多路复用与多址技术.ppt

现代通信原理 第12章多路复用与多址技术 华中科技大学电信系 2 定时系统 同步系统 编码信道 多路复用的分类 1 频分复用 FDM 波分复用 WDM DWDM CWDM 正交频分复用 OFDM 2 时分复用 TDM 同步时分复用 STDM 异步时分复用 ATDM 3 码分复用 CDM 4 空分复用 SDM 12 1数字通信中的多路复用技术 多路复用的目的 复用目的 充分利用传输媒质的带宽 提高信道的利用率 从而相应地提高系统的容量 中继段 总线 复用的前提 信道的带宽远大于单路信号的带宽 复用的实现 基于信号频率 时间 能量 空间等的正交特性 低速率 高速率 1 FDM2 WDM3 OFDM f ch1 ch2 ch3 Chn 1 chn 一 频分复用 1 频分多路复用 FDM FDMmultiplexingprocess frequencydomain FDMmultiplexingprocess timedomain 时域波形 频域波形 FDM去复用 FDM分层多路复用 载波电话 群 超群 主群 巨群 FDM典型应用 载波电话系统CATV系统2G系统3G系统卫星系统 WDM WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术 在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量 在接收端采用解复用器 等效于光带通滤波器 将各信号光载波分开 由于在光的频域上信号频率差别比较大 人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别 因而这样的复用方法称为波分复用 2 WDM技术原理 WDM技术原理简介 所谓WDM技术就是 根据每一信道光波的频率 或波长 不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道 把光波作为信号的载波 在发送端采用波分复用器 合波器 将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输 在接收端 再由一波分复用器 分波器 将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式 WDM技术原理简介 续 由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立 不考虑光纤非线性时 从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输 双向传输的问题也很容易解决 只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可 按照通道间隔的不同 WDM可以细分为CWDM 稀疏波分复用 和DWDM 密集波分复用 CWDM的信道间隔为20nm 而DWDM的信道间隔从0 2nm到1 2nm 所以相对于DWDM CWDM称为稀疏波分复用技术 波分复用系统示意图 信道n 信道2 信道1 WDM本质上是光域上的频分复用技术 30THz 相当于 WDM技术的主要特点 1 可以充分利用光纤的巨大带宽资源 使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍 2 使N个波长复用起来在单模光纤中传输 在大容量长途传输时可以大量节约光纤 另外 对于早期安装的芯数不多的电缆 芯数较少 利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容 WDM技术的主要特点 续 3 由于同一光纤中传输不同波长的信号彼此独立 因而可以传输特性完全不同的信号 完成各种电信业务信号的综合和分离 包括数字信号和模拟信号的综合与分离 4 波分复用通道对数据格式是透明的 即与信号速率及电调制方式无关 一个WDM系统可以承载多种格式的 业务 信号 WDM系统完成的是透明传输 对于 业务 层信号来说 WDM的每个波长就像 虚拟 的光纤一样 1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7 01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm 8 2 5Gb s1310nm 20Gb s 复用器 分用器 EDFA 120km 图中 8路2 5Gb s的光载波 波长1310nm 经光的调制后 分别将波长变换到1550 1557nm 经光复用器后在一根光纤中传输 传输总速率可达20Gb s 经一段距离传输后光信号衰减 使用掺铒光纤放大器EDFA放大 这种光放大器不需光电转换 能直接对光信号放大 两放大器间距120km 复用器分用器间无光电转换距离可600km 若光缆中有几十根这样的光纤 总数据率可达Tb s级 DWDM传输 常用在干线上传输 WDM典型应用 SDH传输系统IPoverWDMAON 全光网络 城域WDM无线光WDM DWDM 3 正交频分复用OFDM OFDM的英文全称为OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing 中文含义为正交频分复用技术 它采用一种不连续的多音调技术 将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号 从而完成信号传送 由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力 