信道復(fù)用技術(shù)在通信線路上的應(yīng)用

信道復(fù)用技術(shù)在通信線路上的應(yīng)用

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，通信線路只能用于傳輸信號(hào)，因此其他用戶不能使用通信線路而獲取服務(wù)，這降低了通信成本。信道復(fù)用技術(shù)的使用極大地提高了信道的傳輸效率,取得了廣泛應(yīng)用。多路復(fù)用技術(shù)就是在發(fā)送端將多路信號(hào)進(jìn)行組合,使得在一條通信線路上能夠同時(shí)傳輸若干路信號(hào),然后在一條專用的物理信道上實(shí)現(xiàn)傳輸,接收端再將組合信號(hào)分離出來(lái)。本文主要從信道復(fù)用技術(shù)的基本原理及其應(yīng)用方面作一些討論。1復(fù)配的基本思想信道復(fù)用技術(shù)有兩個(gè)大的類型:①射頻信道復(fù)用技術(shù),稱為多址通信;②群頻信道復(fù)用技術(shù),即多路通信。這兩類通信的基本原理是相同的,只是由于應(yīng)用場(chǎng)合的不同而各有其自身的特點(diǎn)。各個(gè)信號(hào)因?yàn)橛衅涔残远茉谝粋€(gè)信道內(nèi)進(jìn)行復(fù)合傳輸;還因?yàn)橛衅鋫€(gè)性而又能從復(fù)合信號(hào)中各個(gè)分離出來(lái)。因此,要使各信號(hào)能在一起復(fù)用,就要設(shè)法使各信號(hào)之間存在差別,這就要事先對(duì)信號(hào)進(jìn)行一些包裝性設(shè)計(jì)。應(yīng)當(dāng)如何對(duì)信道輸入端的多路信號(hào)分別進(jìn)行設(shè)計(jì),才能在信道輸出端對(duì)多路信號(hào)實(shí)現(xiàn)有效地分離還原呢?信號(hào)的線性分割理論指出:實(shí)現(xiàn)有效分離的充分與必要條件是各個(gè)信號(hào)應(yīng)互相線性無(wú)關(guān),也就是說(shuō)各個(gè)信號(hào)應(yīng)互為正交,形成正交信號(hào)組。相互垂直的兩個(gè)矢量可稱為相互正交。例如,在平面上的兩個(gè)矢量A和B(見(jiàn)附圖)。令A(yù)在X軸上,B在Y軸上,顯然它們是互相正交。用平行四邊形法把它們合成為矢量C。那么要從矢量C反過(guò)來(lái)求矢量A和B,只要取C在X軸及Y軸上的投影即可。這是因?yàn)锳在Y軸上的投影是零,而B(niǎo)在X軸上的投影也是零。這時(shí)稱A和B是相互正交。上圖中A矢量的長(zhǎng)度為a時(shí),用一組坐標(biāo)值(a,0)就能充分描述矢量A。同理,矢量B的長(zhǎng)度為b,則描述矢量B的坐標(biāo)值是(0,b)。近代數(shù)學(xué)把這種正交概念推廣到N維空間,也就是用N個(gè)坐標(biāo)值代表一個(gè)N維矢量,仍可建立正交概念。但這時(shí)其投影已無(wú)法用幾何制圖法來(lái)說(shuō)明,常用矢量的點(diǎn)積來(lái)表示。例如附圖中,C對(duì)A的投影,就可用C·A=|C|·|A|cOsθ來(lái)表示。若任何兩個(gè)N維矢量之間的點(diǎn)積為零,則可稱為互相正交。從取樣定理可知,在一個(gè)時(shí)間T內(nèi),任何限頻信號(hào)總可以用2FT個(gè)(F為信號(hào)的頻帶)樣點(diǎn)值來(lái)代表,也就是可以用一個(gè)2FT維的矢量來(lái)代表。任何二個(gè)限頻信號(hào)之間相互正交概念就完全可用上述的點(diǎn)積來(lái)表達(dá),而合并后的相互正交信號(hào)組,也就可以用投影或點(diǎn)乘的方法分離出來(lái)。滿足上述正交條件的信號(hào)與分割,一般稱為正交分割。因此,為了使N個(gè)信號(hào)能夠共用一個(gè)信道,則要在接收端設(shè)法用一個(gè)與所接收的正交信號(hào)組相對(duì)應(yīng)的正交參考坐標(biāo)系,通過(guò)投影或點(diǎn)乘的方法把N個(gè)信號(hào)分離出來(lái)。