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常用多址方式

时间:2021-07-19 17:29 作者:admin 分享到:
 
       复用是指将若干个彼此独立的信号合并成可在同一信道上传输的复合信号的方法,常见的信号复用采用按频率区分与按时间区分的方式,前者称为频分复用(frequencydivisionmultiplexing,FDMA),后者称为时分复用。
4.4.1频分多址
       频分多址(frequencydivisionmultipeaccess,FDMA)是使用最早、目前使用较多的一种多址接入方式,广泛应用于卫星通信、移动通信、一点多址微波通信系统中。
       通常在通信系统中,信道所提供的带宽往往比传输一路信号所需要的带宽要宽得多,这样就可以将信道的带宽分割成不同的频段,每频段传输一路信号,这就是频分复用。频分复用是指信道复用按频率区分信号,即将信号资源划分为多个子频带,每个子频带占用不同的频率。然后把需要在同一信道上同时传输的多个信号的频谱调制到不同的频带上,合并在一起不会相互影响,并且能在接收端彼此分离开。为此,在发送端首先要对各路信号进行调制将其频谱函数搬移到相应的频段内,使之互不重叠,再送入信道一并传输。在接收端则采用不同通带的带通滤波器将各路信号分隔,然后分别解调,恢复各路信号。调制的方式可以任意选择,但常用的是单边带调制。因为每一路信号占据的频段小,最节省频带,在同一信道中传送的路数可以增加。
       频分复用系统的示意图如图4.6所示,其中f1( t ) f2(t)..fn(t)为n路低频信号,通过调制器形成各路处于不同频段上的边带信号。频分复用的理论基础仍然是调制和解调。通常为防止邻路信号的相互干扰,相邻两路间还要留有防护频带,因此各路载频之间的间隔应为每路信号的频带与保护频带之和。以语音信号为例,其频谱一般在0.3〜3.4kHz范围内,防护频带标准为900Hz,则每路信号占据频带为4.3kHz,以此来选择相应的各路载频频率,在接收端则用带通滤波器将各路信号分离,再经同步检波即可恢复各路信号,为减少载波频率的类型,有时也用二次调制。
       频分复用系统最大的优点是信道复用率高,允许的复用路数较多,同时分路也很方便,是模拟通信中主要的一种复用方式,在有线和微波通信中的应用十分广泛。频分复用的缺点是设备生产较为复杂,同时因滤波性能不够理想,以及信道内存在的非线性,所以容易产生路间干扰。
频分复用系统的示意图
图4.6频分复用系统的示意图
 
       FDMA通信系统模型如图4.7所示。FDMA通信系统核心的思想是频分复用,发送端的基带信号通过不同的载波调制之后,通过合路器进行二次调制之后在信道中进行传输;接收端通过带通滤波器对接收到的信号进行滤波,然后进行解调,从而恢复发送端的基带信号。
通信系统模型
图4.7FDMA通信系统模型
       频分复用技术除传统意义上的频分复用外,还有一种是OFDMo
1.传统的频分复用
       传统的频分复用典型的应用莫过于广电HFC(hybridfibercable,混合光纤同轴电缆)网络电视信号的传输了,不管是模拟电视信号还是数字电视信号都是如此,因为对于数字电视信号而言,尽管在每一个频道(8MHz)以内是时分复用传输的,但各个频道之间仍然是以频分复用的方式传输的。
2.OFDM
       OFDM技术是在1971年被相关标准化组织提出的。由于数字信号处理技术的快速发展,OFDM系统可以采用FFT和IFFT来对数据进行调制和解调。1980年,Ruiz提出了循环前缀的概念来消除相互干扰。当信道的最大时延小于采用的循环前缀长度时,经过多径衰落信道后的OFDM系统的性能会比较好。目前OFDM已经应用于多通信技术,如采用IEEE802.11标准的无线局域网、欧洲数字化音频广播、数字化视频广播、高清晰度数字电视,采用IEEE802.16标准的中国移动多媒体广播等。这些应用都得益于低复杂度的OFDM接收机,并且用户终端不需要具有高功率发射机。从而避免了OFDM系统中的一个主要缺点,即高峰均比而导致昂贵的高功率发射机。因为OFDM技术可以对抗多径衰落信号,以及可以和其他技术组成新的通信系统,因此在3G/4G通信技术标准中,OFDM被LTEClongtermevolution,长期演进)下行链路标准采纳,被3GPPLTE-Advanced和IMT-Advanced列为首选技术。
       OFDM实际是一种多载波数字调制技术。通常,多载波方案是把使用的信道带宽划分为若干个并行子信道,在理想情况下,各自每个子信道的带宽是非频率性选择性的(即具有频谱平坦增益),它的好处是接收机在领域上能够容易地补偿各个子信道的增益。OFDM是一种在实现中极具吸引力的多载波传输的特例。这样避免了需要利用保护带宽来分隔载波,因此使OFDM系统具有较高的频谱利用率,正是因为    OFDM系统中子信道的接收机中能完全分离,降低了接收机的实现复杂度,从而使OFDM系统对高速率的移动数据传输如LTE下行链路一样具有吸引力。