因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中 OFDM是一种无线环境下的高速传输技术 无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的 而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道 在每个子信道上使用一个子载波进行调制 并且各子载波并行传输 这样 尽管总的信道是非平坦的 具有频率选择性 但是每个子信道是相对平坦的 在每个子信道上进行的是窄带传输 信号带宽小于信道的相应带宽 因此就可以大大消除信号波形间的干扰 由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交 它们的频谱是相互重叠的 这样不但减小了子载波间的相互干扰 同时又提高了频谱利用率 下图表示N个子载波的频谱图 速率为R码字 秒的用户信号以串行的方式输入发送器 这些码字先被送入一个串行 并行变换器中 使串行输入的信号以并行的方式输出到M条线路上 这M条线路上的任何一条上的数据传输速率则为R M码字 秒 该OFDM码随后被送入一个进行快速傅立叶逆变换的模块 进行快速傅立叶逆变换 快速傅立叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据 由此 用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了处理 计算出快速傅立叶逆变换样值之后 一个循环前缀被加到了样值前 形成一个循环拓展的OFDM信息码字 接收器完成与发送器相反的操作 接收器收到的信号是时域信号 由于无线信道的影响发生了一定的变化 接收到的信号经过一个串行 并行的转换器 并且把循环前缀清除掉 OFDM信号发送器的原理 OFDM的优势 OFDM技术优点 1 适合高速数据传输 OFDM技术的数据传输速度相当于当前GSM和CDMA技术标准的10倍 利用该技术 下载一首MP3音乐仅需8分钟 而利用当前技术大约需要1 5个小时 在窄带带宽下也能够发出高速的数据 OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号 而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势 2 OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化 由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化 所以OFDM能动态地与之相适应 并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信 3 该技术可以自动地检测到传输介质哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲 然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信 4 OFDM技术特别适合使用在高层建筑物 居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区 高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响 5 抗衰落能力强 OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰 在单载波系统中 单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败 但是在多载波系统中 仅仅有很小一部分载波会受到干扰 对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错 6 可以有效地对抗信号波形间的干扰 适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输 当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时 只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响 其他的子载波未受损害 因此系统总的误码率性能要好得多 7 通过各个子载波的联合编码 具有很强的抗衰落能力 OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集 如果衰落不是特别严重 就没有必要再加时域均衡器 通过将各个信道联合编码 则可以使系统性能得到提高 8 抗码间干扰 ISI 能力强 OFDM技术抗窄带干扰性很强 因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道 9 可以选用基于IFFT FFT的OFDM实现方法 10 频率利用率高 这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要 当子载波个数很大时 系统的频谱利用率趋于2Baud Hz OFDM技术的两个缺陷 1 对频率偏移和相位噪声很敏感 2 峰值与均值功率比相对较大 这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率 近年来 随着DSP芯片技术的发展 富里叶变换 反变换 高速Modem采用的64 128 256QAM技术 栅格编码技术 软判决技术 信道自适应技术 插入保护时段 