FDMA TDMA CDMA.docx

FDMA TDMA CDMA.docx

《FDMA TDMA CDMA.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《FDMA TDMA CDMA.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

FDMATDMACDMA

FDMA、TDMA与CDMA通讯技术彻底研究

FDMA、TDMA与CDMA这些通讯技术在目前的通讯市场上仍有着很大的影响力，由其在行动电话方面，下面我们先简单介绍一下这些技术的差异性，接着深入讨论其工作原理与控制方法。

何谓FDMA、TDMA、CDMA？

多重接取（MultipleAccess）技术，依方式分有FDMA、TDMA、CDMA三种。

多重接取的功能主要是作为控制频宽资源之用，由于行动电话使用的无线电频宽十分有限，并不像有线网络只要抽换或加铺线路即可增加频宽，因此频宽的使用必须随机调配，也就是用户要打电话时，系统才指派频宽给用户使用，并于通话结束后取回频宽，以便指派给稍后要打电话的用户使用。

FDMA的方式是在频率上直接切割，将全数频宽切成每个等宽带带的信道，每个信道可供一个用户使用。

TDMA（如GSM）则是先切成几个略小的频带（此一动作不是必须的，试系统而定），然后每个频带上再切割成时间等长的时槽（Slot），若干个时槽再结合成讯框（Frame），每个讯框的第一号时槽组成TDMA的第一号通道，其余依此类推，每一信道供一用户使用，如此不同用户的讯号便不至于重迭。

一个行动电话系统之容量就像一间会议室的空间，FDMA及TDMA就像是将大会议室分隔成许多小会议室，用户要用时，就分派给一间小会议室，如此可以给多用户使用；而CDMA则是不隔间，但不同用户使用不同的展频码（SpreadingCode）来调变，接收器可依不同展频码来过滤掉其它用户讯号而取出需要的信息。

Bellsouth工程处长KeithRadousky指出，CDMA好比在一间房间中，同时有一组人用中

文交谈而另一组人用英文交谈，彼此会有干扰的产生，即在中文听者耳中英文只是较大的噪音而已，并不会影响到听中文的辨识能力，因此可以在同一时间、空间，有多组人用不同语言交谈。

但当数目多到一定程度时，彼此距离必须拉近才能听见，此时涵盖率相对降低，容量亦受限制。

参考数据：

TDMA/CDMA行动电话技术的演进

FDM（FrequencyDivisionMultiplexing划频多任务）与TDM（TimeDivisonMultiplexing划时多任务），在FDM中，频谱被划分成若干个逻辑频道，而每个使用者有他专用的频带。

在TDM中，使用者轮流使用（以轮回的方式），每个人周期性地在很短时段内取得完整的频宽。

AM无线电广播是兼具有这两种多任务法的实例，AM无线电所分配的频谱大约是1MHz，大致是从500KHz到1500KHz，不同的频率分配给不同的逻辑频道（电台），每个频道都只用到频谱的一部份，频道与频道之间都有足够区隔频带以防止干扰，这就是划频多任务的一个范例。

除此之外，在某些国家，各个电台都有两个逻辑次频道：

音乐与广告，这两个逻辑次频道在同样的频率下按时间来交替拨放；先拨放一小段音乐，接着是一小段广告，接着又是音乐，又接着广告，依此类推，这种情况就是划时多任务。

接着介绍运用FDM与TDM的FDMA跟TDMA。

FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）

图2-24所示就是利用FDM来将三个音频级电话频道加以多任务化的情形。

滤波器将每个音频级频道的可用频宽都限制在大约3000Hz，当许多频道被多任务整合在一起时，每个频道都分配到4000Hz频宽以便让各个频道能保持适当的距离。

一开始先将语音频道以不同的频率加以提升，然后再将它们组合，这是因为每个频道各占频谱不同的部分。

值得注意的一点是，即使频道与频道之间都有间隙（保护频带），但是相邻频道之间难免会有一些频带重迭的现象发生，这是因为滤波器的边缘并非都是陡直的，这个重迭的地方意味着在两个频道边缘的强力突波会让相邻频道感觉出来而认为这是非热流噪声（nonthermalnoise）。

世界上所使用的FDM方法已经有某种程度的标准化，其中较广泛采用的标准是将12个4000Hz的声音频道（3000Hz供使用者传送数据，另外两边各加上500Hz的保护频带）以多任务方式在60至108KHz的频带上，以这样的规划为一个单位，并称为一个群（group）。

