《多址技術(shù)》PPT課件.ppt

1、1,第4章 多址技術(shù),2,提要,一、多路復(fù)用和多址接入 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、ALOHA,3,4,一、多路復(fù)用和多址接入,多路復(fù)用：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。,常見的多路復(fù)用方式有 頻分復(fù)用FDM 時分復(fù)用TDM 碼分復(fù)用CDM 波分復(fù)用WDM,5,多址接入：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。 多址接入和多路復(fù)用的關(guān)系：理論基礎(chǔ)都是信號的正交分割原理。但多址接入是指多個電臺或通信站發(fā)射的信號在射頻

2、信道上的復(fù)用，以達(dá)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)的多路低頻信號在群頻信道（即基帶信道）上的復(fù)用，以達(dá)到兩個臺、站之間雙邊點對點的通信。,6,常見的多址接入 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

3、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。,7,8,多路復(fù)用,多址技術(shù),9,雙工方式,雙工是指通信雙方能夠同時進(jìn)行雙向傳送消息的一種通信方式。 頻分雙工（FDD）：收發(fā)頻率分開，接收設(shè)備通過濾波器分離各路信號 特點：需要合理安排頻率 時分雙工（TDD）：收發(fā)共用一個頻率，收發(fā)信號通過開關(guān)來控制 特點：收發(fā)存在時間間隔,10,不同系統(tǒng)的多址技術(shù),11,4.2 頻分多址(FDMA)技術(shù),當(dāng)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。 各地球站配置不同的頻率，這種頻率配置可以是預(yù)先固定指配的，也可以

4、是按需分配的。 根據(jù)是否使用基帶信號復(fù)用，可分為多路單載波(MCPC)和單路單載波(SCPC)方式。,12,13,4.2.1 MCPC和SCPC,多路單載波-頻分多址(MCPC-FDMA)方式 每個地球站分配一個專用載波，首先把所有要發(fā)射的基帶信號復(fù)用在一起，然后調(diào)制、上變頻，將頻率變換到指定頻率 ，最后再以FDMA方式發(fā)射和接收。因此，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的每個載波所傳送的是多路信號。,14,15,單路單載波-頻分多址 (SCPC-FDMA)方式 在一路載波上只傳送一路話音或數(shù)據(jù)。 特點： 可采用“話音激活”技術(shù) 可減小互調(diào)干擾 可實現(xiàn)數(shù)模兼容，提高使用的機(jī)動性和靈活性。 由于這種系統(tǒng)設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)靈

5、活、線路易于改動，特別適用于站址多，業(yè)務(wù)量小的場合應(yīng)用。,16,4.2.2 FDMA的非線性效應(yīng)和交調(diào)干擾,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中采用了高功率放大器(HPA, High Power Amplifier)，F(xiàn)DMA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) 。 為了提高功率效率，很多高功率放大器工作組飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致了非線性效應(yīng)。,17,18,轉(zhuǎn)發(fā)器在多載波工作時，由于放大器的非線性，從而將產(chǎn)生各種新的組合頻率成分，這些組合頻率有時會恰好等于或接近有用信號頻率而順利通過接收機(jī)，就會產(chǎn)生干擾，稱為互調(diào)干擾，從而使接收機(jī)的信噪比惡化，降低通信質(zhì)量。 為了避免交調(diào)干擾

6、，所有載波的總功率應(yīng)該不超過轉(zhuǎn)發(fā)器的線性功率，以使轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性條件下。因此，發(fā)射功率輸出電平要比飽和點電平足夠低 (稱電平“回退”補(bǔ)償)，以保證HPA的線性，因此功率利用率不高。,19,FDMA的優(yōu)點 技術(shù)成熟、設(shè)備簡單、不需網(wǎng)同步、工作可靠、可直接與地面頻分制線路接口、工作于大容量線路時效率高，特別適用于站少而容量大的場合。,20,FDMA的缺點： 任一地球站為了能接收其他地球站的信號，都必須設(shè)有除本站外的所有下行頻率的接收電路； 轉(zhuǎn)發(fā)器要同時放大多個載波，容易形成互調(diào)干擾。為了減少互調(diào)干擾，必須進(jìn)行電平“回退”補(bǔ)償，功率利用率不高； 需要保護(hù)頻帶，故頻帶利用率不高。 各上行鏈路功率電平