减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入 OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术将被更广泛应用于宽带移动通信领域 主要应用领域 目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频 视频领域和民用通信系统 主要的应用包括 非对称的数字用户环路 ADSL ETSI标准的数字音频广播 DAB 数字视频广播 DVB 高清晰度电视 HDTV 无线局域网 WLAN 和3G MC CDMA 等 二 时分多路复用 TDM 时分多路复用TDM TimeDivisionMultiplexing 当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传输速率的总和时 可以将物理信道按时间分成若干时间片轮换地分配给多路信号使用 每一路信号在自己的时间片内独占信道传输 这就是时分多路复用 时分多路复用可分为同步TDM和异步TDM 时分多路复用TDM多用来传输数字信号 但并不局限于传输数字信号 有时也可以用来分时传输模拟信号 另外 对于模拟信号 有时可把TDM和FDM结合起来一起使用 比如第二代移动电话的GSM标准中 将一个传输系统的可用频带频分成许多子信道 每个子信道再利用时分多路复用来细分 一 同步时分复用 STDM 1 基本原理 同步时分复用需要一对收发同步的分配开关 时分多路复用 TDM 以时间作为信号分割的参量 各路信号在时间轴上互不重叠 抽样定理为时分多路复用提供了依据 原理 抽样周期被分为N个时隙 将N个信息信号的样值按一定顺序安排在这N个时隙中 通过发送端的并路器和接收端的分路器在每一个抽样周期内顺序对这N个信号依次传输一次 这样就可以在同一信道内时分顺序传送多个基带信号 由于这种复用方式以周期出现的时隙作为信息的载体 在收发两端建立一条传输速率固定的通路 所以一般称为同步时分多路复用 同步时分多路复用原理 TDM信号中各信号的频谱分量混叠在一起 从频谱上不可能分辩各路信息信号 由于时分顺序传送各信息信号一次的周期很短 所以 虽然从微观上讲在时间上可分辨各路信息信号 但人是感觉不到各路信息信号是在不同时间传送的 宏观上能感觉到的仍是 同时 传送 时分多路复用的特点 TDM信号的参数 最小抽样频率 抽样周期 时隙 码元宽度 最小信道带宽 数码率 话音信号的频带限制在300 3400Hz范围内 根据CCITT建议 采用8kHz的抽样率 抽样周期为125 s 每样值采用8位二进制非线性编码 由于国际上通用的PCM有A律和 律之分 它们的编码规则不同 所以时分多路复用的基群帧结构不同 形成了A律TDM PCM30 32制式和 律TDM PCM24制式 2 数字话音TDM PCM系统 在A律TDM PCM30 32制式中 一个抽样周期被等分为32个时隙 每时隙为3 91 s 并顺序从0到31编号 分别记作TS0 TS1 TS31 其中TS1到TS15和TS17到TS31这30个路时隙用来传送30路电话信号的话音编码码组 TS0分配给帧同步 TS16专用于传送30个话路的信令码和复帧同步码 帧同步时隙 信令时隙和30个话路时隙这32个时隙的信号共同形成一帧 占用一个抽样周期的时间 信号在信道中一帧接着一帧地传输 每个时隙内传送8位码 每位码采用50 占空比的脉冲 占244 244ns 复帧 一帧中的TS16只有8位码 不足以传送30个话路的标志信号 所以必须将16帧构成一个更大的帧 称为复帧 复帧的重复频率为8000 16 500Hz 周期为125 16 2 0ms 1 A律TDM PCM30 32制式 在抽样率为8000Hz时 PCM30 32系统的数码率为fb 8 32 8000 2 048Mb s A律TDM PCM30 32制式基群帧结构 暂时为1 国际备用 在 律TDM PCM24制式中 一个抽样周期的125 s被分成193个码元 组成一帧 12帧构成一个复帧 复帧周期为1 5ms 每帧193个码元中帧首编号为1的位交替传送帧同步码和复帧同步码 其中12帧中的奇数帧的第1位码元构成 101010 帧同步码组 而偶数帧的第1位码元构成复帧同步码 00111 第12帧的第1位码用作对端告警用 每帧中其余192位码元每8位构成一路时隙 用于传送24路电话信号 PCM24制式采用话音时隙内信令 每复帧中的第6帧和第12帧指定作为信令帧 在每个信令帧中 各路时隙的第8位即PCM码的最低位 用来传送该路信令 即每6帧中有5帧的样值按8比特编码 而有1帧按7比特编码 在PCM24系统中 总的数码率为 8 24 1 8000 1544kbit s 2 律TDM PCM24制式 二 异步 统计 TDM ATDM TDM的缺点 某用户无数据发送 其他用户也不能占用该通道 将会造成带宽浪费 改进 使用异步时分多路复用 ATDM 用户不固定占用某个通道 有空时间片就将数据放入 异步TDM 各数据之前要附有该路地址 以便接收方能分出各路信号 三 STDM和ATDM的比较 CDM CDMA举例 发送 CDM CDMA举例 接收 对于话音通信 扩大数字通信传输容量的方法 分接器 复接器 信道 四 数字复接技术 数字数据时分多路复用 准同步数字系列PDH与同步数字系列SDH 1 数字复接原理 2 PDH与SDH数字复接系列 图PDH的网络结构 一种应用 一 SDH的基本概念 1 PDH的弱点现在的准同步数字体系 PDH 传输体制已不能适应现代通信网的发展要求 其弱点主要表现在如下几个方面 1 只有地区性数字信号速率和帧结构标准而不存在世界性标准 2 没有世界性的标准光接口规范 导致各个厂家自行开发的专用光接口大量出现 