当多个用户共享相同的传输介质时出现的通信信号处理问题

来源：analog 发布时间：2023-09-20

摘要： 第一部分介绍了信道容量的概念及其对带宽和信噪比的依赖;第二部分简要总结了不同类型的调制方案。本节讨论当多个用户共享相同的传输介质时出现的通信信号处理问题。

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选择适当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机的信号。这种多重用途最明显的例子是无线电波;它们必须承载各种各样的无线通信，从广播和电视，到蜂窝式电话，再到CB和短波通信。即使是一根简单的双绞电话线(它代表电话公司中心局和用户之间的专用线路)，在通话期间也必须承载输入和输出的声音和数据。

在大多数情况下，独立传输的有效多路复用的关键是适当地遵守“活和让活”协议，从而能够有效地传输所需的消息，而不会对其他传输产生不必要的干扰。在多个用户之间共享通信媒介有多种方法;每个都有影响组件选择的自己的需求。这些方案中的大多数可用于数字和数字通信;但时间压缩的灵活性，以及数字通信中可用的其他功能，为我们提供了更多的选择。

时分多址:也许共享通信信道最明显的方式是“轮流”:一次只有一个发射机被分配信道。当然，必须有某种协议来确定谁拥有传输特权，何时，多久，多长时间。一个简单的示例是对讲机用户使用单词“over”来指示传输流的终止并释放通信信道以供其他用户传输。

更正式的安排通常是可取的，特别是当每个用户被分配到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”，每个发射机分配一个不同的时隙进行传输(图1)。这种方案需要所有发射机的同步，加上一个“监督者”，当新发射机想要进入信道时分配时隙，并跟踪空出的时隙。必须提供一些“开销”空间，以便在发射机时隙之间进行转换;同步越好，这些过渡期损失的时间就越少。时间复用也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(比如在蜂窝电话中)，在两次传输之间获得的数字化信息必须进行时间压缩，以短脉冲传输，然后在接收器中展开，形成透明的连续信息。

小组讨论有时用来说明时分多址的性质。不按顺序中断或不停地喋喋不休的参与者“违反了TDMA协议”。欧洲GSM数字蜂窝电话标准使用TDMA;每个信道以8个时隙的重复传输序列同时传送8个电话。

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

频分多址:任何在家里接收电视或广播的人都熟悉频分多址的一个例子。在这种情况下，通过将每个频率保持在指定的频率槽内传输，多个发射机可以同时无干扰地传输(在给定地理区域的给定功率水平上)。接收器通过调谐到所需的频率槽来确定要恢复哪个信道。必须严格遵守每个发射机的频率限制;任何越轨行为都会对邻近的航道造成干扰。(图2)

使用会话，这可能就像提供一组展位，每个演讲者一个;如果他们说话足够安静，所有的“发射机”可以同时广播，听众可以通过在所需的展台收听来“收听”。

几乎所有的无线应用都受到频带的限制;国家和国际监管机构，如美国的联邦通信委员会，许可发射机使用特定频率或将其类别限制在特定频段。像有线电视这样的有线应用也使用频率分离来允许同时传输数百个频道(包括两个频道和数字频道)。

保持在指定的频率限制范围内对组件选择有许多影响。例如，系统中的某些组件将用作精确的频率参考。它可以是一个绝对频率参考，就像一个晶体，或者它可能包含一个接收和“锁定”到外部参考频率的电路。传输路径中的组件必须小心地限制光谱含量;这可以通过滤波来实现，但也有必要控制元件的线性度，以免产生附带的“带外”谐波和其他杂散频率成分。

CDMA——载波分多址——继续对话，假设10个人在一个小房间里同时进行5次一对一的对话。进一步假设其中一对同意用英语交谈，另一对同意用法语交谈，其他的同意用汉语、芬兰语和阿拉伯语交谈——而且都是单语。如果你是说英语的那对中的一员，你会听到嘈杂的背景“胡言乱语”，但唯一可理解的信息将是英语。所以很容易看出，这5个对话可以同时在同一个房间里进行(尽管在实践中，每个人都可能会感到头痛)。

这本质上是对载波分多址的基本思想的描述。所有用户都在同一频带上发送和接收，但每对用户都被分配了一个唯一的代码序列。您希望发送的数字比特流用这个独特的代码序列进行调制并传输。接收机将接收所有发射机的组合调制比特流。如果接收机用相同的唯一码解调这个复合信号，它本质上执行一个互相关操作:用相同的码序列调制的比特流将被恢复;所有其他用不同编码调制的传输信号将被拒绝为“噪声”。

用特殊码调制有利于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。尽管如此，由于多个用户可以共享相同的带宽，因此可以保持频谱效率。增加更多的用户只会导致频道中噪音的增加。