7、要求基本一致，否則容易引起強(qiáng)信號抑制弱信號現(xiàn)象，因此大小站不易兼容；,21,圖4-2 FDMA的地球站框圖,22,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,23,FDMA典型應(yīng)用,美國AMPS系統(tǒng)：FDMA/FDD，模擬窄帶調(diào)頻（NBFM），按需分配頻率； 同時支持的信道數(shù)： N（Bt +B保護(hù)）/ (Bc + B保護(hù)） Bt 系統(tǒng)帶寬，Bc信道帶寬， B保護(hù)為分配頻率時 的保護(hù)帶寬。,解：N（Bt +B保護(hù)）/ (Bc+B保護(hù)） （12.5+0.01）/（0

8、.03+0.01）312,例：如Bt為12.5MHz， B保護(hù) 為10KHz，Bc為30KHz，求FDMA系統(tǒng)的有效信道數(shù)。,24,4.3、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(yán)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(dá)衛(wèi)星，對系統(tǒng)定時和信號格式將有嚴(yán)格的要求。為此，

9、每幀內(nèi)的第一個子幀將由基準(zhǔn)站發(fā)出“基準(zhǔn)”子幀以作為同步和網(wǎng)控之用。,25,圖4-5 TDMA網(wǎng)絡(luò)定時的示意圖,26,圖4-6 TDMA系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)格式和框圖,27,圖4-7 TDMA系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)格式和框圖,轉(zhuǎn)發(fā)器所轉(zhuǎn)發(fā)的TDMA幀由來自各地球站的突發(fā)子幀組成，圖3-6的三個子幀分別來自A、B、C三個地球站。為了保證各子幀之間不相互重疊，在它們之間留有一定的保護(hù)時間。接收地球站在對信號進(jìn)行解調(diào)后，由分路設(shè)備分別從來自A、B、C站的信息子幀中輸出傳送給本站的數(shù)據(jù)流。,28,TDMA幀結(jié)構(gòu),29,TDMA幀的基本組成,基準(zhǔn)站相繼兩次發(fā)射基準(zhǔn)信號的時間間隔叫做一幀，在一幀內(nèi)有一個基準(zhǔn)分幀和若干信息分幀

10、，每個分幀占據(jù)一個時隙，基準(zhǔn)分幀由基準(zhǔn)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。,30,TDMA的效率,系統(tǒng)效率：在發(fā)射數(shù)據(jù)中信息所占的百分比，不包括系統(tǒng)開銷； 幀效率：發(fā)送數(shù)據(jù)比特在一幀中所占的百分比；,31,TDMA系統(tǒng)的信道數(shù),總的信道數(shù)：總的TDMA時隙數(shù)。即每一 信道的TDMA時隙數(shù)乘以有效信道數(shù)。 Nm* (Bt + B保護(hù))/(Bc+B保護(hù)） m為每個信道所支持的TDMA用戶數(shù)，Bt 為信道帶寬，B保護(hù)保護(hù)

11、帶寬，Bc用戶帶 寬。,32,例2：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=60.416M symbol/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=1792,33,4.3.2 TDMA系統(tǒng)的同步,如何保證全網(wǎng)的幀同步是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵問題！ 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，有一個基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站的時鐘是獨立的，并作為全網(wǎng)的基準(zhǔn)時鐘。系統(tǒng)中所有業(yè)務(wù)站都以

