《计算机数据通信》课件第7章

第7章信道复用与同步技术7.1频分复用

7.2时分复用

7.3码分复用7.4波分复用

7.5同步控制技术在通信系统中,传输信道的建设是构成系统的关键。一般来讲,传输信道距离远、投资大、建设周期长,因此如何更好、更高效地利用传输信道就成为研究通信技术的重要任务之一。信道复用技术就是一种有效提高信道利用率的重要技术,所谓信道复用技术是指在某一时间段同一信道上传输两个或两个以上信号的技术,即在通信系统中,允许两个或两个以上信号共享一个传输信道。在数据通信系统中,通常信道所提供的带宽往往要比所传送的某一信号的频带宽度宽得多,此时如果一条信道只传送一路信号就显得过于浪费了。为了充分利用信道的容量,提高信道传输效率,广大工程技术人员开发了多路复用技术。

多路复用是一种将若干路彼此无关的信号合并成一路复合信号,在一条公用信道上传输,到达接收端后再进行分离的技术。多路复用系统包含发送端信号复合、传输信道和接收端信号分离等部分。多路复用的原理如图7.1所示。在发送端,待发送的各终端信号必须经过多路复用器进行复合,并送往传输信道,在接收端再经过多路分解器分离成各分路信号输出。

图7.1多路复用原理框图

信道复用的理论依据是信号分割原理。实现信号分割基于信号之间的差别,这种差别体现在信号的频率参量、时间参量以及码型结构等方面。多路复用通常分为频分复用(FDM,FrequencyDivisionMultiplexing)、时分复用(TDM,TimeDivisionMultiplexing)、波分复用(WDM,WaveDivisionMultiplexing)和码分复用(CDM,CodeDivisionMultiplexing)等,如图7.2所示。

图7.2多路复用技术分类

在数字通信系统中,传输的信号是由一些等长度的码元构成的数字序列,这些码元在时间上按一定的顺序排列,并分别代表不同的信息。为了使数字信号在传输过程中保持完整,就必须保持这些码元在时间上所占位置(即“时隙”)的准确性。这就要求发送端和接收端都要有稳定而准确的定时脉冲,以保证系统内各种电路始终按规定的节拍工作。收发端设备各单元电路的动作都由这些定时脉冲分别控制,这样才能保证严格准确的时间关系,这就是定时的概念。

为了保证整个传输过程准确可靠,发送端和接收端分别有各自的定时脉冲是不够的,还必须使收发两端的定时脉冲在时间上保持一致,这一过程称为“同步”。同步的作用就是要使接收端的时隙对准发送端的时隙,这样接收端才能将“0”、“1”构成的比特流还原成正确的数据。同步是数字通信系统可靠工作的前提,是通信系统中一个非常重要的问题。要使系统收发端能步调一致地协调工作,必须要有同步系统来保证。同步系统工作的情况如何,直接决定了系统的通信质量。

数字通信系统的同步按照作用的不同可分为载波同步、位同步(码元同步)和帧同步(群同步)。随着数据通信技术的发展,特别是通信系统与计算机网络结合的日益紧密,要求多点之间相互通信,实现数据交换,构成数字通信网。要保证全网通信,就必须使整个通信网络同步,简称网同步。这四种同步方式是数据通信系统必需的同步方式。

7.1

频分复用

1.频分复用的概念

频分复用(FDM,FrequencyDivisionMnltiplexing)是按照载波信号频率参量的差别来分割信号的。只要在传输信道上各路信号的频谱互不重叠,接收端就可以利用滤波器把它们分割开来,频分复用原理如图7.3所示。

图7.3频分复用原理(a)FDM传输示意图;(b)FDM频率分布图

把信道的可用频带分割成若干个较窄的子频带,每个子频带都可以作为一个独立的传输信道来传输一路信号。为了防止各路信号之间相互干扰,相邻两子频带之间需要保留有一定的保护频带。图中的输入信号为模拟信号或数字信号。频分复用一般应用于模拟通信系统,复合信号一般是模拟信号,因此,当输入信号为数字信号时,应采用数/模转换将数字信号转换为模拟信号,或者采用数字键控技术形成键控信号。目前,广播、电视系统信号传输采用的就是FDM。频分复用的一个典型应用就是话音信号频分多路载波通信系统,频分多路复用过程如图7.4所示。

图7.4频分多路复用过程

发送端:话路1的信号(一般话路频带为300～3400Hz)加到话路调制器M1对载频f1进行调制。在调制器M1的输出端将得到上、下两个边带,再用边带滤波器取出一个边带(如下边带),即可得到单边带信号。同理,也可得到其他各个话路的单边带信号。然后,将各个话路调制后的信号合并起来,就形成了发送端的多路电话复合信号。其实这是将各个话路信号频谱先搬移到指定的载频位置,然后再将其合成。由于各个载频的选择已经考虑到了保护频带,因此不会发生频谱重叠。复合信号的总带宽可表示为(7.1)显然,只要信道带宽满足上式,多路复合信号就可以在适当的媒体中正常传输。载频f1,f2,…,fn间距为4kHz,因此能够保证各个话路信号之间互不干扰。接收端:各个话路信号由带通滤波器(带宽为bi)从多路复合信号中提取出来,经过各路解调器Di与发送端相同的各自载频f1,f2,…,fn差频,利用低通滤波器恢复出原来的各路话音信号，然后传送至相应的用户端。实现上述频分复用时,应妥善处理好两个问题:

(1)防止串音干扰。如果相邻话路信号的频谱重叠,就可能发生串音。

(2)防止交调噪声。在通信系统中,信道中的放大器等部件的非线性会产生附加频率成分,形成交调噪声干扰其他信道。这一点在信道设计时应予以充分考虑。

2.频分复用的特点

FDM的主要优点:实现容易,技术成熟,信道频带利用率高,系统效率较高。

FDM的主要缺点:由于保护频带的存在,大大地降低了传输效率;信道的非线性失真易造成串音和交调噪声;设备不易小型化;不能实现差错控制,不便于性能监测。因此,频分复用常用于模拟通信系统中,并正在被时分复用所替代。

7.2时分复用

1.时分复用的概念时分复用(TDM,TimeDivisionMultiplexing)是按照时间参量来分割信道资源的。将信道资源分成若干时间段(称为时隙),分配给不同用户,各个用户可在各自的时隙内传输信号,实现多用户共享同一信道的技术就称之为时分复用技术。

只要发送端和接收端的时分复用器能够按时隙同步切换所连接的设备,就能保证各路设备共用一条信道进行相互通信,而且彼此互不干扰。图7.5给出了时分复用的原理图。假设三组用户共用一条传输信道,在某一时段甲要与A通信,乙要与B通信,丙要与C通信,K1,K2分别为发送端和接收端的转换开关。我们将时间分为三个时隙,分别为t1,t2,t3,分配给甲、乙、丙三个用户。这样,在t1时刻K1接通甲,K2接通A,实现甲、A通信;在t2时刻K1接通乙,K2接通B,实现乙、B通信;在t3时刻K1接通丙,K2接通C,实现丙、C通信;然后K1,K2再转回甲和A,继续下一次传输。只要保证K1,K2开关同步,并高速切换,即时间间隔足够短,就可实现各个用户共用一条信道的目的,这就是时分复用TDM的基本原理。图7.5时分复用原理图

2.时分复用的特点

(1)通信双方是按照预先指定的时隙进行通信的,而且这种时间关系是固定不变的。

(2)某一瞬间,公用信道上仅传输某一对设备的信号,而不是多路复合信号。但就一段时间而言,公用信道上传送着按时间分隔的多路复合信号。因此,只要时分复用器的扫描操作适当,以及采取必要的缓冲措施并合理地分配时隙,就能够保证多路信号共同使用同一信道。与FDM相比,TDM更适合于传输数字信号。在使用TDM方式传输数字信号时,通信时间被划分成一定长度的帧,每一帧又被分成若干个更小的时隙,这些时隙被分配给各路数字信号。

3.数字复接方式

根据每一时隙中传输的内容,TDM有两种复接方式:比特交错和字符交错。比特交错是指每个通信终端在每一时隙内只传送1比特,各个终端之间以比特交替方式完成数据复接,其帧格式如图7.6(a)所示。比特交错方式通常用于同步终端系统。字符交错是指每个通信终端在每一时隙内只传送1个字符,各个终端之间以字符交替方式完成数据复接,其帧格式如图7.6(b)所示。字符交错方式常用于异步终端系统。

图7.6比特交错、字符交错帧结构

当以比特为基础进行交错时,复用器要求每路每次输入1比特,然后将各路输入的比特组合成帧进行传输。当按字符交错时,复用器要求每次输入1个字符,然后以1个字符或多个字符组成帧进行传输。比特交错要求存储容量小,简单易行,信号延迟小。而字符交错能保证字符的完整性,有利于以字节为单位进行信号存储和处理,便于与计算机接口,具有较强的抗干扰能力,由于减少了同步位和校验位,因此传输效率高。但字符交错要求存储容量大,实现电路相对复杂。

4.统计时分复用

在很多情况下,传统时分复用(同步时分复用)常用于在一个共享计算机端口上连接的多个终端,即使在使用过程中所有终端都处于活跃状态,但对于其中的某一个终端来说,它的大部分时间也会无数据可传。例如,数据输入终端是用于向计算机输入数据的设备,一般这种终端的数据传输速率为9600b/s。由于人工键入速度慢,终端的实际传输速率大致是10～100b/s,显然,使用时分复用器为这样一组设备提供服务,其效率是相当低的。

传统的时分复用系统,以固定分配时隙的方式对来自各个设备的数据流进行组合,然后在一条公用信道上传输。这种时分复用技术既便宜又可靠,并能降低通信费用。但不论这些设备是否处于工作状态,系统都为所有连接的设备分配了固定的时隙。也就是说,如某设备未运行,则所分配的时隙被闲置,也不能为其他设备所用,造成资源浪费。为了提高时隙的利用率,可以采用按需分配时隙的方法,即动态分配所需时隙,系统只对需要传输数据的设备分配时隙,空闲设置不分配时隙,以避免每帧中出现闲置时隙的现象。此时复用器传输的数据只来自于正在工作的设备。

