多址技術(shù)課件

第4章多址技術(shù)1.提要一、多路復(fù)用和多址聯(lián)接二、頻分多址（FDMA）三、時分多址（TDMA）四、碼分多址（CDMA）五、三種多址技術(shù)的RF利用方式六、衛(wèi)星分組數(shù)據(jù)通信協(xié)議2.一、多路復(fù)用和多址聯(lián)接多路復(fù)用：將來自不同信息源的各路信息，按某種方式合并成一個多路信號，然后通過同一個信道傳送給接收端。接收端再從該多路信號中按相應(yīng)方式分離出各路信號，分送給不同的用戶或終端。簡而言之，多路復(fù)用是利用一條信道同時傳輸多路信號的一種技術(shù)，可以解決在同一信道內(nèi)同時傳送多個信號的問題。多路復(fù)用方式可分為頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用、波分復(fù)用等。3.多址聯(lián)接：指多個通信站的射頻信號在射頻信道上的復(fù)用，以實現(xiàn)各個通信站之間的通信。對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，多址聯(lián)接指的是多個地球站發(fā)射的信號，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的射頻信道復(fù)用，實現(xiàn)各站間通信的一種方式。常見的多址方式有頻分多址、時分多址、碼分多址和空分多址。多址聯(lián)接和多路復(fù)用的關(guān)系：多址聯(lián)接和多路復(fù)用的理論基礎(chǔ)都是信號的正交分割原理。但多址聯(lián)接是指多個電臺或通信站發(fā)射的信號在射頻信道上的復(fù)用，以達到各臺、站之間同一時間、同一方向的用戶間的多邊通信；多路復(fù)用是指一個電臺或通信站內(nèi)的多路低頻信號在基帶信道上的復(fù)用，以達到兩個臺、站之間雙邊點對點的通信。4.頻分多路復(fù)用（FDM）：按照頻率參量的正交分割原理，將各路信號的頻譜搬移至互不重疊的頻帶上同時在一個信道中傳輸。接收端通過不同中心頻率的帶通濾波器，可以將各路信號分離出來。頻分多路復(fù)用的各路信號在時域中混疊在一起，在頻域中可分辨。時分多路復(fù)用（TDM）：利用時間的正交性，即以時間作為信號分割的參量，使各路信號在時間軸上互不重疊，它利用不同時隙來傳送各路不同信號。在TDM系統(tǒng)中，每個信號占據(jù)著不同的時間區(qū)間，但每個信號均占有相同的頻域，各路信號在頻域中混疊在一起，在時域中可分辨。（一）多路復(fù)用5.碼分多路復(fù)用（CDM）：根據(jù)碼型結(jié)構(gòu)的不同實現(xiàn)信號的正交分割，各路信號在時間和頻率上是互相重疊的，接收端用相關(guān)器或匹配濾波器實現(xiàn)信號分離。波分復(fù)用（WDM）：為了增加光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量，可以在一條光纖中傳輸多個不同波長的光信號，只要這些光源的波長有著適當?shù)木嚯x，接收端的光頻器件就可將它們分開。（二）多址聯(lián)接頻分多址（FDMA）：各站、臺發(fā)出的射頻信號在指定的射頻頻帶內(nèi)，但在頻譜上互不重疊地排列，共同分用該射頻頻帶，接收端用帶通濾波器分離各路射頻信號。時分多址（TDMA）：以不同的時隙來區(qū)分地址，每站有一指定時隙，各站只是在自己的時隙內(nèi)發(fā)射信號。碼分多址（CDMA）：每個用戶有一個特定結(jié)構(gòu)的碼字作為地址，不同用戶的不同波形信號以同一頻率發(fā)射出去，各站的接收是根據(jù)相應(yīng)的信號波形分離出自己需要的信號。空分多址（SDMA）：利用天線的方向性和用戶的地區(qū)隔離性實現(xiàn)信號的分離。6.7.二、頻分多址技術(shù)（FDMA）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻分多址技術(shù)：頻分多址是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中普遍采用的一種多址技術(shù)。當多個地球站共用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時，如果根據(jù)配置的載波頻率的不同來區(qū)分地球站的地址，這種多址聯(lián)接方式就為頻分多址。它對各地球站配置不同的頻率，以實現(xiàn)不同地球站之間的聯(lián)接。這種頻率配置可以是預(yù)先固定指配的，也可以是按需分配的。對于分配給地球站的各個載波來說，可以是一個載波承載多個話路信號，也可以是一個載波只承載一個話路信號的方式進行傳輸，前者稱為每載波多路方式（MCPC），而后者為單路單載波方式（SCPC）。8.圖3-2Intelsat的36MHz轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬內(nèi)SCPC信道安排方案

