数字通讯原理第6章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 6 章多 址 通 信,第 6 章 多 址 通 信,6.1,多址方式,6.2,扩频通信,6.3,蜂窝技术,6.4,抗多址干扰技术概述,6.5,功率控制技术,6.6,智能天线,习题,6.1,多,址,方,式,6.1.1 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,s,1,(,t,),s,2,(,t,),s,N,(,t,)中任意两个信号满足,i,=,j,i,j,(6.1-1),则称,s,1,(,t,),s,2,(,t,),s,N,(,t,)为正交信号族，其中的任意两个信号,s,i,(,t,)、,s,j,(,t,)在区间(,t,1,t,2,)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,(6.1-2),式中，,s,i,(,t,)为第,i,个用户信号；,i,为第,i,个用户信号,s,i,(,t,)的正交参量。正交参量应满足,i=j,i,j,接收时，采用一个正交识别器,(,如图,6-1,所示,),就可以分离出信号，,即,(6.1-3),图,6-1,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。,6.1.2 频分多址(FDMA)方式,FDMA是一种最基本的多址接入方式，即,i,=,F,i,的情况，如图62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,F,i,(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,6-2,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(,f,1,+,f,2,f,3,)形式和(2,f,1,f,2,)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，(,f,1,+,f,2,f,3,)形式的干扰要比(2,f,1,f,2,)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 6-3 FDMA模拟蜂窝系统原理框图,(a),原理图；,(b),频谱分割,图 6-3 FDMA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800 MHz的AMPS体制和欧洲的TACS体制，如图6-3(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25 kHz)，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6-3(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,F,g,。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。,6.1.3 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,T,i,，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户，即,i,=,T,i,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 6-4 所示。,图,6-4 TDMA,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GSM 900 MHz频段的上行(移动台到基站)890915 MHz 或下行（基站到移动台）935960 MHz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200 kHz。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45 MHz。TDMA工作在GSM 900 MHz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4.6 ms，,F,1,f,1,=45 MHz，如图 6-5 所示。,图 6-5 TDMA系统(GSM)原理框图,(a),原理图；,(b),频率规划,图 6-5 TDMA系统(GSM)原理框图,(a),原理图；,(b),频率规划,6.1.4 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,=,C,i,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 6-6 所示，前者多用于民用，后者多用于军事。,图 6-6 CDMA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。,6.1.5 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。,6.1.6 随机接入方式,1.ALOHA,1)工作原理,ALOHA系统是一个无线数据通信系统，也称为纯ALOHA系统。它于1971年诞生于美国夏威夷大学，采用分组方式传输，其工作原理是：,(1)任一站