我们把按需分配时隙的传输方式称为统计时分复用。统计时分复用器是将一条共享传输线路上的时隙按需分配给设备的一种复用方法。与传统时分复用相比,统计时分复用更加有效,通常将这种方式也称为异步时分复用或动态时分复用。统计多路复用器将时隙进行动态按需分配,与传统时分复用类似,在统计多路复用器的一端有很多I/O端口,在其另一端是一条高速的多路复用线路,每一个I/O端口都有与之相连的缓存器。这种多路复用器在输入端的功能就是扫描输入缓存器,搜集数据直至将一帧填满,然后将这一帧发送出去;在接收端,多路复用器接收数据帧,并将载有数据的时隙传送到其相应的输出缓存器中。

由于统计时分复用考虑到了与之相连的设备并非总是在传输数据这一特点,因此多路复用线路的总数据传输率可以小于所连接设备数据传输速率的总和。这样,若统计多路复用器与传统多路复用器在同样的数据传输速率下运行,统计多路复用器可支持更多的设备。下面我们看一个具体的例子。设有四个数据源,并在四个不同时刻(t0～t4)可能出现数据(这当然是经过了前面时序电路处理的),我们用图7.7表示传统TDM和STDM的时隙分配原理。

在使用传统TDM时,在第一帧里,只有数据源A、B需要传输数据占用时隙,而数据源C、D不需要传输数据,就使分配给C、D的相应时隙闲置浪费。可见,在使用传统TDM时,复用器的有效输出为任何一路输入速率的四倍,每个数据源都在TDM帧中占用固定的时隙。而STDM是按需分配时隙的,第一帧含A1、B1两个时隙,第二帧含A2、B2、C2三个时隙,第三帧含C3一个时隙,依此类推。由此可见,STDM帧的长度不是固定的。因为事先并不知道哪个数据源产生的数据会占用哪个位置的时隙,数据的位置也会随时变化，所以,为了使接收端的复用器能正确分离各路数据,就必须在每一时隙中带有地址信息,这样就增加了数据量。

图7.7传统TDM与STDM的时隙分配原理

统计时分复用所使用的帧结构对系统性能有一定的影响,一般应尽量减少用于管理的附加信息。通常STDM系统使用类似高级数据链路控制(HDLC,HighlevelDataLinkControl)规程的通信协议。一种是每帧一源的格式,每帧中只包含一个数据源的数据以及标识数据源的地址,数据字段的长度是可变的,帧末标志与总帧末尾标志相同。这种格式由于每一数据都要附加一地址信息,因此传输效率很低。另一种是每帧多源的格式,允许在一帧中包含多个数据源的数据,此时除了需要指明数据源的地址外,还要给出数据字长。由于利用了多源地址和字长,从而减少了附加信息,提高了传输效率。

常用的STDM缓冲控制技术有三种:

(1)同信道信号传输时,借助传输XON(发送器接通)和XOFF(发送器断开)字符来控制允许和禁止传送数据,以调整数据流。

(2)异信道信号传输时,利用另一信道上传送控制信号(如RS-232、ITU-TV.24接口上的CTS信号等)来调节数据流。

(3)降低时钟,减缓数据吞吐量。

前两种技术可用于控制异步终端的数据流,而后一种技术适用于同步终端。一般来说,对于异步数据控制,典型STDM的效率是传统TDM的2～4倍；而对于同步传输,其效率通常是传统TDM的1.5～2倍。当统计时分复用引入了数据压缩技术后,对某些数据特征的测定就可以实现智能化,因而将其称为智能时分复用(ITDM)。由信息论可知,各个字符出现的概率是不同的,这样就可在信源编码时对经常出现的字符分配短码,不常出现的字符则分配长码,利用这一特性可减少字符的平均比特数。因此,智能时分复用与其他TDM相比的主要优点是充分提高了信道利用率。经过数据压缩,对于异步数据传输,ITDM的效率通常是传统TDM的4倍;而对于同步数据传输,通常是常规TDM的2倍。7.3码分复用

1.CDMA系统简介第一代移动通信系统出现于20世纪70年代中期,采用模拟调制和频分复用方式,网络采用模拟信令,提供的全是话音业务。第二代移动通信系统产生于20世纪80年代中期,使用数字调制技术、时分复用或码分复用方式,网络采用数字信令,除提供语音业务外,还含有少量数据服务。随着社会经济及技术的发展,全球性的联络更加密切,人们要求提供综合信息业务服务(如话音、图像、数据等),要求传送具有多媒体特征的移动通信业务。为满足这种需求,第三代移动通信网络应运而生,其网络采用数字信令,并结合卫星通信系统,以不同的小区结构,形成覆盖全球的移动通信网络,提供全球话音及不同速率的数据业务。

2.工作原理

CDMA是一种以扩频通信为基础的调制和复用连接技术。扩频通信技术是指在信号发送端用一高速伪随机码与数字信号相乘,由于伪随机码的速率比数字信号的速率高得多,因而扩展了信息传输带宽。在接收端,用相同的伪随机序列与接收信号相乘,进行相关运算,将扩频信号解码。CDMA扩频通信系统的原理如图7.8所示。