3 准同步系统的复用结构 除了几个低等级信号 如2048kbit s 1544kbit s 采用同步复用外 其它多数等级信号采用异步复用 即靠塞入一些额外的比特使各支路信号与复用设备同步并复用成高速信号 4 复接方式大多采用按位复接 虽然节省了复接所需的缓冲存储器容量 但不利于以字节为单位的现代信息交换 5 复用信号的结构中用于网络运行 管理 维护 OAM 的比特很少 网络的OAM主要靠人工的数字交叉连接和停业务检测 这种方式已经不能适应不断演变的电信网的要求 6 由于建立在点对点传输基础上的复用结构缺乏灵活性 使数字通道设备利用率很低 2 SDH的概念及特点1 SDH的概念SDH网是由一些SDH的网络单元 NE 组成的 在光纤上进行同步信息传输 复用 分插和交叉连接的网络 SDH网中不含交换设备 它只是交换局之间的传输手段 SDH网的概念中包含以下几个要点 1 SDH网有全世界统一的网络节点接口 NNI 从而简化了信号的互通以及信号的传输 复用 交叉连接等过程 2 SDH网有一套标准化的信息结构等级 称为同步传递模块 并具有一种块状帧结构 允许安排丰富的开销比特 即比特流中除去信息净负荷后的剩余部分 用于网络的OAM 3 SDH网有一套特殊的复用结构 允许现存准同步数字体系 PDH 同步数字体系和宽带综合业务数字网 B ISDN 的信号都能纳入其帧结构中传输 即具有兼容性和广泛的适应性 4 SDH网大量采用软件进行网络配置和控制 增加新功能和新特性非常方便 适合将来不断发展的需要 5 SDH网有标准的光接口 即允许不同厂家的设备在光路上互通 6 SDH网的基本网络单元有终端复用器 TM 分插复用器 ADM 再生中继器 REG 和同步数字交叉连接设备 SDXC 等 图STM 1终端复用器 图STM 1分插复用器 终端复用器 TM 的主要任务是将低速支路信号纳入STM 1帧结构 并经电 光转换成为STM 1光线路信号 其逆过程正好相反 图SDH分插信号流图示 图基本网络单元在SDH网中的使用 Path Line Line Section Section Section Section 图12 23中标出了实际系统组成中的再生段 复用段和通道 再生段 再生中继器 REG 与终端复用器 TM 之间 再生中继器与分插复用器 ADM 或SDXC之间称为再生段 再生段两端的REG TM和ADM 或SDXC 称为再生段终端 RST 复用段 终端复用器与分插复用器 或SDXC 之间称为复用段 复用段两端的TM和ADM 或SDXC 称为复用段终端 MST 通道 终端复用器之间称为通道 2 SDH的特点SDH的特点主要体现在如下几个方面 1 有全世界统一的数字信号速率和帧结构标准 2 采用同步复用方式和灵活的复用映射结构 净负荷与网络是同步的 3 SDH帧结构中安排了丰富的开销比特 约占信号的5 因而使得网络运行 管理 维护 OAM 能力大大加强 4 将标准的光接口综合进各种不同的网络单元 减少了将传输和复用分开的需要 从而简化了硬件 缓解了布线拥挤 5 SDH与现有的PDH网络完全兼容 即可兼容PDH的各种速率 同时还能方便地容纳各种新业务信号 6 SDH的信号结构的设计考虑了网络传输和交换的最佳性 上述特点中最核心的有三条 即同步复用 标准光接口和强大的网络管理能力 当然SDH也有不足之处 主要体现在如下几个方面 1 频带利用率不如传统的PDH系统 2 采用指针调整技术会使时钟产生较大的抖动 造成传输损伤 3 大规模使用软件控制和将业务量集中在少数几个高速链路和交叉节点上 这些关键部位出现问题可能导致网络的重大故障 甚至造成全网瘫痪 4 SDH与PDH互连时 在从PDH到SDH的过渡时期 会形成多个SDH 同步岛 经PDH互连的局面 由于指针调整产生的相位跃变 使经过多次SDH PDH变换的信号在低频抖动和漂移上比纯粹的PDH或SDH信号更严重 图NNI在网络中的位置 二 SDH的速率与帧结构 1 网络节点接口网络节点接口 NNI 是实现SDH网的关键 NNI在网络中的位置如下图所示 2 同步数字体系的速率同步数字体系最基本的模块信号 即同步传递模块 是STM 1 其速率为155 520Mbit s 3 SDH帧结构ITU T最终采纳了一种以字节为单位的矩形块状 或称页状 帧结构 如下图所示 图SDH帧结构 STM N R M STM 1总比特数 270 9 8bit 125us 19440bit 125us 155 52Mbps净负荷 不计POH 260 9 8bit 125us 18720bit 125us 149 76Mbps净负荷 计POH 261 9 8bit 125us 18792bit 125us 150 336Mbps帧定位 A1 3 A2 3 6 8bit 125us 384kbps差错监视与保护 B1 B2 3 K1 K2 6 8bit 125us 384kbpsSTM 1id C1 1 8bit 125us 64kbps数据通信 D1 D12 12 8bit 125us 768kbps公务联络 E1 E2 2 8bit 125us 16bit 125us 128Mbps使用者通道 F1 64kbpsAUPTR 9 8bit 125us 72bit 125us 576kbps备用 44 8bit 125us 352bit 125us 2 816Mbps STM 4622 08Mbps STM N由270 N列9行组成 即帧长度为270 N 9个字节或270 N 9 8bit 帧周期为125 s 即一帧的时间 对于STM 1而言 帧长度为270 9 2430byte 相当于19440bit 帧周期为125 s 由此可算出其速率为270 9 8 125 