9.圖3-3TWTA輸入回退與載波-互調(diào)干擾之比的典型關(guān)系線10.FDMA的非線性效應(yīng)頻譜擴展：相鄰信道干擾；交調(diào)（IM）諧波：鄰近業(yè)務(wù)信道的干擾。

交調(diào)干擾主要是由行波管放大器的非線性特性引起的。FDMA的一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率放大器，可以同時放大多個載波信號(幾個、十幾個甚至幾百個載波)。目前衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功放級大都采用行波管放大器(TWTA)，其單載波飽和輸出功率為5~40瓦，功率增益為30~40dB左右。多載波是為了充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器資源，但是多載波工作卻妨礙了衛(wèi)星功率的有效利用。在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中，作為功放級的TWTA，是一個非線性放大器，它的幅度特性是非線性的，它的相位特性具有調(diào)幅－調(diào)相變換作用(簡寫為AM—PM變換)。11.行波管調(diào)幅－調(diào)相變換作用分析

典型的行波管幅度非線性特性為：當輸入功率增加到某一數(shù)值時，輸出功率達到最大；繼續(xù)增加輸入功率，輸出功率反而下降。行波管放大器有一個最大輸出功率，稱為飽和輸出功率。若行波管在飽和點處工作，一般效率最高，但非線性失真也最嚴重。多載波工作時，減小輸入可以減少非線性影響，但同時輸出功率也降低了，管子就得不到充分的利用。

多載波波輸入時，輸出要受到“壓縮”．這種壓縮是指，在輸入總功率相等的情況下，多載波工作時總輸出功率比單載波工作時的輸出功率要小。

12.例一、采用FDMA的轉(zhuǎn)發(fā)器交調(diào)（互調(diào)）頻率IM＝mf1+nf2，m,n為任意整數(shù)，如：f1=1930MHz，f2=1932MHz，求落在工作頻率為1920～1940MHz的交調(diào)頻率。n=0n=1n=2n=31930192619221918*1928192419201916*1932193619401944*193419381942*1946*解：可能的交調(diào)頻率有：（2n+1）f1－2nf2，（2n+2）f1－（2n+1）f2或者（2n+1）f2－2nf1，（2n+2）f2－（2n+1）f1，n=0,1,2….13.頻譜實際占用度令表示轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的實際占用比例，那么設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的dB表示為[BTR]，單載波帶寬的dB表示為[Bc]，K為FDMA載波數(shù)。有K=BTR/Bc[Bc]＝[]+[BTR]-[K]14.例二、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬36MHz，飽和EIRP值為27dBW。地面站接收機G/T值為30dB/K，全部的鏈路損失為196dB。轉(zhuǎn)發(fā)器有多個FDMA載波，每個載波3MHz帶寬。轉(zhuǎn)發(fā)器有6dB功率“壓縮”（back-off）。計算單載波情況下的下行鏈路C/N值，并比較有沒有功率“壓縮”下該FDMA系統(tǒng)中可以容納的載波數(shù)。假設(shè)可以忽略上行鏈路噪聲和交調(diào)噪聲，只考慮單載波時的C/N值。解：轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的dB表示為[BTR]，單載波帶寬的dB表示為[Bc]，假設(shè)K為載波數(shù)。[C/N]=[EIRP]+[G/T]-[L]+[K]-[BTR]=27+30-196+228.6-75.56=14.04dBdB=-[back-off]，[K]=dB+[BTR]-[Bc]，K=3；如果沒有back-off，那么K=BTR/Bc=1215.圖3-1FDMA的地球站框圖16.三、時分多址技術(shù)（TDMA）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)時分多址技術(shù)：用不同時隙來區(qū)分地球站的地址，只允許各地球站在規(guī)定的時隙內(nèi)發(fā)射信號，這些射頻信號通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時，在時間上是嚴格依次排列、互不重疊的。衛(wèi)星將在一個TDMA幀內(nèi)的不同子幀時隙接收并轉(zhuǎn)發(fā)來自各地球站（它們都采用相同的載波）的突發(fā)脈沖串。也就是說，每一地球站只在TDMA幀的一個子幀內(nèi)接收和發(fā)送突發(fā)脈沖。為了保證每一地面終端的突發(fā)（子幀）能在所指定的子幀時隙到達衛(wèi)星，對系統(tǒng)定時和信號格式將有嚴格的要求。為此，每幀內(nèi)的第一個子幀將由基準站發(fā)出“基準”子幀以作為同步和網(wǎng)控之用。17.圖3-4TDMA網(wǎng)絡(luò)定時的示意圖18.圖3-5TDMA系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)格式和框圖19.圖3-6TDMA系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)格式和框圖20.子幀的捕獲和同步TDMA系統(tǒng)由基準站發(fā)送用于全網(wǎng)同步的“基準子幀”子幀的捕獲軌道預(yù)測法相對測距法被動同步法21.TDMA幀的基本組成基準站相繼兩次發(fā)射基準信號的時間間隔叫做一幀，在一幀內(nèi)有一個基準分幀和若干信息分幀，每個分幀占據(jù)一個時隙，基準分幀由基準站的突發(fā)信號構(gòu)成；信息分幀由地球站的突發(fā)信號構(gòu)成。一個信息分幀對應(yīng)一個地球站的突發(fā)信號。信息分幀中的信道定向采用逐字復(fù)用的時分多路復(fù)用方式(TDM)。這樣，一個地球站發(fā)射的信號可由該站的消息分幀在一幀中的位置來確定。22.TDMA的效率幀效率：發(fā)送數(shù)據(jù)比特在一幀中所占的百分比。23.例三、某通信系統(tǒng)每幀包括8個時隙，每時隙包括156.25比特，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為270.833kbps，求：（1）比特周期Tb；（2）時隙周期Tslot；（3）幀長Tf；（4）收發(fā)時間間隔。解：Tb＝1/270.833kbps＝3.692sTslot＝Tb×156.25＝0.577msTf＝Tslot×8＝4.615ms收發(fā)間隔為幀長。24.TDMA數(shù)字傳輸分析在TDMA方式下，TWTA沒有功率壓縮的要求，所以轉(zhuǎn)發(fā)器可以飽和工作?？紤]到中頻帶寬對數(shù)據(jù)率的限制，傳輸比特率可以按下式簡單計算：Rb/BIF=m/(1+ρ)，其中ρ為滾降系數(shù)。如對于BPSK，m=1;QPSK，m=2。

