共享頻道

選擇合適的調制方案只是定義通信網絡問題的一部分。在大多數情況下，傳輸介質必須容納來自多個發射器的信號。這種多次使用最明顯的例子是電波;它們必須承載各種無線流量，從廣播廣播和電視到蜂窩電話，再到CB和短波無線電。即使是簡單的雙絞線電話線（代表電話公司中心辦公室和用戶之間的專用線路）也必須在呼叫期間同時傳輸傳入和傳出的語音和數據。

在大多數情況下，獨立傳輸有效多路復用的關鍵是正確遵守“實時和讓實時”協議，從而能夠有效傳輸所需消息，而不會對其他傳輸造成不當干擾。在多個用戶之間共享通信媒體有多種方法;每個都有自己的要求，影響組件的選擇。這些方案中的大多數都可用于模擬和數字通信;但是，時間壓縮的靈活性以及數字通信中可用的其他功能開辟了更多選擇。

TDMA時分多址：也許共享通信信道的最明顯方法是“輪流”：一次只分配一個發射機。當然，必須有某種協議來確定誰擁有傳輸特權，何時，多久以及多長時間。一個簡單的例子是對講機用戶使用單詞“over”來表示傳輸流的終止，并釋放通信通道供其他用戶傳輸。

通常需要更正式的安排，特別是當每個用戶都被分配一個非常簡短但重復的參與時。整個時間段可以劃分為指定的“時隙”，每個發射機分配不同的傳輸時隙（圖1）。這種方案需要同步所有發射機，再加上一個“主管”，以便在新發射機想要進入頻道時分配時隙，并跟蹤空出的時隙。必須提供一些“開銷”空間，以允許發射機時隙之間的轉換;同步越好，這些過渡期浪費的時間就越少。時間多路復用還意味著來自給定發射器的數據流不是連續的，而是突發的。為了表示連續的對話（例如在蜂窩電話中），在傳輸之間的時間段內獲取的數字化信息必須經過時間壓縮，在短時間內傳輸，然后在接收器中擴展以形成透明的連續消息。

圖1.時間多路復用圖示，顯示保護帶。

小組討論的類比有時被用來說明TDMA的性質。不按順序打斷或無休止地嘎嘎作響的參與者犯了“違反TDMA協議”。歐洲GSM數字蜂窩電話標準使用TDMA;每個通道以八個時隙的重復傳輸序列同時傳輸八個電話。

TDMA系統的元件選擇必須仔細考慮帶寬和建立時間;帶寬不足的組件的長時間常數往往會導致信號“滲入”相鄰用戶的時隙。

FDMA頻分多址：任何在家中接收電視或無線電廣播的人都熟悉頻分多址的示例。在這種情況下，多個發射器可以通過將其傳輸中的每個頻率保持在指定的頻隙內來同時傳輸而不受干擾（在給定地理區域的給定功率水平下）。接收器通過調諧到所需的頻率時隙來確定要恢復的信道。嚴格遵守每個發射機的頻率限制非常重要;任何違規行為都會對相鄰頻道造成干擾。（圖2）

圖2.頻率復用圖示，顯示未使用的頻段以提供分離。

使用對話類比，這可能就像提供一組展位，每個演講者一個;如果他們說話足夠小，所有“發射機”都可以同時廣播，聽眾可以通過在所需的隔間收聽來“收聽”。

幾乎所有無線應用都受到頻帶限制;國家和國際監管機構，例如美國的FCC，將發射機許可為特定頻率或將其類別限制在特定頻段。有線電視等有線應用也使用頻率分離來允許同時傳輸數百個頻道（模擬和數字）。

保持在指定的頻率約束范圍內對元件選擇有許多影響。例如，系統中的某些組件將用作精確的頻率參考。它可以是絕對頻率參考，如晶體，也可以包含接收并“鎖定”到外部參考頻率的電路。傳輸路徑中的組件必須具有精心限制的光譜內容;這可以通過濾波來完成，但也需要控制分量線性度，以免產生偶然的“帶外”諧波和其他雜散頻率分量。

CDMA運營商分部多址 繼續對話類比，假設10個人試圖在一個小房間里同時進行5次一對一對話。進一步假設一對同意用英語交談，另一對同意用法語交談，其他人用中文、芬蘭語和阿拉伯語交談，并且都是單語。如果你是說英語的一對成員，你會聽到背景“喋喋不休”的聲音，但唯一可理解的信息是英語。因此，很容易看出所有 5 次對話可以同時在同一個房間里進行（盡管在實踐中，每個人都可能會頭疼）。