10 6 155 520Mbit s 段开销 SOH 区域段开销 ection verhead 是指STM帧结构中为了保证信息净负荷正常 灵活传送所必需的附加字节 是供网络运行 管理和维护 OAM 使用的字节 2 净负荷 Pay1oad 区域信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息负载的地方 图12 25之中横向第10 N 270 N 纵向第1行到第9行的2349 N个字节都属此区域 3 管理单元指针 AU PTR 区域管理单元指针用来指示信息净负荷的第一个字节在STM N帧中的准确位置 以便在接收端能正确地分解 同时 净负荷在STM N帧内是浮动的 在SDH中采用了净负荷指针技术 这样既可以避免采用125us缓存器和在复用设备接口的滑动 又允许容易地接入同步净负荷 因而是一重要革新 4 段开销 SOH 字节1 段开销字节的安排SOH中包含定帧信息 用于维护与性能监视的信息以及其它操作功能 STM N帧中SOH所占空间与N成正比 N不同 SOH字节在空间中的位置也不同 但SOH字节的种类和功能是相同或相近的 STM 1SOH字节安排 2 SOH字节的功能 1 帧定位字节A1和A2 2 再生段踪迹字节J0 3 数据通信通路 DCC D1 D12 4 公务字节E1和E2 5 使用者通路F1 6 比特间插奇偶检验8位码 BIP 8 B1 7 比特间插奇偶检验24位码 BIP N 24 字节B2B2B2 8 自动保护倒换 APS 通路字节K1和K2 b1 b5 9 复用段远端失效指示 MS RDI 字节K2 b6 b8 10 同步状态字节S1 b5 b8 11 复用段远端差错指示 MS REI M1 12 与传输媒质有关的字节 13 备用字节Z0 图G 709建议的SDH复用结构 三 SDH的复用结构 1 标准容器 C 容器是一种用来装载各种速率的业务信号的信息结构 主要完成适配功能 例如速率调整 以便让那些最常使用的准同步数字体系信号能够进入有限数目的标准容器 2 虚容器 VC 虚容器是用来支持SDH的通道 通路 层连接的信息结构 C POH VC 映射 3 支路单元和支路单元组 TU和TUG 低阶VC VCPTR TU 定位校准 4 管理单元和管理单元组 AU和AUG 高阶VC VCPTR AU 定位校准 5 多个TU形成TUG 同步复接 6 高阶VC VC 3 VC 4 加AUPTR形成AUVC 4 AUPTR AU 4 定位校准 7 1个或3个AU形成AUG 同步复接 8 N个AUG加段开销形成STM NN AUG SOH STM N 同步复接 图12 31我国的基本复用映射结构 我国的SDH复用结构我国的光同步传输网技术体制规定 以2Mbit s为基础的PDH系列作为SDH的有效负荷并选用AU 4复用路线 其基本复用映射结构如下图所示 12 2多址技术 12 2 1多址方式 12 2 1 1信道分割原理信道复用是在两点之间的信道中同时传送互不干扰的多个相互独立的用户信号 而多址通信则是在多点之间实现互不干扰的多方通信 多址通信也称为多址接入或多址连接 信道复用与多址通信都是为了充分利用信道资源 提高传输的有效性 它们的数学基础都是信号正交分割原理 即信道分割理论 先赋予各个信号不同的特征 然后根据每个信号特征之间的差别来区分信号 从而实现互不干扰的通信 例如在频分复用 FDM 点对点通信过程中 传输频带按频率划分成互不重叠的多路信道 每一路信道可传送不同的信号 从而实现多路信号的传送 在多点之间实现多址通信与点到点之间的信号复用通信在技术上有所不同 信号复用的目的在于区分多路 而多址通信的目的在于区分多个动态地址 例如用户号码等 复用技术通常在中频或基带上实现 而多址技术通常在射频上实现 它利用射频辐射的电磁波来寻找识别动态地址 多址通信存在多址干扰问题 多址干扰是由于多个用户要求同时通信 而系统不能完全将它们彼此隔离开而引起的干扰 复用技术是一个点对点传输问题 而多址技术则是一个点对多点的通信问题 信号正交分割的原理是使分割域内的各个信号相互正交 即若信号集合 s1 t s2 t sN t 中任意两个信号满足 i j i j 12 2 1 1 则称 s1 t s2 t sN t 为正交信号族 其中的任意两个信号si t sj t 在区间 t1 t2 内称为正交信号 复用技术和多址通信的关键是如何设计具有正交特性的信号集合 使各信号之间互不干扰 正交信号的正交划分和设计是通过信号的正交分量 i i 1 2 N 的划分来实现的 即 12 2 1 2 式中 si t 为第i个用户信号 i为第i个用户信号si t 的正交参量 正交参量应满足 接收时 采用一个正交识别器 如图12 2 1所示 就可以分离出信号 即 12 2 1 3 图12 2 1正交信号识别器原理框图 在实际应用中 要做到信号完全正交是比较困难的 通常可采用准正交信号 允许各信号之间存在一定的干扰 但要设法将干扰控制在允许的范围内 目前 常用的多址接入方式有频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 空分多址 SDMA 以及它们的混合应用方式等 这些多址方式各有其优缺点 分别适用于不同的应用场合 多址接入方式与信道分配方式 基带复用方式和调制方式共同决定了系统的通信体制 例如TDM PSK FDMA PA代表时分复用 TDM 相移键控 PSK 频分多址 FDMA 预分配 PA 方式的通信体制 12 2 1 2频分多址 FDMA 方式FDMA是一种最基本的多址接入方式 即 i Fi的情况 如图12 2 2所示 FDMA的基本原理是 对给定的频谱资源按频率划分 将传输频率划分为若干个较窄的 