早已廣泛使用的頻率分割和時(shí)間分割,在理想條件下都是正交分割的例子。但這里的投影實(shí)際上是用濾波器或門電路來(lái)實(shí)現(xiàn),不在濾波器通帶內(nèi)或不在門電路開(kāi)門時(shí)間內(nèi)采集到的信號(hào)輸出為零。這和正交投影的結(jié)果是相同的,即與點(diǎn)積運(yùn)算中cosθ=0(相當(dāng)于θ=90°)的結(jié)果相同。應(yīng)當(dāng)指出,由于實(shí)際條件限制,理想的正交分割總是難以實(shí)現(xiàn)的,實(shí)際上都是近似正交分割,或者說(shuō)是“準(zhǔn)正交分割”。由于分割的準(zhǔn)正交性,復(fù)用的各個(gè)信號(hào)之間總存在一定程度的互相干擾。隨著復(fù)用信號(hào)個(gè)數(shù)的增加,這種干擾也將加大。當(dāng)復(fù)用信號(hào)個(gè)數(shù)超過(guò)一定界限時(shí),相互干擾將使各路信息的傳輸變得不再可能。從20世紀(jì)40～50年代開(kāi)始,美蘇等國(guó)就開(kāi)始大力研究、開(kāi)發(fā)使用信道復(fù)用通信技術(shù),到60～70年代,信道復(fù)用技術(shù)已在軍事等多個(gè)領(lǐng)域的多種型式的通信線路上得到應(yīng)用。伴隨著電子計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展,信道復(fù)用技術(shù)已經(jīng)廣泛用于各類信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。信道復(fù)用技術(shù)的類型和應(yīng)用的方式比較多,本文從多路復(fù)用技術(shù)和多址通信兩個(gè)方面作一些介紹。2信號(hào)復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)主要包括頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用三種型式。(1)頻分復(fù)用。頻率分割是信號(hào)分割原理的最早應(yīng)用,其基本原理是使各個(gè)信號(hào)頻譜在頻率軸上互不重迭,在接收端通過(guò)濾波器把這些信號(hào)分離出來(lái)。由于這些信號(hào)的頻段在頻率軸上不重迭,我們就認(rèn)為它們形成了正交信號(hào)組。最典型的應(yīng)用例子就是載波電話。載波電話中將每路音頻帶300～3400(Hz)對(duì)一定載波調(diào)制,取其下邊帶組成60～108(kHz)的12路標(biāo)準(zhǔn)群,稱為基群,這就是12路載波電路。那么60路的載波電話是由5個(gè)12路的載波電話基群組成,而1800路的載波電話是由30個(gè)60路載波經(jīng)過(guò)頻譜搬移迭加而成。在頻分復(fù)用技術(shù)下,多個(gè)用戶可共享一個(gè)物理通信信道,達(dá)到信道復(fù)用,提高信道傳輸效率的作用。但模擬傳輸仍然是效率最低的網(wǎng)絡(luò),這主要體現(xiàn)在模擬信道每次只能一個(gè)用戶使用,使得帶寬得不到充分用。此外,頻分復(fù)用信道大于通常需要的特定數(shù)字壓縮信道,且對(duì)于通信沉默過(guò)程來(lái)說(shuō),此時(shí)的信道是浪費(fèi)的。另外,模擬信號(hào)對(duì)噪聲較為敏感,白噪聲也不能被過(guò)濾出來(lái)。(2)時(shí)分復(fù)用技術(shù)。時(shí)間分割的參量是信號(hào)占用的時(shí)間,如果能使復(fù)用的各信號(hào)在時(shí)間上互不重迭,它們就形成了一組正交信號(hào)。由于時(shí)間分割的參量互不重迭,因而只要用一組相應(yīng)的時(shí)間選通門就可以把它們分離出來(lái)。時(shí)分復(fù)用技術(shù)很適合用于數(shù)字信息傳輸。