這本質上是對運營商劃分多址的基本思想的描述。所有用戶都在同一頻段上發送和接收，但每對都分配有唯一的代碼序列。您希望發送的數字比特流使用此唯一代碼序列進行調制并傳輸。接收器將接收所有發射器的組合調制比特流。如果接收器用相同的唯一代碼解調這個復合信號，它本質上執行互相關操作：用相同代碼序列調制的比特流將被恢復;所有其他用不同代碼調制的傳輸信號將作為“噪聲”被拒絕。

使用特殊代碼進行調制往往會將初始數字比特流的頻譜擴展到更寬的帶寬上，這有助于提高其抗干擾能力。盡管存在這種頻譜擴展，但頻譜效率可以保持，因為多個用戶可以共享相同的帶寬。添加更多用戶只會導致頻道中出現噪音增加。

CDMA系統的例子包括美國的IS95數字蜂窩標準和眾多軍事“擴頻”通信應用（用唯一信號調制傳輸信號的另一個優點是它基本上是加密的;如果沒有唯一的調制序列，接收器就無法恢復傳輸的消息）。盡管CDMA系統涉及更高的數字復雜性，但其模擬組件的性能要求卻降低了。但是，由于多個發射機將同時在同一信道中廣播，因此通常需要盡量減少發射機組件對背景和雜散噪聲的貢獻。

SDMA空間分部多路訪問：回到對話類比，在同一房間內同時進行一對一對話的另一種方法是移動到房間的相對角落，用相對安靜的語氣說話。這抓住了SDMA的精神。在無線應用中，信號強度會隨著與發射天線距離的增加而迅速下降。在足夠遠的距離上，可以認為信號已經完全褪色，從這一點開始，新的發射器可以對不同的信號重復使用相同的頻率或時隙（圖 3）。在廣播電臺中，相同的頻率可以在不同的城市重復使用，只要它們相距足夠遠。

*信號隨距離的衰減是頻率的強函數：發射機頻率越高，滾降越快。

圖3.地理多路復用圖示，顯示中心有基站天線的蜂窩狀小區。

信道重用距離的概念是術語“蜂窩電話”的基礎。小區大小由給定發射機的有效覆蓋面積決定，相同的頻率可以在其他小區中重復使用。然而，在實踐中，模式的設計使得相鄰的單元不會重復使用相同的頻率。傳統天線向各個方向輻射，產生圓形覆蓋區域和圖3中的“蜂窩”蜂窩模式。隨著聚焦或波束控制天線的發展，現代技術為 SDMA 的概念增加了新的維度。相控陣技術可以創建針對單個目標接收器或特定目標區域（例如，高峰時段的特定高速公路）的聚焦定向信號傳輸模式。這可以允許更快速地重用頻譜，從而有效地增加無線應用的總容量。

先進的數字通信系統使用這些多路復用方案的組合，有效地將盡可能多的容量打包到可用的傳輸通道中。例如，GSM蜂窩電話使用TDMA，FDMA和SDMA來分配流量。甚至許多有線應用也使用TDMA和FDMA協議。雖然這些多路復用安排通常會增加系統的復雜性，但通道容量的有效增加遠遠抵消了元件成本的增加。

近/遠問題

在前幾期中，我們討論了錯誤率和調制方案對數字通信系統中所需動態范圍的影響。然而，在許多應用中，多路復用布置對通信接收器的動態范圍提出了最終要求。

在任何應用中，接收信號的強度都是傳輸信號強度、與發射器的距離以及與傳輸介質（無線或有線）相關的眾多環境因素的函數。大多數通信系統被設計為在各種距離上工作，因此必須設計為適應接收信號功率的較大變化。

例如，考慮蜂窩電話應用。接收器電路必須設計為在“小區”的最邊緣恢復傳輸產生的微弱信號。這種恢復微弱信號的能力通常被稱為接收器的靈敏度。為了恢復這種微弱的信號，似乎應該在接收電路中包括增益級。與良好的低噪聲設計實踐一致，人們可能希望盡可能早地將增益置于信號路徑中，以快速將信號提升到后續級的本底噪聲之上。

不幸的是，同一個接收器還必須能夠接收直接站在基站天線下方的用戶發送的信號。例如，在GSM的情況下，該信號可能比最弱的信號強90 dB。如果接收器在信號路徑中的增益過多，則強信號會使增益級飽和。對于包含幅度信息（包括AM和QAM）的調制方案，這基本上會破壞信號。相位和頻率調制方法可能更能容忍這種削波，具體取決于具體情況。（削波仍然會產生失真產物，即使在相位調制方案中也足以引起問題。