12、這個基準(zhǔn)時鐘來進(jìn)行工作。,34,幀同步包括兩方面的內(nèi)容 其一是指在地球站開始發(fā)射數(shù)據(jù)時，如何使其進(jìn)入指定的時隙，而不會對其他分幀構(gòu)成干擾，這就是分幀的初始捕獲。 其二是指如何使進(jìn)入指定時隙的分幀信號處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，即使該分幀與其他分幀維持正確的時間關(guān)系，不致出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象，這就是子幀同步技術(shù)。,35,4.4、FDMA和TDMA的特點比較,對于TDMA方式，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上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方式是對各地球站和轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行時間分隔，無需FDMA方式的多次變頻，簡化了電路結(jié)構(gòu)； TDMA方式對地球站等效全向輻射

13、功率變化的限制，沒有FDMA方式那樣嚴(yán)格；,36,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(dá)5倍）； TDMA系統(tǒng)的網(wǎng)同步復(fù)雜。,37,4.5、碼分多址技術(shù)CDMA,CDMA：利用自相關(guān)性非常強(qiáng)而互相關(guān)性比較弱的偽隨機(jī)碼作為地址信息，對被用戶信息調(diào)制過的載波進(jìn)行再次調(diào)制，使頻譜大大展寬。 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

14、用地址碼對發(fā)射信號進(jìn)行擴(kuò)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。,38,擴(kuò)頻通信的基本工作方式 直擴(kuò)方式：Direct Sequence Spread Spectrum 跳頻方式: Frequency Hopping 跳時方式: Time Hopping 寬帶線性調(diào)頻方式: Chirp Modulation,39,圖4-9 DS/CDMA系統(tǒng)框圖,40,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(jī)碼發(fā)生器的控制，在帶寬為B2的頻帶內(nèi)隨機(jī)跳變，實現(xiàn)基帶信號帶寬B1到發(fā)射信號使用的帶寬B2

15、的頻譜擴(kuò)展。,41,跳時系統(tǒng)（TH）的基本結(jié)構(gòu),信息數(shù)據(jù)送入受偽隨機(jī)碼控制的脈沖調(diào)制發(fā)射機(jī)，發(fā)射出攜帶信息數(shù)據(jù)的偽隨機(jī)間隔射頻信號。,信息數(shù)據(jù),信息數(shù)據(jù),42,碼分多址（CDMA）,43,CDMA載干比計算,在射頻端所接收的載波信號功率為每比特能量與比特率之乘積： Pr(w)EbRb 來自其他擴(kuò)頻用戶的干擾功率為其混合干擾譜密度N0與接收機(jī)輸入帶寬 W(擴(kuò)頻帶寬)之乘積： Pi(w)N0W 接收機(jī)輸入端的載干比為： C/N= (Eb / N0 )(Rb/ W ) 在CDMA中，W遠(yuǎn)大于Rb，干擾電平總是高于信號電平，即C/N為負(fù)的dB數(shù)。,44,CDMA特點,無需對各地球站進(jìn)行協(xié)調(diào)，接續(xù)靈活方便 抗干擾、抗截獲能力強(qiáng) 抗多徑衰落 頻譜利用率低，僅適于低速的數(shù)據(jù)傳輸,45,六、三種多址技術(shù)的射頻利用方式,圖4-12 FDMA、TDMA和CDMA的RF利用,46,數(shù)據(jù)通信協(xié)議 ALOHA是一種用于數(shù)據(jù)通信的隨機(jī)（時分）多址方式，用戶終端根據(jù)其需要向公用信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組，并以這種方式來競爭信道。 ALOHA協(xié)議：當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)分組需要發(fā)送時，立即向信道發(fā)送數(shù)據(jù)。如果發(fā)生碰撞，則在一個隨機(jī)時延后重傳。由于用戶發(fā)送數(shù)據(jù)完全是隨機(jī)的，競爭沖突導(dǎo)致信道利用率不高，最高達(dá)18.4%。在重負(fù)荷條件下，吞吐量急劇降低，直到為0。,七、衛(wèi)星分組數(shù)據(jù)通信協(xié)議,圖