互不重叠的子频带 Fi 信道或频道 为每个用户分配一个特定信道 按频带区分用户 这些信道按要求分配给请求服务的用户 用户信号调制到该信道上 各用户信号同时传送 接收时按信道提取用户信号 从而实现多址通信 图12 2 2频分多址 FDMA 原理图 在实际应用中 由于滤波器并非理想带通滤波器 且各信号也并非完全正交 同时系统频率漂移会造成子频带间的重叠 因此总是存在一定的干扰 常用的解决办法是在各子频带之间留有一定的保护间隔 以减少各子频带间的串扰 FDMA系统基于频率划分信道 其多址干扰主要有 互调干扰 邻道干扰和同频道干扰 1 互调干扰所谓互调干扰 是指系统内由于非线性器件 例如放大器等 产生的各种组合频率成份落入本频道 信道 接收通带内 造成对有用信号的干扰 当互调干扰信号的强度 功率 足够大时 将会对有用信号造成损害 产生波形失真 畸变 例如在卫星通信中 当卫星转发器的行波管放大器同时放大多个不同频率的信号时 输入 输出特性的非线性和调幅 调相变化都会引起互调干扰 互调干扰是频分多址方式中的一个严重问题 目前 常用的减少互调干扰的主要方法有 1 合理规划载波中心频率 控制各载波中心频率的间隔 合理配置各载波频率的位置 在互调干扰中 影响最大的是 f1 f2 f3 形式和 2f1 f2 形式的三阶互调干扰 另外 在各载波等间隔配置时 随着载波数的增加 f1 f2 f3 形式的干扰要比 2f1 f2 形式大得多 因此 在载波很多时 应认真选择各载波中心频率的间隔 而不能简单等间隔地配置载波 2 尽可能提高系统的线性程度 减少发射机的互调和接收机的互调 例如在卫星通信中 对上行线路的载波进行功率控制 合理选择行波管放大器的工作点等 2 邻道干扰所谓邻道干扰 是指相邻频道中存在的寄生辐射落入本频道接收通带内造成对有用信号的干扰 当邻道干扰强度足够大时 将会对有用信号造成损害 减小邻道干扰的主要方法有 加大频道间的保护间隔 合理进行频率规划 严格规定收发信机的技术指标 例如发射机寄生辐射强度 接收机中频选择性要求等 3 同频道干扰所谓同频道干扰 一般是指相同频率信道之间的干扰 在蜂窝系统中 同频道干扰是指相邻区群中同频率信道之间的相互干扰 它与频率规划和蜂窝结构有关 对蜂窝通信系统 减少同频道干扰的主要方法有 合理规划频率 选择合适的蜂窝结构 采用功率控制技术等 图12 2 3FDMA模拟蜂窝系统原理框图 a 原理图 b 频谱分割 图12 2 3FDMA模拟蜂窝系统原理框图 a 原理图 b 频谱分割 FDMA系统既可传送模拟信号 也可传送数字信号 在模拟蜂窝通信系统中 采用FDMA方式是惟一的选择 例如北美800MHz的AMPS体制和欧洲的TACS体制 如图12 2 3 a 所示 通常信道带宽为传输一路模拟话音所需的带宽 例如25kHz 采用频分双工 FDD 方式来实现双工通信 即发送频率与接收频率不同 分配给用户的信道是一对频率 其中一个频率用于基站 BS 至移动台 MS 的前向信道 另一个频率则用于移动台至基站的反向信道 基站能同时发射和接收多个不同频率的信号 信道资源由移动交换中心 MSC 进行分配和管理 图12 2 3 b 给出了FDMA模拟蜂窝系统的频谱分割 其中 前向信道占用较高的频段 反向信道占用较低的频段 中间为保护频段 用户频道之间留有保护间隔Fg 在数字蜂窝系统中 很少单独采用FDMA方式 通常是与其他多址技术相结合 12 2 1 3时分多址 TDMA 方式TDMA是在给定传输频带的条件下 把传递时间划分成周期性的帧 每一帧再分割成若干时隙 Ti 每个时隙就是一个通信信道 分配给一个用户 即 i Ti的情况 用户收发各使用一个指定的时隙 在发送端 各个用户在指定的时隙发射信号 突发信号 TDMA原理如图12 2 4所示 图12 2 4TDMA原理图 在接收端 各用户分别在指定的时隙内接收和提取相应时隙的信息 即按时间区分用户 从而实现多址通信 在TDMA系统中 每帧中的时隙结构 突发结构 的设计通常要考虑 传送控制和信令信息 信道多径效应的影响 系统同步 通常采取的措施有 1 在时隙结构1中 专门留有传送控制和信令信息的比特 2 为了克服多径等因素引起的码间干扰 在时隙结构2中留有用于自适应调整均衡器参数的训练序列 其基本原理是 接收端均衡器根据确知的训练序列来估计信道的冲激响应 根据该冲激响应来调整均衡器的抽头系数 以适应信道的变化 从而消除或减少码间干扰 3 在时隙结构中都留有一定的保护时间间隔 称为保护时间 以减小码间串扰的影响 保证相邻突发脉冲之间互不重叠 4 同步和定时是TDMA系统正常工作的前提 因为通信双方只能在规定的时隙中发送和接收信号 因此整个系统必须有精确的同步 通常要由基准站统一系统中各站的时钟 以确保严格的帧同步 时隙同步和位同步 如果接收端采用相干解调 则接收机还必须获取载波同步 TDMA系统只能传送数字信号 例如在GSM数字蜂窝系统中 应用FDMA和TDMA混合技术 其中 FDMA在GSM900MHz频段的上行 移动台到基站 890 915MHz或下行 基站到移动台 935 960MHz频带内分配了124个载波频率 简称载频 各个载频之间的间隔为200kHz 上行载频与下行载频是成对的 双工通信 双工收发载波对的频率间隔 双工保护频带 为45MHz TDMA工作在GSM900MHz的每个载频上 把时间分成由八个时隙 信道 组成的TDMA帧 帧长为4 6ms F1 f1 45MHz 如图12 2 5所示 图12 2 5TDMA系统 GSM 原理框图 a 原理图 b 频率规划 图12 2 5TDMA系统 GSM 原理框图 a 原理图 b 频率规划 12 2 1 4码分多址 CDMA 方式在CDMA系统中 