图7.8CDMA扩频通信系统的原理

在CDMA中,每一个比特时间被划分为m个间隔(扩频技术),称为码片(chip)。通常m的值是64或128。使用CDMA的每一个站被分派一个惟一的mbit码片序列(chipsequence)。一个站如果要发送比特1,则发送它自己的mbit码片序列。如果要发送比特0,则发送该码片序列的二进制反码。在实际应用系统中,码片序列使用的是伪随机序列。扩频通信中用的伪随机码常常采用m序列,这是因为它具有产生容易以及自相关特性优良的特点。只有在收发端伪随机序列相位相同时才能恢复发送信号。码分复用技术就是利用了这一特点,采用不同相位的相同m序列作为复用通信的地址码。由于m序列的自相关特性与长度有关,因此作为地址码,其长度应尽可能长,以供更多用户使用。同时,可以获得更高的处理增益和保密性,但如果地址码太长,不仅使电路复杂,也不利于快速捕获与跟踪。为了简单起见,假设m＝8。例如,分配给A站的8bit码片序列是01010011。由于采用双极性信号,我们以后将两码片中的0写成-1,将1写为+1。因此A站的码片序列是(-1+1-1+1-1-1+1+1)。当A站发送比特1时,它就发送序列(-1+1-1+1-1-1+1+1),而当A站发送比特为0时,就发送(+1-1+1-1+1+1-1-1)。若假定A站发送的数据信号速率为nb/s。由于每一个比特要变成m个比特的码片,因此A站实际上发送的数据速率提高到(m·nb/s),同时A站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这是一种属于直接序列的扩频通信方式。在实现通信时,应明确以下几点。

1)地址码的选择在CDMA蜂窝系统中,综合采用了三种码。

(1)长度为215的PN码。它通过在长度为215-1的m序列14个连“0”输出后再加入一个“0”获得。它用于区分不同的基站信号,不与基站保持同步,但使用的PN码序列相位偏移不同。规定每个站的PN码相位偏移只能是64的整数倍,因而有512个值可被不同基站使用。使用相同序列、不同相位作为地址码,以便于搜索与同步。

(2)长度为242-1的PN序列。它在前向信道用于信号的保密,在反向信道用于区分不同的移动台。这么长的码有利于信号的保密,同时基站知道特定移动台的长码及其相位,因而不需要对它进行搜索与捕获。

(3)采用Walsh序列。CDMA蜂窝系统将前向物理信道划分为多个逻辑信道,即1个导频信道(导频信道上不停地发射导频信号,用于基站覆盖区中的移动台的同步与切换)、1个同步信道(必要时可以改作业务信道,因为移动台在获得同步后不需再监听同步信道)、7个寻呼信道(必要时可以改作业务信道)和55个前向业务信道(最多63个),划分的方法是采用完全正交码Walsh序列对信号进行调制。

2)扩频码速率的选择

CDMA蜂窝系统扩频码(在前向链路是Walsh序列,在反向链路是PN长码)的速率规定为1.2288MHz。这个规定考虑了频谱资源的限制、系统容量、多径分离的需要和基带数据速率等多个因素。美国通信委员会规定划分给蜂窝通信的频谱带宽为单向25MHz,并分配给两家公司,每家分得单向频谱带宽总计为12.5MHz,其中最窄的一段带宽为1.5MHz。为获得最大适应性,信号带宽应小于1.5MHz。选择1.2288MHz的码速率,滤波后可获得1.25MHz的带宽。在1.25MHz宽频带内可以划分出10条信道。

决定CDMA数字蜂窝系统容量的主要因素有:系统的处理增益、信号比特能量与噪声功率谱密度比、话音占空比、频率重用效率、每小区的扇区数。为了使系统处理增益高,获得大系统容量,扩频码速率应当尽可能高。通常,陆地移动通信环境的多径延迟为1～100μs。为了充分发挥扩频码分复用技术,实现多径分离的作用,要求扩频码序列的持续时间小于1μs,也就是扩频码速率应大于1MHz。选择1.2288MHz的另一个原因是,这个速率可以被基带数据速率9.6kb/s整除,且除数为2的幂指数(1.2288M÷9.6k=128=27)。

3.传输方式

在FDM中,不同地址的用户占用信道不同的频带进行通信。在TDM中,不同地址的用户占用信道的不同时隙进行通信。而在CDMA中,所有用户使用相同的频率和相同的时间在同一地区通信,不同用户依靠不同的地址码区分。这样,和其他几种复用方式相比较,CDMA就显得线路分配灵活,往返呼叫时间不会太长。

CDMA利用自相关性非常强而互相关性比较低的周期性码序列作为地址码,对被用户信息调制过的已调波进行再次调制,使信号频谱更宽,这就是扩频调制。在接收端以本地产生的已知的地址码为参考,根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别,从中将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带而选出,其他与本地地址码无关的信号则滤掉,这一过程称为相关检测或扩频解调,这就是码分复用的基本原理。

要实现码分复用,必须具备下列三个条件。

(1)有足够多的强相关性的地址码,使系统中每个站都能分配到所需的地址码。

(2)必须用地址码对待发信号进行扩频调制,使传输信号所占频带得到极大的扩展(一般应达到几百倍以上)。应把地址码与信号传输带宽的扩展联系起来,以为接收端区分信号做好准备。