       OFDM全部载波频率有相等的频率间隔,它们是一个基本振荡频率的整数倍,正交指各个载波的信号频谱是正交的。OFDM系统比FDMA系统要求的带宽要小得多。由于OFDM使用无干扰正交载波技术,单个载波间无须保护频带,这样使可用频谱的使用效率更高。另外,OFDM技术可动态分配在子信道中的数据,为获得最大的数据吞吐量,多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。目前OFDM技术已被广泛应用于广播式的音频和视频领域及民用通信系统中,主要的应用包括非对称的数字用户环线、数字视频广播、高清晰度电视、无线局域网(wirelessLAN,WLAN)和第4代移动通信系统等。
3.单载波频分多址接入
SC-FDMA(Single-carrierFDMA,单载波分频多址)是LTE的上行链路的主流多址。SC-FDMA是相对于正交频分多址提出的一种多址方案,其特点是可以降低上行链路方向发射信号的PAPR(peaktoaveragepowerratio,峰值平均功率比)。SC-FDMA是基于单载波的频域均衡技术和基于离散傅里叶变换(discretefouriertransform,DFT)的预编码技术的结合,它不仅可以有效地对抗信道的频率选择性 衰落,而且能取得较低的PAPRoSC-FDMA是一种单载波调制方式,分为时域和频域产生方法。频域的生成方法又称为DFT扩展OFDM(DFT-S-OFDM),DFT-S-OFDM是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展(DFT处理),然后进行IDFT,这样系统发射的是时域信号,从而可以避免发射频域的OFDM信号所带来的PAPR的问题。3GPP标准中规定采用DFT-S-OFDM方式,即DFT扩展的OFDM方式,这种方式将每个载波能量分配到每个时隙中,可有效地降低PAPRoSC-FDMA的基本形式可以看作与QAM调制等价,它每次发送一个符号的工作方式与时分多址(timedivisionmultipleaccess,TDMA)系统(如GSM)类似。时域的生成方法又称为交织OFDM。
       SC-FDMA是单波载,与正交频分多址相比具有的较低的PAPR,比多载波的PAPR低1〜3dB(PAPR是由于多载波在频域叠加而引起的)。更低的PAPR可以使行动终端在发送功效方面得到更大的好处,进而延长电池使用时间。SC-FDMA具有单载波的低PAPR和多载波的强韧性两大优势。
4.4.2时分多址
       TDMA协议将时间轴划分为一定的时元,每个时元划分为时隙,在每个时元内给每个网络站点分配一定数量的时隙以发射信号,而不在发射信号的时隙中则接收其他站点所发射的信号。每个网络站点均备有准确的时钟,为了实现时分多址工作,要以一指定站的时钟为基准,其他站点的时钟则预知同步,形成统一的系统时钟。
      TDMA网络时隙的划分方法应根据实际的通信需求来决定。网络的时隙划分必须满足通信的实时性需求,同时也应考虑网络的效率,时隙太小网络的实时性好但是效率太低,时隙太长又不能保证通信的实时性。TDMA协议应用在对实时性要求比较高的数据通信中。性能比较稳定,不存在CDMA(cvdedivisionmultipleaccess,码分多址)协议的多址效应和远近效应。
      由于TDMA系统是以时间来分割来区分不同信道的,通信双方只允许在规定的时隙发送和接收信号,因此在时间上同步是TDMA通信系统正常工作的前提条件。
1.位同步
       在数字通信系统中,发端按照确定的时间顺序,逐个传输数据脉冲序列中的每个码元。而在接收端必须有准确的抽样判决时刻才能正确地判决所发送的码元,因此,接收端必须提供一个确定抽样判决时刻的定时脉冲序列,这个定时脉冲序列的重复频率必须与发送的数码脉冲一致。同时在最佳判决时刻(称为最佳相位 时刻)对接收码元进行抽样判决。
       为了得到码元的定时信号,首先要确定接收到的信息数据流中是否包含位定时的频率分量,如果存在此分量,就可以利用滤波器从信息数据流中把位定时信息提取出来。
如果基带信号为随机的二进制不归零码序列,则这种信号本身不包含位同步信号,为了获得位同步信号,需要在基带信号中插入位同步的导频信号,或者对该基带信号进行某种码型变换以得到同步信息。
实现位同步的方法和载波同步类似,也有插入导频法和直接法两种,而在直接法中又分为滤波法和锁相法。考虑到TDMA通信系统是按时隙以突发方式传输信号的,为了迅速、准确、可靠地获得位同步信息,宜采用插入导频法而不宜采用自同步法。
位同步系统的性能指标主要有效率、相位误差、同步建立时间、同步保持时间和同步带宽。
2.帧同步
       帧有两方面的含义,在数据量层,它是一个基本的数据处理单位;在物理层它是传输的一个基本单位,可以将前者称为数据帧,后者称为传输帧。二者可以是一致的,也可以是不一致的,但大多数情况下是一致的。如何从连续的数据流中提取每一个数据帧,怎样确定传输的开始和结束,这就需要一种能力使链路双向实现对帧统一认识的同步技术。
       帧同步是为了保证收、发双方对应的话路在时间上保持一致,这样接收端就能正常地接收发送端送来的每一个话路信号,当然这必须是在位同步的前提条件下实现。