至于由12至60的这一段频带也许是由另一个群所使用。

许多公司便是根据这种群的分配方式，提供48至56Kbps的专线服务给顾客。

此外，五个群，即六十个声音频道可以再经由多任务方式而结合成一个超群（supergroup），下一个单位则称为主群（mastergroup），他是由五个超群（CCITT标准）或是十个超群（Bell标准）所组成。

其它如多达230,000的声音频道标准亦曾被提出。

对于一个光纤频道，仍旧使用类似之划频多任务，称作WDM（WavwlengthDivisionMultiplexing，波长分段多任务）。

在光纤上达到FDM的方式，如图2-25所示，两条光纤集会至一棱镜（或者说是一绕射栅栏），每条光纤在不同的频带有自己的能量，这两道光束经过该棱镜或栅栏，组合成一新的光束，并经由单一之共享光纤，将此新的光束传送至目的地，之后再分成两道光束。

其实这方法并没有很创新的想法，只要每个频道有自己的专属范围，并且互不重迭，即可将这些频道多任务在一条长距离光纤上唯一与电流形式之FDM的差异，在于使用绕射栅栏的光纤系统是完全被动的，因此所传输数据的正确度相当高。

值得注意的，WDM之所以如此受到欢迎，因为在一条光纤上的能量通常只有数千个兆赫频宽，在目前的技术，电器与光纤介质之间转换速度不会高于这个值，光纤频宽大约是25,000GHz，因此在长距离路径传输上，可将多个频道多任务在一起，唯一的必要条件是，每个频道均需使用不同的频率。

WDM技术可应用在如前所述之FTTC系统，原先，电话公司以光纤连接终端局至邻近接合匣，而接合匣至各个住家以双绞线连接，多年之后，当光纤价格降低且所需之传输频宽提高时，该双绞线会被光纤所取代，所有该区域回路连接上光纤，并且在终端局之间以WDM方式执行。

在图2-25的范例中，我们是采用固定式波长系统，由光纤1来输入比特流会被传送到光纤3，而由光纤2来之比特流传送到光纤4，由光纤1来的比特流不可能会被传送至光纤4。

然而我们亦可采用一交换式之WDM系统，在此装置中，有很多条输入及输出光纤，由任何一条输入光纤来的数据，可被传送至任何一条输出光纤。

基本上，该连接器是一被动式星体，来自任何一条输入光纤的光会照亮整个星体，虽然亮度会因此而减为原来的1/n（假使有n条输出光纤），但该系统足够提供上百个频道。

当然，假使来自任何一条输入光纤的光，其波长为1.50206微米，且其均有可能被传送至任何一条输出光纤，因此在所有输出光纤处，均需要一可调滤光器（opticaltunablefilter），当其中一条输出光纤被选为输出时，则该滤光器的波长被设定为1.50206微米。

Fabry-Perot或Mach-Zehnder干扰仪可作为该可调滤光器，另一种方法，是将输入光纤设计为可调波长，而输出光纤则设定为固定波长。

若将两者皆设定成可调，则是没有必要的，而且不值得。

TDMA（TimeDivisonMultipleAccess）

虽然FDM技术仍在铜线频道或微波频道上使用，它需要一模拟电路，且不是在计算机上所能办到的，相形之下，TDM技术可完全用数字电子来制作，因此，该技术这几年来广泛地被使用，很不幸的，该项技术只能应用在数字数据上，因为区域回路上所传递的是模拟讯号，所以在终端局交换机，即所有个别区域回路与输出主干之交会点，必须作模拟至数字的转换，接着我们介绍多少条模拟音讯会被数字化，以及如何合并在一条数字形式之输出主干（请记得，计算机数据经由调制解调器送出至终端局之交换机处，其讯号是模拟的）。

此一模拟讯号在终端局使用加码译码器（codecoder-decoder）加以数字化，而产生七位或八位之数字（参阅图2-17）。

加码译码器每秒对模拟讯号取样8000次（125微秒/取样），因为奈奎（Nyquist）定理这么说道，每秒取样8000次就足以将频宽为4KHz之电话频道频宽的所有信息加以还原，较低的取样速率，部分数据将会遗失，较高的取样速率，亦不会获得额外的信息。

这种技术称做[搏码调变]（PCM:

PulseCodeModulation）。

PCM是数据电话系统的核心，因此电话系统的时间区间均取为125微秒的倍数。

当数字传输已变成一种可行的技巧时，对于PCM技术，CCITT却不能就国际标准达成一致的协议。

因此，世界上有许多国家目前使用多种互不兼容的系统，互不兼容国家之间的国际连接需要（通常是非常昂贵的）"黑盒子"来将发讯国家的系统转换成受讯国家的系统。

目前在北美及日本广泛地被使用的一种方法是T1载波，如图2-26所示。

（以技术层面来说，该规格称做DSI，而其载波称做T1，但在此我们不做如此细部分别）。

T1载波可将24个语音频道多任务化在一起，通常模拟讯号周期性地以轮回方式加以取样而形成多任务化的模拟讯号流以馈入加码译码器，而不是24个各别的加码译码器再产生个别的数字输出。

24个频道中，每个频道轮流读取8位至输出流内，其中有七个位是数据，其余的一个位是控制，因此每个频道每秒有7*8,000=56,000bps的资料及1*8,000=8,000bps的发讯信息。

每个信息框架有24*8=192个位，外加一个加框位，而产生每125微秒有193个位的信息框架，因此产生1.544Mbps的总数据速率。

第193个位是做同步之用，其位式样为0101010101...。

通常，受讯器会不断地检查这个位以确保能同步。

如果发生不同步的情况时，受讯器会扫描以寻找这个位型态以便再求取同步。

模拟用户不能产生此一位型态，因为它相当于4000KHz的正弦波，而它会被滤掉。

数字用户可以产生此一位型态，但是当发生信息框不同步时，就会有不利的情况发生。

当该T1系统用来传输纯数据讯号时，只有前23个频道是用来传输数据，第24个频道用来作为传输特殊的同步型态，以利当信息框架不同步时，很快地就能恢复同步。

当CCITT最后终于达成一致的协议，他们觉得8000bps的发讯信息是太多，所以他们的1.544Mbps标准是根据八位而不是七位的数据项来制定的，亦即，模拟讯号是以256种分开的准位而不是128种分开的准位来加以量化。

他们提供两种（不兼容的）变形方式：

在公共频道发讯（common-channelsignaling），在奇数框架中，多出的额外位（他们是加在193位之数据框架的后面而不是前面）取值为10101010...，而在偶数框架中所多出额外位就包含着所有频道的发讯信息。

另外一种叫做频道附属发讯（channelassociatedsignaling）的变形方式，每个信道有它自己专用的发讯子频道。

专用子频道是从每6个数据框中，拨出8个使用者位中的一个位作为信息之用，因此六个取样中有五个取样是8位的宽度，而其余的一个取样是七位的宽度。

CCITT也有建议使用2.084Mbps之PCM载波的建议书，称作E1。

此一载波是将32个8位之数据取样包装成基本的125微秒信息框架。

32个频道中的30个频道是做信息之用，其余两个频道则作发讯之用，每四个数据框架为一群可提供64个发讯位，其中一半是做频道附属发讯之用，另一半则作为同步之用或保留给各个国家试需要而定。