CDMA系统的例子包括美国的IS95数字蜂窝标准和许多军事“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本质上是加密的;如果没有唯一的调制序列，接收器就不能恢复发送的消息。虽然CDMA系统涉及更大的数字复杂性，但其性能要求降低了。然而，由于多个发射机将同时在同一频道中广播，因此通常希望尽量减少发射机组件对背景噪声和杂散噪声的贡献。

SDMA -空间分割多址:回到对话y，另一种在同一个房间里同时进行一对一对话的方法是移动到房间的相对角落，用相对安静的声音说话。这正是SDMA的精神所在。在无线应用中，信号强度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去，从这一点上，新的发射机可以重复使用相同的频率或时隙来发送不同的信号(图3)。在广播r 0中，相同的频率可以在不同的城市重复使用，只要它们之间的距离足够远*

*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。

信道随距离重用的概念是“蜂窝电话”一词的基础。蜂窝的大小取决于给定发射机的有效覆盖面积，相同的频率可以在其他蜂窝中重复使用。然而，在实践中，模式被设计成相邻的小区不会重复使用相同的频率。传统的天线在各个方向上都有信号，产生一个圆形的覆盖区域和如图3所示的“蜂窝”蜂窝图。随着聚焦或波束导向天线的发展，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)的集中定向信号传输模式。这样可以更快地重复使用频谱，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来有效地将尽可能多的容量装入可用的传输信道中。例如，GSM蜂窝电话使用TDMA、FDMA和SDMA来分配流量。甚至许多有线应用程序也使用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，但信道容量的有效增加超过了组件成本的增加。

近/远问题

在前几期中，我们讨论了误码率和调制方案对数字通信系统所需动态范围的影响。然而，在许多应用中，多路复用安排对通信接收机的动态范围提出了极高的要求。

在任何应用中，接收信号的强度是发射信号强度、与发射机的距离以及与传输介质(无论是无线还是有线)有关的许多环境因素的函数。大多数通信系统被设计成在各种距离上工作，因此必须设计成适应接收信号功率的很大变化。

例如，考虑一个蜂窝电话应用程序。接收器电路必须设计成能够在“单元”的最边缘恢复由于传输而产生的微弱信号。这种恢复微弱信号的能力通常被称为接收机的灵敏度。为了恢复这种微弱的信号，在接收电路中加入增益级似乎是合适的。与良好的低噪声设计实践相一致，人们可能期望在信号路径中尽可能早地放置增益，以快速将信号提升到后续级的噪声本底之上。

不幸的是，这个接收器还必须能够接收站在基站天线正下方的用户发送的信号。例如，在GSM的情况下，这个信号可以比最弱的信号强90 dB。如果接收机在信号通路上的增益过大，强信号会使增益级饱和。对于包含幅度信息的调制方案(包括AM和QAM)，这基本上会破坏信号。根据具体情况，相位和频率调制方法可能更能容忍这种裁剪。(即使在相位调制方案中，裁剪仍然会产生足以引起问题的失真产品。)

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。然而，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(非对称数字用户线路)调制解调器中，接收到的信号强度会随着室外温度变化影响线路阻抗而变化，因此以分钟为单位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快速移动的车辆发出的信号，这些车辆可能会进入建筑物的阴影或从其他信号障碍物中出现，因此需要非常快速的增益变化。时分多址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时分多址时隙;在这种情况下，电路必须改变增益并在时隙之间的过渡期间安定下来。

FDMA系统提供了一种不同的近/远挑战。在这里，需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处同时以复合信号的形式存在，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，本底噪声可能是A/D转换器的热噪声或量化噪声)。

即使后续级具有足够低的本底噪声以提供恢复弱信号的动态范围，也必须对增益级的动态线性度有非常严格的约束;强信号的谐波或其他虚假响应，如果进入错误的频率仓，就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过滤掉不需要的信号。区分相邻频带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r - o设计采用级联的一系列滤波器和增益级(其中一些可能是可变的)来去除/衰减强干扰，然后将所需信号放大到可以重新解调的水平。然而，宽带中继试图同时恢复一个接收器中的所有信号;它们不能使用鉴别过滤器;因此，宽带接收器通常对其电路和转换器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可能受到同步近/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场景，该信号实际上比期望的接收信号强60 dB。

在CDMA系统中，近/远问题更难描述。由于所有信号都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带中的信号)。CDMA使用唯一的载波进行解调，以从不需要的信号中提取所需的信号;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取决于该频带内的总噪声能量，包括其他载波的噪声能量。由于滤波不能用于区分，所以最好的情况是使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水平通信回发射机，以便可以调整各个信号组件的功率以平衡基站接收器的功率水平。为了帮助减少他们的近/远问题，时分多址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。