(3)在CDMA通信系统中,各接收端必须有本地地址码。该地址码应与发送端发来的地址码完全一致,用来对收到的全部信号进行相关检测,将地址码之间不同的相关性转化为频谱宽窄的差异,然后用窄带滤波器从中选出所需的信号,这是完成CDMA最主要的环节。

4.CDMA系统的主要优点

1)容量大

CDMA原用于军事抗干扰系统,再加上CDMA信号占用整个频段,根据上述理论计算以及现场试验表明,相同的带宽,CDMA系统容量是GSM系统的4～5倍,CDMA系统的信道容量是模拟系统的10～20倍,是TDMA系统的4倍。CDMA系统的高容量很大一部分因素是由于它的频率复用系数远远超过其他制式的蜂窝系统,另外一个主要因素是它使用了话音激活及扇区化等技术。

2)软容量在FDMA、TDMA系统中,当小区服务的用户数达到最大信道数时,满载的系统绝对无法再增添一个信号,此时若有新的呼叫,该用户只能听到忙音。而在CDMA系统中,用户数目和服务质量之间可以相互折中,灵活确定。例如系统经营者可在话务量高峰期将误帧率稍微提高,用适当降低话音质量来增加可用信道数。同时,当相邻小区的负荷较轻时,本小区受到的干扰减少,容量就可适当增加。体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能。

所谓小区呼吸功能就是指各个小区的覆盖大小是动态的,当相邻两个小区负荷一轻一重时,负荷重的小区通过减小导频发射功率,使本小区的边缘用户由于导频强度不够而自动切换到相邻小区,使负荷相互分担,即相当于增加了容量。这项功能对基站间切换也特别有用,避免了因信道紧缺而导致呼叫中断。在模拟系统和数字TDMA系统中,如果一条信道不可用,呼叫必须重新分配到另一条信道,或者在切换时中断。但是在CDMA系统中,在一个呼叫结束前,可以接纳另一个呼叫。CDMA系统还可提供多级服务,如果用户支付较高费用,则可获得更高档次的服务,即让高档次的用户得到更多可用功率(容量),实现切换优先排队。

3)软切换所谓软切换是指当移动台需要切换时,先与新的基站连通,再与原基站切断联系,而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。软切换只能在同一频率的信道间进行,因此模拟系统、TDMA系统不具备这种功能。采用软切换技术,即在确认手机已移动到另一基站单独覆盖地区时,才与原先的基站断开,这样就保障了手机不会掉线,可以有效地提高切换的可靠性,确保了通信的连续性。通过采用宽带载频传输及功率控制技术,CDMA克服了信号路径衰落,避免了信号时有时无现象。使用了强纠错信道编码,使得用户在时速高达430千米的磁悬浮列车上一样能够保持稳定通话。

4)低发射功率和高话音质量由3.3节介绍的香农公式可知,在信道容量一定的情况下,信道带宽和信噪比可以互换,若加大信道带宽,则可适当减小信号功率。CDMA所采用的扩频通信原理正是基于这一点,通过扩展带宽来降低信号功率。另外,由于CDMA系统中采用有效的功率控制技术,强纠错能力的信道编码,以及多种形式的分集技术,可使基站和移动台以非常小的功率发射信号。通过采用码分多址及功率控制技术,CDMA手机的接收灵敏度更高,发射功率更小——CDMA网络发射功率只有200mW,普通通话功率可控制在零点几毫瓦,其辐射可以忽略不计,真正做到了通话健康两不误！基站和手机发射功率的降低,也大大延长了手机的通话时间,意味着电池的寿命延长了。

5)话音激活典型的全双工双向通话中,每次通话的占空比小于35%。在FDMA和TDMA系统里,由于通话停顿等使重新分配信道存在一定时延,因此难以利用话音激活因素。CDMA系统使用了可变速率声码器,可使在不讲话时传输速率降低,从而减轻了对其他用户的干扰,这就是CDMA系统的话音激活技术。CDMA采用先进的话音激活语音编码,根据背景噪声的改变调整数据传输速率和发射电平,从而大大抑制了背景噪声,在嘈杂的环境中也能轻松通话。加上系统优越的通信质量,使得语音更加清晰。

6)保密性好

CDMA系统的信号扰码方式提供了高度的保密性,使这种数字蜂窝系统在防止串音、盗用等方面具有其他系统不可比拟的优点。CDMA的数字话音信道还可以直接引入数据加密标准或其他标准的加密技术。由于采用了扩频调制,因此在信道中传输所需的载波与噪声的功率比很低(约为-20dB),信号完全隐蔽在噪声、干扰之中,不易被发现。CDMA源于军事通信领域,其使用的扩频技术使得信号很难被侦测到,而且在用户通话时,CDMA网络系统会随机为用户的每一次通话单独提供一个通话编码,这种通话的码址共有4.4万亿种可能的排列,因此,要破解密码、窃听通话内容就变得很困难了。