为了建立收、发系统的帧同步,需要在每一帧(或几帧)中的固定位置插入具有特定码型的帧同步码。这样,只要接收端能正确识别出来这些帧同步码,就能正确地辨别出每一帧的首尾。从而能正确地区别出发送端送来的各路信号。
        实现帧同步的方法一般有两种:一种是外同步法,即在发送的数字信号序列中插入帧同步脉冲或帧同步码作为帧的标志;另一种是自同步法,即利用数字信号序列本身来恢复帧同步信号。
        同步的建立是一个捕捉的过程,即从接收的数字序列中尽快检测出帧同步码的过程。一般系统通过正确的检测确定独特字的位置,就可以达到时隙同步,进而达到帧同步。为了降低漏检概率,在系统检测到独特字后,还要启动软件对标志字的检测功能,当正确检测到标志字后才能确定系统进入同步状态,开始接收数据。
3.网同步
       网同步也就是系统同步,为了使TDMA网络按时分多址方式正确地工作,网内所有站点对码元和时隙的划分必须有统一的标准,使每一次发射都有统一的时隙起点作为定时基础。实现网同步可以采用不同的方法。在系统中长用的有主从同步法和独立时钟同步法。主从同步法属于全网同步方式,它采用频率控制系统去控制系统中所有设备的时钟,使它们的频率和相位直接或间接地与某一个主时钟的频率保持一致。独立时钟同步法属于准同步方式,用以实现系统同步。这种方法要求系统中的各设备均要采用稳定度很高的石英振荡器来产生定时信号。
      在主从同步法中,被指定作为事件基准的网络站点(主站)要定期(如每码元一次)发送事件、基准和入网信息,即每隔一个时元周期网络重新同步一次。
      网络同步的过程,就是各从站将自己的时隙起始时刻与主站的时隙起始时刻对准的过程,这就需要主站周期性地在自己时隙起始时刻发送一个同步信号。各从站利用这个同步信号校准自己的时隙起始时刻。这种同步信号应该具有良好的自相关特性,如巴克码。这种码自相关性很强,主峰值与副峰值相差很大,当从站接收同步信号时,每收到一位信号,即与已知码做相关运算。当收到完整的同步信号后,其相关运算的值将会很大,因此从站可以根据相关运算的值判断是否收到同步信号。
4.4.3码分多址
       码分多路复用又称码分多址,它既共享信道的频率,又共享时间,是一种真正的动态复用技术。其原理是每比特时间被分成刀个更短的时间槽,称为芯片,通常情况下每比特有64或128个芯片。每个站点(通道)被指定一个唯一的m位的代码或芯片序列。当发送1时,站点就发送芯片序列;发送0时站点就发送芯片序列的反码。当两个或多个站点同时发送时,各路数据在信道中被线性相加。为了从信道中分离出各路信号,要求各个站点的芯片序列是相互正交的。
       假如用S和『分别表示两个不同的芯片序列,用!S和成表示各自芯片序列的反码,那么应该有SxT=0.Sx!T=0、SxS=1、Sx!S=-1。当某个站点想要接收站点X发送的数据时,首先必须知道X的芯片序列(设为S);假如从信道中收到的和矢量为P,那么通过计算SXP的值就可以提取出X发送的数据。SXP=0,说明X没有发送数据;SXP=1,说明X发送了1;SXP=—1,说明X发送了0。
       码多分址是一种信道复用技术,它允许每个用户在同一时刻同一信道上使用同一频带进行通信。同时它也是一种以码分多址接入技术为基础的数字蜂窝移动通信系统。码分多址系统是以扩频技术为基础的,扩频是以把信息的频谱扩展到宽带的传输技术,将扩频技术应用于通信系统中,可以加强系统的抗干扰、抗多径、隐藏、保密和多址能力。
       适用于码多分址蜂窝通信系统的扩频技术是直接序列扩频,简称直扩。扩频技术将需传送的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号做相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号,即解扩,以实现信息通信。它的产生包括调制和扩频两个步骤。例如,先用要传送的对载波进行调制,再用伪随机序列(PN序列)扩展信号频谱;也可以先用伪随机序列与信息相乘(把信息的频谱扩展),再对载波进行调制,二者是等效的。在CDMA系统中,不同用户传送的信息是靠各自不同的编码序列来区分的。虽然信号在时间域和频率域是重叠的,但用户信号可以依靠各自不同的编码来区分。
       码分多址通信系统中,不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分,而是用各自不同的编码序列来区分,或者说,靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察,多个码分多址信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个码分多址信号中选出其中使用预定码型的信号,其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰,通常称为多址干扰。
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