北美和日本以外的国家，大都使用2.048Mbps载波。

一旦语音讯号被数字化之后，就可尝试用统计技巧来减少每个频道所需的位个数。

这技巧不仅适用于语音的编码，也适用于任何模拟数据的编码。

所有的压缩做法都是依据讯号的变化比起取样频率来得慢的的原则所发展出来的，因此就七位或八位之数字准位而言，许多信息是相当多余的。

有一种叫做差动搏码调变（differentialpulsecodemodulation）的方法是输出的值为现值与前一个值的差而不是数字化的波幅。

由于在128个准位的编码系统，先后两个值的跳动差距不太可能超过正负十六或更多，因此只需要5个位就够了，而不需要用到7个位。

如果讯号偶而有异常大的波动，则编码逻辑需要好几个取样才能反映出这种变化，对语音而言，它所导致的误差可忽略不记。

此一压缩法的另一种大同小异做法是要求每个被取样的值都必须与它的前一个值差+1或-1，因此只需要传输单一一个位来告知信的取样使比前一个取样高或低。

这种技巧称为三角差动调变（deltamodulation），如图2-27所示。

如同所有的压缩技巧一样，都是假定相邻取样的准位变化相当和缓。

如果讯号的变化太快，则三角差动编码法就会有麻烦，如图所示，当这种现象发生，信息将会遗失。

有种差动的PCM改进作法是根据前几个值来预测下一个值，然后将实际讯号值与预测值之间的差将以编码。

当然发讯器和受讯器必须使用同一种预测方法。

这种方法叫做预测编码（predictiveencoding）。

因为这种做法可以减少编码所需的位数，也就是可以减少传送的位数，所以这种做法很管用。

虽然PCM被广泛使用于局间干线，但是计算机使用户却受益不多，如果他必须以28.8kbps速率将调变后之模拟正弦波式的数据传送给他的终端局。

如果电信公司可以将区域回路直接接到PCM干线系统上就相当理想，如此一来，计算机能够以1.544或2.048Mbps的速率将数字数据直接输出到区域回路上，很不幸地，以这样的速率，区域回路的长度将不能很长。

划时多任务法允许将多个T1载波多任务化成一更高层次的载波，图2-28显示这种方法。

在图左侧，4个T1频道被多任务化成一个T2频道，T2（含以上）的多任务化是以位紧接位方式完成。

4个T1（每个1.544Mbps）之传递速率将会是6.176Mbps，但真正T2的传输速率有6.312Mbps，其它多余的位适用来作加框及当框架不同步时，再取同步之用。

接着，6个T2之数据流将以位紧接位方式构成一T3数据流。

七个T3数据流混合成一T4数据流，在每个步骤中，些微之额外位是用来作加框及再同步之用。

如同在美国或其它国家，对基本载波很少有一致的协议一样，对于如何将基本载波多任务化成较高频宽的载波同样也很少有一致的协议，在美国，原先是想以如2-28，4T1，6T2，及7T3之多任务化方式，但并没得到每个人的认同。

后来CCITT的标准是在每个步骤的多任务里，均采用四个输入数据流。

同样在各个国家，用来作加框及数据回复功能的方式也有所不同，在CCITT体系里，32,128,512,2048及8192个频道其传输速率分别为2.048，8.848，34.304，139.264，及565.148Mbps。

划码多路进接是一种展频（SpreadSpectrum）技术的应用，大致可分为两大类。

其中直接序列（DirectSequence）是将所有用户讯号利用特定编码扩展在同一个宽带范围内；而频率跳跃（FrequencyHopping）则是用户传送之讯号于固定时间在许多频段间以特定方式跳跃。

划码多路进接技术由于具有极佳之保密性及抗干扰性，因此公元1960年代便被使用在军事用途上，近年来更被研究应用在细胞式行动通信系统上，可以提高其用户容量。

优点

∙能有效解决因「多重路径导致的讯号模糊」及「其它使用者所造成的干扰」的一种展频技术

∙能建构在其它展频技术上，诸如:

FH/CDMA、DS/CDMA

∙提供一种自然的方式将突发性数据过滤

∙提供更高的网络容载量以及更简单的频率管理办法

∙利用每一频道的基本编码会互相正交之特性做运算，大大降低其它频道可能造成之干扰

CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）

                                                                                CDMA操作示意图

GSM对频道分配来说，可以描述为一种非常手段。

它使用现成各种技术（ALOHA,TDM,FDM）混合成一种复杂的方法，其中之一便是CDMA（编码划分多存取），它和前面所讨论的分配技术完全不同，这些技术中，有些是将频道分割成频率的频带，然后以静态方式指定（FDM），或是依据需求方式指定（波长划分多任务），且拥有者可无限制使用频道，其它则以突发量来分配频道，并以静态方式给予工作站整个频道（含有固定时槽的TDM）或以动态方式（ALOHA）。

CDMA则允许任何工作站在任何时间，可在整个频谱上传输。

多个同时间传输可藉由编码理论来区隔，CDMA同时也不假设碰撞的框架全然会受干扰。

相反的，它假设多个讯号可以线性方式加在一起。

在进入算法之前，先让我们看看鸡尾酒会频道存取的理论。

在一个大房间内，有许多人正在交谈，TDM的方式就是所有的人集中在房子中间，但是大家轮流交谈，也就是先和某人说完后，再和另一人交谈；FDM则是将人群分成好几团，每一团同时之间都有自己的对话，但团与团之间是独立开来的。