7)上网速度快中国联通采用先进的CDMA1X无线通信网络,其无线数据传输速率高达153.6kb/s,是普通拨号上网速率的3倍,是GPRS无线数据传输速率的4～5倍。码分复用技术利用随机接入技术,简化了信道,允许用户在任意时刻随机接入任何信道,克服了不同用户必须根据固定安排使用信道的局限,在局域网多路接入时极为方便。

5.SCDMA技术简介

TD-SCDMA的中文含义为时分同步码分多址接入,该项通信技术也属于一种无线通信的技术标准,它由中国第一次提出并在无线传输技术(RTT)的基础上与国际合作,完成了TD-SCDMA标准,并成为了CDMATDD标准的一员,这是中国移动通信界的一次创举,也是中国对第三代移动通信发展的贡献。在与欧洲、美国各自提出的３Ｇ标准的竞争中,中国提出的TD-SCDMA已正式成为全球３Ｇ标准之一,这标志着中国在移动通信领域已经进入世界领先之列。

TD-SCDMA的设计参照了TDD(时分双工)在不成对频带上的时域模式。TDD模式是基于在无线信道时域内,周期地重复TDMA帧结构来实现的。这个帧结构被再分为几个时隙。在TDD模式下,可以方便地实现上/下行链路间的灵活切换。这一模式的突出优势是：在上/下行链路间的时隙分配可以被一个灵活的转换点改变,以满足不同的业务要求。这样,运用TD-SCDMA技术,通过灵活地改变上/下行链路的转换点就可以实现所有3G对称和非对称业务。合适的TD-SCDMA时域操作模式可自行解决所有对称和非对称业务以及任何混合业务的上/下行链路资源分配的问题。

TD-SCDMA的无线传输方案灵活地综合了FDMA、TDMA和CDMA等基本传输方法,与联合检测相结合,在传输容量方面具有明显优势。通过引进智能天线,TD-SCDMA系统容量还可以进一步提高。智能天线凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰,并通过更高的频率复用来提供更多的话务量。基于高度的业务灵活性,TD-SCDMA无线网络可以通过无线网络控制器(RNC)连接到交换网络,如同第三代移动通信中对电路和包交换业务所定义的那样,在最终的版本里,计划让TD-SCDMA无线网络与Internet直接相连。

TD-SCDMA所呈现的先进的移动无线系统是针对所有无线环境下对称和非对称的3G业务所设计的,它运行在不成对的射频频谱上。TD-SCDMA传输方向的时域自适应资源分配,可取得独立于对称业务负载关系频谱分配的最佳利用率。因此,TD-SCDMA通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率,可支持速率从8kb/s到2Mb/s的语音、互联网等所有的3G业务。

TD-SCDMA为TDD模式,在应用范围内有其自身的特点:一是终端的移动速度受现有DSP运算速度的限制,只能做到240km/h;二是基站覆盖半径在15km以内时频谱利用率和系统容量可达最佳,在用户容量不是很大的区域,基站最大覆盖可达30～40km,因此,TD-SCDMA适合在城市和城郊使用。上述两个不足均不影响其实际使用。在城市和城郊,车速一般都小于200km/h,城市和城郊人口密度高,因容量的原因,小区半径一般都在15km以内；而在农村及大区全覆盖时,用WCDMAFDD方式也是合适的,因为TDD和FDD模式是互为补充的。

7.4波分复用

1.波分复用的概念

所谓波分复用(WDM,WaveDivisionMultiplexing),就是把具有不同波长的几个或几十个光通路信号复用到一根光纤中进行传送的技术。由于光纤具有很宽的带宽,因此可在一根光纤中传输多个不同波长的光载波,这就是波分复用,它类似于电通信中的频分复用。采用波分复用可以扩大光纤通信的容量,实现大容量的光纤通信。

在长距离光纤通信系统中,由于线路的投资很大,一般要占系统总投资的70%～80%,因此采用波分复用,相当于成倍地增加光纤线路的传输总量,从而提高了线路的利用率。波分复用在长途光纤通信与用户网光纤通信领域得到了广泛的应用。现在的光纤通信系统的通信容量基本上都在1Gb/s以下,从光纤的传输特性来看,可以说只用到光纤可通信区域的极小的一部分,光纤还有很宽的频带可以利用,波分复用资源非常丰富。

波分复用的带宽一般为几十纳米,通常用户较多,在需要较多的传输通路时,可以使用工作波长小于一个纳米的波分复用系统,这种系统中光载波的间距小而密集,称之为高密度波分复用(HDWDM)。从目前市内通信的状况来看,市内电话中继线地下管道十分拥挤。如果利用波分复用技术,不仅可以在原有地下管道的条件下增加线路的容量,而且可以节省大量的地下管道建设资金,避免管道建设对城市交通和市容的影响。因此,许多国家都在加大力度研究波分复用光纤通信技术。

光波分复用一般应用合波器和分波器(波长分割复用器和解复用器)分别置于光纤两端,实现不同光波的耦合与分离。合波器和分波器的原理是相同的。光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型、介质膜型、光栅型和平面型四种。其主要性能指标为插入损耗和隔离度。通常把由于光链路中使用波分复用设备后,光链路损耗的增加量称为波分复用的插入损耗。如图7.9所示的方框图是在一根光纤上单向传输n个光波波长的波分复用系统。

