在物理层传输信号的过程中,信道通常被多个信号共享。毕竟,单根线缆传送几个信号比为每个信号铺设一根线缆要便利地多。这种信道共享形式称为多路复用技术。本文将讨论其中的时分复用频分复用码分复用(码分多址)等方法。

1、频分复用

频分复用(FDM, Frequency Division Multiplexing)利用同代传输的优势使用户共享一个信道。它将频谱分为多个频段,每个用户完全拥有其中的一个频段来发送自己的信号。1G系统均采用该技术,但是由于各个用户使用不同频率的信道,所以用户容量受限。

2、时分复用

时分多路复用(TDM, Time Division Multiplexing)。

上图是一个TDM的实例,每个输入流的比特从一个固定的时间槽取出并输出到混合流。该混合流以各个流速率的总和速度发送。这种方式要求输入流在时间上必须要同步。为了适应适中的微小变换,可能要在混合流之间增加保护时间间隔。2G中的GSM系统在FDM的基础上还采用了TDM。对比单纯采用FDM的系统,在可用频段相同的情况下,TDM能够容纳更多的用户。

3、码分复用

码分复用(CDM, Code Division Multiplexing)是扩展频谱(spread spectrum)通信的一种形式。它把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上。这种方法更能抗干扰,而且允许不同用户的多个信号共享相同的频带。由于码分复用技术最常用于第二个目的,因此它被称为码分多址(CDMA,Code Division Multiple Access)。

CDMA允许每个站利用整个频带发送信号,而且没有时间限制。下面举个例子来解释这句话。假设一个场景:在一个机场候机大厅里,许多人正在两两交谈。TDM可以看作所有人都聚集在大厅里按顺序进行交谈。FDM可以看作大厅里的人按不同的语调进行交谈,有些语调高,有些语调低,所有交谈可同时进行且相互独立。CDMA可以看作大厅里每一对交谈使用不同的语言。讲法语的这一对在谈论有关法国的事情,并且把所有与法国无关的内容都当做噪声拒绝掉。因此,CDMA的关键在于:能够提取期望的信号,同时拒绝所有其他的信号,并把这些信号当作噪声。下面简述CDMA的工作原理。

在CDMA中,每个比特时间再细分为m个更短的时间间隔,这更短的时间间隔称为码片。通常情况下,每个bit被分为64或128个码片。但为了简单起见,下面的讨论中我将使用4个码片来说明CDMA的工作原理。每个站被分配唯一的m位码片,称为码片序列。并且,码片序列可以写成由一系列-1和1组成的序列。要发送比特1,站就发送分配给它的码片序列;要发送比特0,站就发送分配给它的码片序列的反码。例如,站A分配的码片序列为{-1 +1 -1 +1},那么发送1则发送原序列本身,发送0则发送{+1 -1 +1 -1}。

举个具体的传输例子。设ABC三用户共享一个信道,给它们分配的码片序列为:

A {+1 -1 +1 -1}
B {-1 -1 +1 +1}
C {+1 +1 -1 -1}

需要注意的是,三个码片必须正交为0,即点乘为0。要满足这一点,使每个码片-1和+1的个数相等即可。

现在假设,A发送0,B发送1,C发送0. 接收方看到的是和值S = -A + B + -C

码片
A {-1 +1 -1 +1}
B {-1 -1 +1 +1}
C {-1 -1 +1 +1}
发送的编码(求和) {-3 -1 +1 +3}

解码,(S x A ) x 1/m ...

原信号
A {-3 -1 +1 +3} x {+1 -1 +1 -1} x 1/4 = -1 0
B {-3 -1 +1 +3} x {-1 -1 +1 +1} x 1/4 = 2 1
C {-3 -1 +1 +3} x {+1 +1 -1 -1} x 1/4 = -2 0

3G系统主要采用CDM。CDM可容纳比TDM系统更多的用户,且具有低功率、软切换、抗干扰等优点。

4、正交频分复用

正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)。以相互正交的不同频率子载波来区分信道的接入方式,即为不同的用户分配若干不同的正交频率子载波来共享无线信道。在OFMD系统中,总频带被分成若干个相互正交的子载波,根据用户需求调度若干个不同的子载波给不同用户,每个子载波在同一时间只能供一个用户使用。4G系统采用OFDM技术。由于OFDM系统中的子载波是相互正交的,子载波之间的排列更加紧密,因此OFDM能够提高频谱效率和系统容量。

Last modification:October 20th, 2020 at 09:09 pm
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