解決近/遠動態范圍問題的基本方法是在接收信號路徑中使用可變/可編程增益級。自動增益控制（AGC）允許根據接收信號的強度調整增益。不過，一個重要的設計考慮因素是增益需要調整的速度。例如，在ADSL（非對稱數字用戶線路邊欄）調制解調器中，接收的信號強度隨著室外溫度變化影響線路阻抗而變化，因此分鐘的時間常數是可以容忍的。另一方面，蜂窩電話接收器必須設計為跟蹤來自快速移動車輛的信號，這些車輛可能正在進入或從建筑物或其他信號障礙物的陰影中出來，因此需要非?？焖俚脑鲆孀兓?。TDMA系統對增益范圍電路提出了額外的要求，因為近/遠信號可能位于相鄰的TDMA時隙中;在這種情況下，電路必須改變增益并在時隙之間的過渡期內穩定下來。

FDMA系統提供了另一種近/遠挑戰。在這里，要考慮的最壞情況是在強信號旁邊的時隙中恢復微弱信號（圖 4）。由于兩個信號在增益級的輸入端同時以復合形式存在，因此增益根據強信號的電平進行設置;本底噪聲中可能會丟失微弱的信號（在這種情況下，本底噪聲可能是A/D轉換器的熱噪聲或量化噪聲）。

圖4.近遠效應要求能夠處理相鄰通道之間的寬動態范圍。

即使后續級具有足夠低的本底噪聲以提供動態范圍以恢復微弱信號，也必須對增益級的動態線性度進行非常嚴格的約束;強信號的諧波或其他雜散響應纏繞在錯誤的頻率箱中，很容易消除較弱的期望信號。為了減少這種干擾問題，大多數FDMA系統試圖在接收電路的早期濾除不需要的信號。區分相鄰頻帶中不需要的信號的能力通常稱為接收器的選擇性。

大多數無線電設計具有一系列級聯濾波器和增益級（其中一些可能是可變的），以消除/衰減強干擾源，然后將所需信號放大到易于解調的水平。然而，寬帶無線電試圖同時恢復一個接收器中的所有信號;他們不能使用模擬判別濾波器;因此，寬帶接收器通常對其模擬電路和轉換器的動態范圍有最嚴格的要求。有趣的是，即使是您認為自己擁有通信通道的應用程序也可能受到同時近/遠信號的影響。例如，在ADSL調制解調器中，系統必須設計用于以下場景：近端回波（來自本地發射器的泄漏）顯示為干擾信號，實際上比所需接收信號強60 dB。

在CDMA系統中，近/遠問題有點難以描述。由于所有信號在同一頻率空間中同時傳輸，因此濾波不能用于區分不需要的信號（盡管它仍然用于消除相鄰頻段中的信號）。CDMA采用解調，使用所需信號特有的載波從不需要的信號中提取所需的信號;使用不同載波調制的信號顯示為背景噪聲。成功恢復信號的能力由總噪聲能量（包括頻段中其他載波的能量）決定。由于濾波不能用于區分，因此最好的情況是讓所有信號以相同的功率到達基站天線。為了實現這一點，許多CDMA系統將接收到的功率電平傳輸回發射器，以便可以調整各個信號組件的功率以均衡基站接收器的功率電平。為了幫助減少近/遠問題，TDMA系統也可以使用這種功率控制，盡管它往往需要更復雜（即昂貴）的手機。

非對稱數字用戶線

ADSL是將寬帶數字服務帶入家庭的眾多技術之一。ADSL的基本概念是利用已經為美國家庭提供幾乎通用電話服務的雙絞線。提供雙向信息流的其他服務，如ISDN（綜合業務數字網絡），需要額外的專用線路來提供服務。

ADSL使用頻分復用（FDM）在20 kHz和1.2 MHz之間的頻率空間中傳輸調制數字信息，高于傳統語音流量占用的頻率空間。這種頻率分離允許ADSL調制解調器在不干擾同時發生的電話呼叫的情況下運行這是一個極其重要的功能。

ADSL的ANSI標準使用FDM（在頻率上分離上行和下行信號）或回聲消除提供同步上行（從家庭傳出）和下行（傳入到家庭）傳輸?；芈曄褂脧碗s的信號處理（模擬、數字或兩者）將強發射信號與較弱的接收信號分開，僅將接收信號傳遞到解調器。使用對話模型，這類似于一個可以同時有效地說話和傾聽的人。

審核編輯：郭婷