图7.9波分复用系统

在系统发送端有n台光发射机(即有n个不同波长的光源)。这n个光信号通过复用器——合波器,将来自n台光发射机的光信号合并起来,耦合到一根光纤中传输。当这些被合并的光波传到接收端后,又通过一个光波复用器——分波器,将合并的信号分开,再分别送到各自相应的光电检波器中,从而实现在一根光纤上传输多个光源信号的目的。当然,每个光源本身又能传输成百上千路信号,如传输五次群电话(7680个话路)信号。通过这样的复用方式,会使一根光纤中的实际传输量得到很大的扩展,从而提高了光纤通信系统的有效性和经济性。

2.波分复用的特点波分复用系统具有以下特点。

(1)充分利用了光纤的低损耗波段,增加了光纤的传输容量,使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱(1310～1550nm)的极少一部分,波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽(约25THz),传输带宽充足。

(2)具有在同一根光纤中传送两个或数个非同步信号的能力,有利于数字信号和模拟信号的兼容,其传输与数据速率和调制方式无关,在线路中间可以灵活取出或加入信道。

(3)对已建光纤系统,尤其早期铺设的芯数不多的光缆,只要原系统有功率余量,就可进一步增容,实现多个单向信号或双向信号的传送,而不用对原系统做太大改动,具有较强的灵活性。

(4)由于大量减少了光纤的使用,因此降低了建设成本。而且光纤数量少,当出现故障时,恢复起来更迅速方便。

(5)有源光设备的共享性,对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。

(6)系统中大幅度减少了有源设备,提高了系统的可靠性。

7.5同步控制技术

1.外同步法为了实现同步,发送端需发送专门的同步信息,接收端根据接收到的同步信息使得接收端与发送端同步工作,这种方法称为外同步法。

2.自同步法发送端不发送专门的同步信息,而是将同步信息包含在信息码中,接收端从接收信息中设法提取同步信息来保持系统同步的方法称为自同步法。自同步法效率高,干扰小,但接收端设备较复杂。同步系统在信息传输过程中不直接传输信息,只有同步系统工作正常,才能保证信息的正确传输。同步是进行信息传输的前提,通常,一个通信系统收、发设备之间必须先建立同步后才能对用户开放,进而传输信息。同步系统的性能直接影响通信质量,因此,它应具有比信息传输系统更高的可靠性和更好的质量指标。

7.5.1载波同步

在采用频带传输系统中,接收端采用相干解调时,必须提供一个与发送端同频同相的相干载波,我们将提取相干波的过程称为载波同步。对载波同步的基本要求是:同步误差小,建立时间短,保持时间长,同步信号占用的功率小、频带窄。实现载波同步的方法有两种:一类是如果接收的调制信号频谱中已含有载波分量或导频分量,则可用带通滤波器或锁相环直接提取;另一类是对于抑制载波而又没有插入导频的调制信号,可通过对其进行非线性变换或采用特殊的锁相环来获取相干载波。

1.外同步法

外同步法是发送端在发送有用信号频谱的同时,在适当的位置再插入一个低功率的线谱(导频信号),这样接收端就可以利用窄带滤波器把它提取出来,再经适当处理后形成相干载波。导频的频率应与载频有关或者就是载频。插入导频的方法有多种,基本原理相似,这里仅介绍抑制载波双边带信号DSB的外同步法。当然,导频的插入位置应该在信号频谱为零的位置上,如图7.10所示。导频的相位与被调制载波正交,故称为“正交载波”。

图7.10导频插入频点

解调后得到的基带信号m′(t)为(1/2)m(t),高频分量是频率为2ω0的正弦波,我们就可以利用滤波器提取2ω0频率成分,再进行分频,从而得到导频信号。

2.自同步法自同步法是指发送端发送的信号包含同步分量,接收端能够在接收到的信号中提取同步信号的方法。它适用于接收信号中含有载波分量或者对接收信号进行某种非线性变换后,含有载波的谐波分量的场合。其指导思想是对接收到的信号进行非线性变换,使其分离出与载波频率相关的信号,再利用滤波器和分频器提取相干载波信号。下面以平方变换法和平方环法为例说明载波自同步法。设调制信号m(t)无直流分量,则抑制载波双边带已调信号为S(t)=m(t)cosω0t

若不考虑信道失真和噪声干扰,接收端将收到的信号通过一个平方律器件进行平方变换后,则得

上式中的第二项含有2ω0频率分量。利用窄带滤波器将其滤出,再经二分频,便可得到所需要的载波信号cosω0t。用平方变换法提取载波的原理如图7.11所示。图7.11平方变换法原理

图7.11中应用了二分频器,提取的载波存在π的相位模糊现象,即提取的载波信号可能存在π相移。如将此图中的窄带滤波器改用锁相环(PLL),便构成了平方环法。由于锁相环具有良好的跟踪、窄带滤波和记忆功能,使得系统性能得到改善,因而在载波同步过程中得到了广泛的应用，其原理如图7.12所示。