我們知道,由于信道頻帶電路技術(shù)的限制,數(shù)字信號(hào)總有一定程度的拖尾,即在窄脈沖過(guò)去之后,信道輸出端還在一些時(shí)間內(nèi)有輸出,使前后輸出的脈沖相互有影響,尤其是在當(dāng)信號(hào)頻譜寬度可與信道頻帶寬度相比擬時(shí),這種影響就更加明顯。因此,所謂的復(fù)用各個(gè)信號(hào)在時(shí)間上并不重疊的理想狀況是不存在的。只有在信道頻帶遠(yuǎn)比信號(hào)頻譜寬得多的情況下,才能接近其理想的狀況。為了不浪費(fèi)信道頻帶資源,實(shí)際使用過(guò)程中總會(huì)有某種程度的重迭。時(shí)分多路也在模擬信號(hào)傳輸中使用,例如電話、傳真、電信等信號(hào)傳輸也使用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)。各路信號(hào)的多路復(fù)用就是將每一信號(hào)的取樣依次配置在不同的時(shí)隙內(nèi)傳輸出去。如何將每個(gè)信號(hào)的取樣構(gòu)成組合信號(hào),然后加到共用的傳輸路徑,這就要采用一定的調(diào)制技術(shù)。常用的調(diào)制技術(shù),對(duì)模擬信號(hào)主要采用脈幅調(diào)制(PAM)和脈沖周期調(diào)制(PDM)以及脈位調(diào)制(PPM)。而對(duì)數(shù)字編碼信號(hào)則主要采用脈碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制。由于時(shí)分復(fù)用技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合,使得信道的利用率和傳輸率都比較高,是信道復(fù)用技術(shù)中應(yīng)用較多的一種技術(shù)。(3)碼分復(fù)用技術(shù)也即波分復(fù)用技術(shù),它是信號(hào)分割原理最典型的應(yīng)用。碼分復(fù)用技術(shù)中被分割的參量不再是簡(jiǎn)單的頻率或時(shí)間,而是信號(hào)的波形,即碼的結(jié)構(gòu)。由于各信號(hào)的頻譜或時(shí)間或二者都不再是互不重迭,因此,信號(hào)的分割就不那么直觀。碼分多路復(fù)用技術(shù)是在發(fā)信端對(duì)各信號(hào)先分割進(jìn)行某種編碼變換,使變換以后的各路信號(hào)形成某種正交信號(hào)組,然后混合傳輸。收端使收到的復(fù)合信號(hào)與參考正交信號(hào)組中每個(gè)信號(hào)分別作點(diǎn)積;由于兩個(gè)信號(hào)矢量相同時(shí)它們的點(diǎn)積等于1,兩個(gè)信號(hào)矢量相互正交時(shí)它們的點(diǎn)積等于零,利用收到的復(fù)合信號(hào)中所含各個(gè)信號(hào)的正交性,就可以從復(fù)合信號(hào)中分離出各個(gè)信號(hào)來(lái)。從正交的定義可以得知,符合正交條件的正交系是很多的。如三角函數(shù)正交系、沃爾什函數(shù)和正交多項(xiàng)式等。這三種正交系都早已在實(shí)際技術(shù)中得到了應(yīng)用。而且,碼分復(fù)用的具體方式繁多,無(wú)論在模擬或數(shù)字信號(hào)傳輸方面都得到了廣泛的應(yīng)用。3頻分多址通信多址通信技術(shù)就是通信網(wǎng)中各個(gè)通信臺(tái)站之間利用同一指定的射頻通信,進(jìn)行相互間的多邊通信。而多址通信的技術(shù)基礎(chǔ)就是上述信道復(fù)用技術(shù)。或者說(shuō)多址通信是信道復(fù)用技術(shù)的一個(gè)實(shí)例。多址通信方式特別適用于衛(wèi)星通信的需要。眾多衛(wèi)星地面站利用衛(wèi)星的同一個(gè)信道進(jìn)行多邊通信。多址通信也即各地面站對(duì)衛(wèi)星上同一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的復(fù)用方式。