各用户使用相同的载波频率 占用相同的频带 信号发射时间是任意的 是 i Ci的情况 即在频率 时间和空间上可相互重叠 用户的划分是利用不同地址码序列来实现的 CDMA与FDMA TDMA划分形式不同 FDMA TDMA均属于一维频率或时间多址划分 而CDMA属于时频 二维域上的划分 所有用户均占用同一频段 F和同一时隙 T 划分不同地址的正交参量是相互正交的地址码序列 CDMA有两种主要形式 直接序列扩频码分多址 DS CDMA 和跳频码分多址 FH CDMA 如图12 2 6所示 前者多用于民用 后者多用于军事 图12 2 6CDMA原理图 a DS CDMA b FH CDMA 与FDMA TDMA相比 CDMA具有容量大 低功率 软切换 抗干扰能力强等一系列优点 但是 在CDMA系统中 由于所有用户都使用相同的频段和相同的时隙 用户仅靠地址码序列的不同 互相关特性 加以区分 由于信道噪声干扰的影响 可能会使用户地址码序列之间的互相关不为零 则用户间就存在着干扰 称为多址干扰 多址干扰是CDMA通信中最主要的干扰 干扰的大小将直接影响CDMA系统容量 因此 如何有效地克服和抑制多址干扰是CDMA系统中最主要 最关键的问题 解决的方法有 扩频码设计 多用户检测 功率控制等 12 2 1 5空分多址 SDMA 方式SDMA就是利用不同的用户空间特征 即通过空间的分割 来区分不同的用户 从而实现多址通信的方式 目前利用最多也是最明显的用户空间特征是用户的方位 例如 1 配合电磁波传播特性可以使不同地域的用户在同一时间使用相同频率来实现互不干扰的通信 典型的应用是利用定向天线或窄波束天线 使电磁波按确定的指向辐射或局限在波束范围内 不同的指向或波束范围内可以使用相同的频率 2 控制发射信号的功率 使电磁波仅作用在有限的距离范围内 而在电磁波作用范围以外的区域仍可使用相同的频率 3 采用自适应阵列天线 即智能天线 在不同方向上产生不同的波束 这样在每个波束覆盖范围内可采用FDMA TDMA CDMA等多址接入方式 在蜂窝移动通信中 充分利用了SDMA方式的特性 将服务区域划分为若干蜂窝小区 或微小区 或微微小区 实现频谱复用 从而使有限的频谱能构成大容量的通信系统 这是蜂窝通信的关键技术之一 12 2 2扩频通信 12 2 2 1扩频通信概述1 扩频通信的基本原理扩频通信也就是扩展频谱通信 扩频通信是指系统占用的频谱带宽 W 远远大于要传输的原始用户基带信号频谱带宽 B 的通信方式 即把要发送的信号扩展到一个很宽的频带上 然后再发送出去 系统的射频带宽比原始基带信号的带宽要宽得多 如图12 2 11所示 在发送端 信源输出的基带信号先经过信息调制形成窄带数字信号 然后经扩频调制 用扩频码去调制数字信号 来扩展信号的频谱 扩频信号再送至信道 在接收端 采用与发送端完全相同的扩频码进行相关解调 扩频解调 来恢复窄带数字信号 再经信息解调恢复出原始基带信号 图12 2 11扩频通信的原理框图 与一般通信相比 扩频通信就是多了扩频调制 发送端 和扩频解调 接收端 通常认为 通信系统带宽W与基带信号带宽B的比值W B为1 2时 称窄带通信系统 W B为50以上时 称为宽带通信系统 而W B为100以上时 称为扩频通信系统 扩频通信是一种宽带通信系统 其主要特征是 扩频前的信息码元带宽远小于扩频后的扩频码序列的带宽 扩频通信的理论基础是香农信道容量公式 在高斯白噪声干扰条件下 通信系统的极限传输速率 或信道容量 为C Wlb 1 S N b s 其中 C为信道容量 W为信道带宽 S N为信噪比 S为信号平均功率 N为噪声平均功率 该公式表明 在信道容量C的要求一定时 信道带宽W与信噪比S N之间具有互换关系 也就是说 可以用扩展信号的频谱为代价 换取用较小的信号功率 较低的信噪比S N 来传送信号 同样可获得较低的系统误码率 这表明扩频通信具有较好的抗干扰能力 图12 2 12给出了扩频通信系统抗干扰的基本原理 1 假设数字基带信号a t 的传输速率为Rb b s 其功率谱密度如图12 2 12 a 所示 经过信息调制后输出的窄带数字信号为b t 2 假设扩频码的功率谱密度如图12 2 12 b 所示 经过扩频调后输出的扩频信号为s t 其传输速率变为Rc b s 频谱被扩展 Rc Rb s t 的功率谱密度如图12 2 12 c 所示 图12 2 12扩频通信系统的抗干扰性能分析 a 信息调制输出信号b t 功率谱密度 b 扩频码c t 功率谱密度 c 扩频信号s t 功率谱密度 d 接收信号s t 功率谱密度 e 解扩后的信号b t 功率谱密度 f 窄带滤波后输出信号的功率谱密度 图12 2 12扩频通信系统的抗干扰性能分析 a 信息调制输出信号b t 功率谱密度 b 扩频码c t 功率谱密度 c 扩频信号s t 功率谱密度 d 接收信号s t 功率谱密度 e 解扩后的信号b t 功率谱密度 f 窄带滤波后输出信号的功率谱密度 3 由于信道噪声干扰的影响 因此接收信号s t 中加入了干扰信号 接收信号的功率谱密度如图12 2 12 d 所示 4 接收信号s t 经扩频解调后 有用信号被还原成窄带数字信号b t 而干扰信号变成了宽带信号 其功率谱密度如图12 2 12 e 所示 5 窄带数字信号b t 再经过信息解调 其中窄带滤波滤掉有用信号带外的干扰信号 图12 12 f 给出了窄带滤波后输出信号的功率谱密度 显然 大大降低了干扰信号的强度 从而改善了信噪比S N 6 有用信号经过解调和抽样判决后还原为原始数字基带信号 图中fs为信息调制载波频率 fc为发射信号的载波频率 3 由于信道噪声干扰的影响 因此接收信号s t 中加入了干扰信号 接收信号的功率谱密度如图12 2 12 d 所示 4 