图7.12平方环法原理

7.5.2位同步

1.外同步法

为了获取码元定时脉冲信号,必须先确定接收到的基带信号中是否包含位定时频率分量。如果包含,就可用滤波器直接提取位定时信息。但对于某些本身不包含位定时信息的基带信号,则有必要在基带信号中插入位同步信号,或者对该基带信号进行某种码型变换，以达到使其包含位定时信息的目的。

1)插入导频法外同步法与载波同步的插入导频类似,也是将导频信号插入到基带信号频谱为零的频点。如果有的信号频谱为零的频点在零点,则应在频谱的第一个零点处(f＝1/2T)插入导频信号,如图7.13所示。图7.13插入导频的频点

图7.14提取插入导频信号的原理

(a)发送端;(b)接收端

2.自同步法

自同步法是由接收端直接从接收信号中提取位定时信息,其前提是接收到的信号中包含位同步信号。对于某些不含有位定时频率分量的基带信号,必须对其进行波形变换,使变换后的基带信号中含有离散的位定时分量,这样就可用窄带滤波器或锁相环来提取所需的位定时信息,继而形成位同步信号。直接提取法有滤波法和锁相法两种。图7.15为滤波法提取位同步信号的原理框图。图中,当不归零脉冲序列通过微分和全波整流后,就得到了含有位定时分量的窄脉冲序列。然后,用窄带滤波器或锁相环提取位定时分量,再经脉冲形成电路输出位同步脉冲。

图7.15滤波法提取位同步信号的原理框图(a)功能框图；(b)各点信号波形示意图

采用滤波法产生的位同步信号有时会遇到一种特殊情况,即当接收信号序列中出现连0或连1码元时,由于位定时分量的衰减,使得位同步信号不够稳定可靠,甚至有失步的危险,这是滤波法的缺点。由于滤波法存在这种缺点，因而在实际应用中常采用锁相法。锁相法是利用锁相环良好的相位跟踪功能提取位同步信号的方法,其原理如图7.16所示。接收端将接收到的基带信号送入信号变换器,产生一组定时脉冲,该脉冲再与本地信号产生的脉冲信号进行比较,根据差值不断调整信号相位,使其与接收信号相位一致,从而形成一组与接收脉冲相位相同的位同步脉冲信号。

图7.16锁相法提取位同步信号的原理框图

7.5.3

群同步

1.起止位同步法起止位同步法是利用起始位和停止位实现异步传输的方法。此时,被传输的单位是一个字符,并用起始位表示字符的开始,用停止位表示字符的结束,一个完整的传输帧是由起始位、数据位及停止位构成的。如图7.17所示,实际上就是典型的异步通信方式。在数据终端与计算机之间利用RS-232C串行口通信就是起止位同步法的典型例子。

图7.17起止位同步法帧结构

2.特定码组同步法

特定码组同步法是利用特定码组作为群同步字符来实现传输的方法。欲传输的单位是若干比特组成的数据帧,以一个特定码组作为数据帧的开始标志引领要传输的数据,以某一特定码组作为结束标志。因此,特定码组同步法的一个帧是由数据帧加上首尾特定码组构成的。在传输过程中,接收端通过识别该特定码组来实现群同步，其帧结构如图7.18所示。

图7.18特定码组同步法帧结构

3.特定字符同步法

特定字符同步法是利用特定字符作为同步标志来实现传输的方法。以两个或两个以上的特定字符作为数据块的开始标志,由于这种特定字符是以实现同步为目的的,故通常称为同步字符。ASCII编码表中的传输控制字符SYN(0010110)就是专门为同步而设置的。与特定码组同步法帧结构相类似,特定字符同步法的一帧是由同步字符、数据、控制字符和结束标志组成的。

7.5.4网同步

1.网同步的方法

(1)建立同步网,使网内各站的时钟彼此同步。建立同步网的方法又分为主从同步法和相互同步法,如图7.19所示。主从同步法是全网设立一个主站,将主站的时钟作为全网同步的标准,其他各站的时钟以主站时钟为标准校准,从而保证全网同步。相互同步法是将网时钟锁定在各站时钟的平均值上,这种方法克服了主从同步法中网同步过于依赖主站的缺点,提高了通信网的抗毁能力,但这种方法使得各站设备比较复杂。

图7.19网同步法

(2)异步复接,也称独立时钟法,是通过码速调整或水库法来实现网同步的。码速调整常用正码速调整,即在信息流中适时地插入一些码元使其码速提高,从而实现同步。水库法是在通信网的节点处设置存储量较大的存储器,各支路按各自的速率存入或读取信息。只要存储器容量足够大,信息就不会“溢出”或“取空”。这就像大水库既不会被灌满,也不会被抽干一样。网同步是一个复杂的问题,涉及到整个通信网的状况及运营要求。下面介绍网同步常用的几种方法。

2.主从同步法

主从同步法是在整个通信网内设立一个具有高稳定度的主时钟源的主站,整个通信网都以主站的时钟为标准,各从站以此标准校对其时钟,达到整个通信系统同步的目的。从站的时钟频率又通过各自的锁相环与主时钟源频率保持一致,从站还要设置时延调整电路以补偿因站间距离不同所带来的不同时延。这样就保证了整个网内各站点之间