ρ=0.2，則Rb=mBIF/1.225.例（P43）、衛(wèi)星TDMA通信系統(tǒng)中，若轉(zhuǎn)發(fā)器的EIRP為26.7dBW，鏈路總的傳輸損耗200dB，地球站G/T=32dB/K，成形濾波器滾降系數(shù)0.2，采用的調(diào)制方式為QPSK；且要求的誤比特率為10-5。求可以支持的信號傳輸速率和所需的中頻帶寬。解：接收載波功率與噪聲功率譜密度之比為[C/n0]=26.7-200+32+228.6=87.3(dBHz)而QPSK信號相干解調(diào)的誤比特率為10-5時，所要求的Eb/n0為9.5dB，而且全鏈路的信噪比基本上由下行鏈路決定。于是，可支持的信號傳輸速率為(此處假定比特能[Rb]=[C/n0]-[Eb/n0]=87.3-9.5=77.8dBbit/s26.TDMA話音信道容量計算設(shè)突發(fā)數(shù)據(jù)率為RT，幀效率為ηF，每話音信道比特率為Rb。則話音信道數(shù)N為N=ηFRT/Rb27.例四、INTELSAT衛(wèi)星的每幀符號數(shù)為120,832。幀周期為2ms，幀效率0.949，話音信道比特率64kb/s，采用QPSK調(diào)制。求話音信道容量。解：符號率＝120,832/2ms=60.416Msymbol/s.QPSK調(diào)制用2比特表示一個符號，所以

RT=60.416*2=120.832Mb/s所以N=(0.949*120.832*1000)/64=179228.獨特碼（UW或BCW）的相關(guān)計算

獨特碼用以指示TDMA幀內(nèi)子幀的起始位置、子幀內(nèi)各信息的位置以及站址識別。漏檢與誤檢

發(fā)生漏檢，意味丟失示位脈沖；發(fā)生誤檢，意味著產(chǎn)生了虛假的示位脈沖，這些都將導(dǎo)致系統(tǒng)同步不正常。因此我們需要考慮兩個概率值：漏檢率和誤檢率。

UW:UniqueWord,BCW:BurstCodeWord29.漏檢率

設(shè)UW長度為N比特，E為允許該UW檢驗正確的最大差錯數(shù)量。令I(lǐng)為在接收UW時的實際差錯數(shù)量。那么當I≤E，UW可以正確檢驗；當I>E，認為被檢測的序列N不是UW，則發(fā)生漏檢。令p表示傳輸平均差錯率（BER），那么長度為N的序列中包含有任何一種特定排列的I個錯誤的概率為pI=pI(1-p)N-I。而N中取I的組合方式有CNI=N!/(I!(N-I)!)。所以接收到長為N的序列中含有I個錯誤的概率為PI=CNIpI。所以漏檢概率Pmiss=∑NI=E+1PI30.例五、設(shè)UW長度為N比特，E為允許該UW檢驗正確的最大差錯數(shù)量。令I(lǐng)為在接收UW時的實際差錯數(shù)量。令p表示傳輸平均差錯率（BER），求當N=40,E=5，p=10-3時的漏檢率。解：