按復(fù)用方式來(lái)區(qū)分多址通信方式的類型有頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址和空分多址等幾種。從廣義上講,這些多址通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都是基于對(duì)信號(hào)的某種參量——例如頻率、時(shí)間、波型(碼型)和空間,進(jìn)行一定的分割和識(shí)別,以達(dá)到多址通信的目的。頻分多址通信的技術(shù)基礎(chǔ)就是頻分復(fù)用技術(shù)。各地面站發(fā)出的射頻信號(hào)在頻譜上互不重迭地排列,每個(gè)站的多路信號(hào)按頻分復(fù)用方式組成群頻,然后對(duì)統(tǒng)一分配的射頻進(jìn)行調(diào)頻。各站使用的載波射頻互不相同,但都分別在一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的信道內(nèi)占有相應(yīng)的位置。這種通信方式設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟,但存在交擾調(diào)制,產(chǎn)生串話干擾。時(shí)分多址通信技術(shù)就是各地面站發(fā)射的信號(hào)在轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)在時(shí)間上互不重迭,則每個(gè)時(shí)刻始終只有一個(gè)地面站的信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器?？梢钥闯?它的技術(shù)基礎(chǔ)就是信道的時(shí)分復(fù)用技術(shù)。這種通信方式的主要優(yōu)點(diǎn)是避免了交調(diào)干擾,充分利用了衛(wèi)星功率和衛(wèi)星的通信頻帶,大小站易于兼容,易于按需分配時(shí)間,可以適應(yīng)瞬時(shí)業(yè)務(wù)量的大小變化。由于這幾種通信方式具有很多優(yōu)點(diǎn),從20世紀(jì)60年代開(kāi)始,國(guó)際通信衛(wèi)星組織、通信衛(wèi)星公司、電信衛(wèi)星公司、歐洲空間技術(shù)中心/歐洲空間局等組織以及法國(guó)、德國(guó)和加拿大等國(guó)都采用這種通信方式,并不斷加強(qiáng)對(duì)這方面技術(shù)的研發(fā)使用。碼分多址通信的特點(diǎn)是各站所發(fā)的信號(hào)往往同時(shí)占用整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的頻帶,而發(fā)射的時(shí)間是任意的。所以,各個(gè)地面站所發(fā)射出的信號(hào),在時(shí)間上和頻率上都可能會(huì)相互重迭,信號(hào)的分割是靠它們?cè)诖a型(波形)結(jié)構(gòu)上的正交特性來(lái)區(qū)分的。因此,它的技術(shù)依據(jù)就是信道碼分復(fù)用技術(shù)。對(duì)于某一個(gè)地面站發(fā)出的信號(hào),只有與之相匹配的接收機(jī)能夠檢測(cè)到它。這種多址通信信號(hào)的基本調(diào)制方式是擴(kuò)頻調(diào)制,即發(fā)射信號(hào)所占帶寬比基帶信息大幾十倍,甚至上百倍,所以碼分多址又稱頻譜展寬多址。因此,這種通信方式具有頻譜展寬系統(tǒng)很多的優(yōu)點(diǎn),例如抗干擾能力強(qiáng)、保密性好,解調(diào)信號(hào)的設(shè)備比較簡(jiǎn)單,通信的接續(xù)相當(dāng)靈活,只要用戶數(shù)不超過(guò)額定界限,任何一個(gè)通信站的加入或退出都十分靈活方便,而且當(dāng)通信用戶減少時(shí),通信質(zhì)量就會(huì)自動(dòng)提高。它的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率不高,不能充分利用頻帶;同時(shí)需要收發(fā)方之間嚴(yán)格同步;