接收信号s t 经扩频解调后 有用信号被还原成窄带数字信号b t 而干扰信号变成了宽带信号 其功率谱密度如图12 2 12 e 所示 2 扩频通信的主要特点扩频通信的主要特点有 1 抗干扰能力强 抗白噪声 抗单频窄带干扰 抗人为干扰 抗跟踪干扰 抗多径干扰等的能力都很强 2 保密性能好 由于扩频后信号频谱类似白噪声 且信号功率谱密度很低 因此有利于防止窃听 具有良好的保密性能 3 易于实现大容量多址通信 在一个频带很宽的干扰受限系统中 可以容纳更多的用户通信 4 易于实现精确定时与测距 广泛地应用于雷达 导航 测控和通信等系统 3 扩频方式根据扩展频谱方式的不同 扩频通信的工作方式有 直接序列 DS 扩频 跳变频率 FH 扩频 跳变时间 TH 扩频和混合式扩频等 4 扩频通信系统的性能指标表征扩频系统抗干扰性能的主要指标是处理增益和干扰容限 1 处理增益扩频通信系统的处理增益定义为接收端扩频解调输出信号噪声功率比 So No 与输入信号噪声功率比 Si Ni 的比值 即 12 2 2 1 一般用分贝表示 即 式中 Gp表示扩频前后信噪比的改善程度 它体现了扩频通信系统抑制干扰信号 增强有用信号的能力 显然 Gp越大 扩频通信系统的抗干扰能力就越强 在一定条件下 式 12 2 2 1 给出的Gp可以表示为扩频信号带宽 W 与数字基带信号带宽 B 的比值 假设信号经过扩频解调后没有损耗 So Si 扩频解调前后噪声的功率谱密度均保持相同的均匀分布 近似 则 12 2 2 2 式中 n0为噪声单边功率谱密度 W为扩频信号带宽 B为数字基带信号带宽 例如 某扩频通信系统的数字基带信号带宽为B 10kHz 系统带宽为W 20MHz 则 这表明该扩频通信系统接收端扩频解调输出信噪比与输入信噪比之间有33dB的改善 2 干扰容限干扰容限定义为在保证扩频通信系统正常工作 保证输出信噪比So No不低于某一给定值 的条件下 接收机输入端能够允许的干扰信号功率高于有用信号功率的分贝数 即 12 2 2 3 式中 Mj为干扰容限 Gp为处理增益 Ls为系统损耗 So No为接收机输出信噪比 干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机所能承受的极限干扰强度 它准确地表征了系统的抗干扰能力 反映了扩频通信系统在干扰环境中正常工作的极限能力 例如 若假定某扩频通信系统的处理增益为Gp 33dB 系统损耗为Ls 3dB 为确保系统误码率小于所给定的要求值时 接收机输出信噪比必须保证So No 10dB 则该系统的干扰容限Mj 33 3 10 20dB 100倍 即只要加到接收机输入端的干扰信号功率不超过有用信号功率20dB 该系统就能正常工作 12 2 2 2直接序列扩频码分多址 DS CDMA 1 直接序列扩频 DS 直接序列扩频 DS 又简称为直扩 在DS系统中 发送端用一高速伪随机序列与信息数据相乘 模2加 由于伪随机序列的带宽远远大于要发送信息数据的带宽 从而扩展了信号频谱 在接收端用相同的伪随机码进行解扩 把展宽的信号频谱还原成原始信息数据 在图12 2 10中 信息调制常用相移键控方式 如2PSK 4PSK等 扩频码为伪随机序列 由伪随机码发生器产生 2 DS CDMA直接序列扩频 DS 与码分多址 CDMA 相结合构成了直接序列扩频码分多址通信系统 该系统主要有两种方式 1 在发送端 用户信息数据首先与对应的用户地址码调制 模2加 然后再与高速伪随机序列 PN码 进行扩频调制 模2加 在接收端 进行与发送端对应的反变换 进行相关检测 可得到原始用户信息数据 如图12 2 13 a 所示 2 在发送端 用户信息数据直接与相对应的高速伪随机序列 PN码 进行扩频调制 模2加 如图12 2 13 b 所示 图中的地址码调制与扩频调制合二为一 在接收端 只需要进行与发送端完全相同的伪随机码解扩 经过相关检测就能得到原始用户信息数据 图12 2 13DS CDMA原理框图 a DS CDMA方式一 b DS CDMA方式二 3 扩频通信的伪随机码从图12 2 13可以看出 需要用伪随机码 PN码 去调制数字信号才能达到扩展频谱的目的 伪随机码是一种类似随机噪声特性的二进制确定序列 便于产生 加工 复制和控制 正确地选用伪随机码的码型 对扩频通信系统的性能非常重要 扩频通信中使用的伪随机码有如下要求 1 具有良好的相关特性 要求具有尖锐的自相关函数曲线 而互相关函数接近于零 2 具有足够长的码周期 以满足防窃听 抗侦破 通信保密和抗干扰的要求 3 具有足够多的独立码序列数目 以满足大容量码分多址通信的需求 4 易于产生 加工 复制和控制 常用的伪随机码有 m序列 Gold序列和M序列等 1 m序列作为扩频通信用的伪随机码 m序列的主要优点是易于产生 并具有良好的自相关特性 缺点是序列自相关函数差别较大 不能保持很小的常数 独立序列数目不够多 不便于在CDMA系统中应用 所谓独立序列 是指在两个周期序列中 其中一个序列不是另一个序列移位若干位后得到的 132 m序列的基本性质 PN码 伪随机序列 其周期 P 2r 1 r为移位寄存器级数在m序列中 1 的个数比 0 的个数多1m序列和其移位后的序列逐位模二加 所得序列还是m序列 只是初相不同两个不同相位的m序列 当周期P很大时 这两个序列几乎是正交的在m序列中定义连续相同的一组符号为一个游程 把该相同符号的个数称为游程长度 则对任一m序列有 1 的长度为n的游程只有1个 0 的长度为n的游程为0个 1 的长度为 n 1 的游程为0个 0 的长度为 n 1 的游程为1个 1 的长度为 n 2 0 的长度为 n 2 的游程各为1个 1 的长度为 n 3 0 的长度为 n 3 的游程各为