31.誤檢概率有一個長度為N比特的序列（它實際上并不是一個UW，但即使在E個比特位置上不同于UW，它仍被誤認為是UW），令I(lǐng)表示隨機序列不同于UW的比特位置數(shù)，這樣E代表了從UW角度考慮可以接受的“比特差錯”個數(shù)，而I代表了從UW角度考慮實際的“比特差錯”個數(shù)。從N中取I的組合個數(shù)為CNI

，因此能夠接受作為UW的碼字數(shù)為∑EI=0CNI。一個長為N比特的隨機序列可組成的碼字數(shù)為2N，假定所有碼字是等概的，則接收到任何一個特定碼字的概率為2-N。所以誤檢率為32.例六、計算當N=40，E=5時的誤檢率比較例五和例六的結(jié)果，可以看出誤檢概率要遠遠高于漏檢概率。在實際系統(tǒng)中，一旦幀同步建立起來，可以在預(yù)期的UW到達時間上設(shè)置一時間窗，相關(guān)器只在這個時間窗內(nèi)工作，這樣可以大大降低誤檢概率。33.FDMA和TDMA的特點比較對于TDMA方式，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器任何時刻都只有一個載波工作，不會產(chǎn)生交調(diào)干擾，行波管可以工作在飽和狀態(tài)，能充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器的功率；TDMA方式對地球站等效全向輻射功率變化的限制，沒有FDMA方式那樣嚴格；TDMA方式是對各地球站和轉(zhuǎn)發(fā)器進行時間分隔，無需FDMA方式的多次變頻，簡化了電路結(jié)構(gòu)；34.TDMA方式可根據(jù)各站業(yè)務(wù)量的大小來調(diào)整各站時隙的大小，大小站可以兼容，易于實現(xiàn)按需分配；TDMA方式與地面數(shù)字系統(tǒng)的接口方便，同時也便于做星上處理；TDMA方式可以與數(shù)字話音內(nèi)插（DSI）和自適應(yīng)差分編碼（ADPCM)技術(shù)配合，形成數(shù)字電路倍增設(shè)備，使轉(zhuǎn)發(fā)器容量大大提高（達5倍）；TDMA系統(tǒng)的網(wǎng)同步復(fù)雜。35.FDMA和TDMA的容量比較

出于簡化的目的，只比較上行鏈路的容量。公式[R]=[C/N0]-[Eb/N0]對于FDMA和TDMA的上行鏈路都適用。對前者R就是Rb，對后者R就是是RT（突發(fā)數(shù)據(jù)率）。假設(shè)[Eb/N0]對兩者相同，上行鏈路損耗和衛(wèi)星[G/T]也相同。那么TDMA的地面站需要增加的EIRP值為[EIRP]TDMA-[EIRP]FDMA=[RT]-[Rb]如果發(fā)射天線增益也相同，那么TDMA的地面站需要增加的發(fā)射功率為[P]TDMA-[P]FDMA=[RT]-[Rb]36.四、CDMACDMA：利用自相關(guān)性非常強而互相關(guān)性比較弱的偽隨機碼作為地址信息，對被用戶信息調(diào)制過的載波進行再次調(diào)制，使頻譜大大展寬。在接收端以本地產(chǎn)生的地址碼為參考，根據(jù)相關(guān)性的差異對接收到的所有信號進行鑒別，從中將地址碼與本地地址碼完全一致的寬帶信號還原為窄帶信號而選出。實現(xiàn)CDMA的條件：要有數(shù)量足夠多、相關(guān)特性足夠好的地址碼。必須用地址碼對發(fā)射信號進行擴頻調(diào)制，使傳輸信號所占頻帶極大地展寬。在接收端必須要有與發(fā)送端地址碼完全一致的本地地址碼。37.擴頻通信的基本工作方式直擴方式：DirectSequenceSpreadSpectrum跳頻方式:FrequencyHopping跳時方式:TimeHopping38.直擴系統(tǒng)（DSSS）基本結(jié)構(gòu)D1B1B2B2B1D1

作為輸入的數(shù)據(jù)信息D1，經(jīng)過信息調(diào)制變成了帶寬為B1的調(diào)制信號，再由偽隨機碼調(diào)制成帶寬為B2的寬帶信號發(fā)射；接收端捕捉PN碼的準確相位，并產(chǎn)生偽隨機碼進行解擴，再經(jīng)過信息解調(diào)，可以恢復(fù)出信息數(shù)據(jù)。39.跳頻方式（FH）的基本結(jié)構(gòu)

信息數(shù)據(jù)經(jīng)信息調(diào)制成帶寬為B1的基帶信號，作為發(fā)射載波，該載波頻率受偽隨機碼發(fā)生器的控制，在帶寬為B2的頻帶內(nèi)隨機跳變，實現(xiàn)基帶信號帶寬B1到發(fā)射信號使用的帶寬B2的頻譜擴展。40.跳時系