎn)生令牌。當(dāng)最后一比特數(shù)據(jù)繞環(huán)循環(huán)一周并被刪除后，接口就會轉(zhuǎn)向監(jiān)聽模式。

(4)在令牌環(huán)系統(tǒng)中，不存在競爭。在傳輸忙期，一旦令牌再產(chǎn)生，請求服務(wù)的下一個下游站就會立即發(fā)現(xiàn)，并且刪除令牌。因此，環(huán)中的發(fā)送轉(zhuǎn)換是平穩(wěn)的。由于只有一個令牌，因此不會產(chǎn)生競爭。當(dāng)所有的站點空閑時，環(huán)本身必須有足夠的延時以使得令牌能夠完整地進(jìn)行一次循環(huán)。環(huán)網(wǎng)中的重要問題之一是比特傳播距離。如果數(shù)據(jù)速率是RMb/s，則每1/Rμs發(fā)送1比特。因為典型的同軸電纜傳播速率是200m/μs，所以每個比特在環(huán)中占有200/Rm(米)的距離。

例如果一個8比特令牌被用在某個5Mb/s的令牌環(huán)網(wǎng)上，計算最小傳播距離dmin，即環(huán)的最小尺寸。假設(shè)傳播速度v=200m/μs。

解

R=5Mb/s；傳播1比特所需的時間tb=1/(5×106)s；發(fā)送8比特令牌所需的時間tT=8/(5×106)s；

8比特令牌的傳播距離dmin=tT×v=(8/5)μs×200m/μs=320m?！拘〗Y(jié)】本章在介紹通信資源共享概念的基礎(chǔ)上，分析了多路復(fù)用和多址接入的幾種主要方案，包括頻分多路復(fù)用/頻分多址、時分多路復(fù)用/時分多址、碼分多路復(fù)用/碼分多址、空分多路復(fù)用/空分多址以及極化復(fù)用和極化多址;接著闡述了多址通信系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)；最后介紹了用于局域網(wǎng)的兩個常用