CDMA则是让大家集中在一起聊天，但每一对所说的语言都不同，说法语的这一对只认定法语，并将其它声音视为噪声。

因此CDMA主要重点在于能够萃取出自己想要的讯号，并将任何其它东西视为随机噪声。

CDMA将每个位时间再切割为m个短区间称为薄片（chips）。

典型每个位分成64或128个薄片，但在下面的例子，为了简化，我们使用8薄片/位。

每个工作站指定一个唯一的m-位码或薄片顺序（chipsequence）。

要传输位1，则工作站送出自己的薄片顺序。

要传输位0，则工作站送出自己薄片顺序的「一的补码」。

其它型态则不被允许。

因此，若m=8，且工作站A的薄片顺序为00011011，则送出00011011当送出位1，而位0则送出11100100。

要将传送的信息量由b位/秒增加至mb薄片/秒，只有在可用频宽增加为m倍时才可行。

这使得CDMA成为一种扩散频谱的通讯形式（假设调频或编码技术不改变）。

假设有一1MHz频带可供100个工作站使用，如果使用FDM，则每个可拥有10KHz且传送速率为10KBps（假设每Hz为1位）。

使用CDMA，则每个工作站可使用全部1MHz，因此薄片速率为每秒1mega薄片。

如果每个位少于100个薄片，则对CDMA来说，每个工作站有效频宽会比FDM还要高，同时频道分配的问题也可以获得解决。

为了教育的目的，使用两极表示法会比较方便，其中二进制的0以-1表示，二进制的1则以+1表示，并将薄片顺序显示在括号内。

因此工作站位1现在变成（-1-1-1+1+1-1+1+1），图4-16（a）的范例显示四个工作站所指定的二元薄片顺序。

图4-16（b）则显示我们的两极表示法。

每个工作站都有唯一的薄片顺序。

设符号S代表工作站S的m-薄片向量，且-S代表其负数，所有薄片顺序中，任何一对都是垂直的（orthogonal）

，表示任两个不同的薄片顺序的常态内积，SandT（写作S?

T）为0。

以数学表示式

说的白话些，每一对中，每个对应顺序都是不同的。

这种垂直的特性，稍后还会再详细证明，请注意S‧T=0则-S‧T也是0。

任何薄片顺序自

己的常态内积为1：

这是因为每一项的内积皆为1，因此总和为m。

同时也请注意S?

-S=-1。

在每个位时间内，工作站可送出自己的薄片顺序代表传输1，或是送出反向薄片顺序代表传输0，或者肃静表示不传送任何东西。

此时我们假设所有工作站在时间上都是同步的，因此所有薄片顺序都会以同样的时间开始传送。

当有两个或多个工作站开始传输，他们彼此的两极讯号会以线性方式相加，例如在某个薄片期间，共有三个工作站输出+1，一个工作站输出-1，则结果为+2。

我们可以想象这种行为像是电压相加：

三个工作站输出+1伏特，一个工作站输出-1伏特，结果为两伏特。

图4-16（c）中共有六个例子，其中各有一或多个工作站同时传输，在第一个例子中，C只传输一个位，所以只得到C的薄片顺序。

在第二个例子中，B和C传输位1，因此得到两者两极薄片顺序的总和：

（-1-1+1-1+1+1+1-1）+（-1+1-1+1+1+1-1-1）=（-2000+2+20-2）

在第三个例子中，工作站A送出一个位1而工作站B送出位0，其它则保持肃静。

在第四个例子中，工作站A和C送出一个位1而工作站B送出位0。

在第五个例子中，所有四个工作站则送出位1。

最后的例子中，A,B和D送出位1，C送出位0。

请注意在图4-16（c）的六个顺序S1到S6，每一个只代表一个位时间。

要复原每个工作站的比特流，接收端必须事先知道发送工作站的薄片顺序，复原的计算是将接收到的薄片顺序（所有传输工作站的线性总和）与

想要复原之工作站的薄片顺序，两者作一个常态内积，如果接收到的薄片顺序为S，而接收端所想要监听的工作站，其薄片顺序为C，接收端只需计算常态内积S‧C。

要了解为什么可行，想象两个工作站A,C同时传输位1，而B传送位0。

接收端看到总和：

S=A+-B+C然后计算

S‧C=（A+-B+C）‧C=A‧C+-B‧C+C‧C=0+0+1=1

前两项会消掉，这是因为每一对薄片顺序都是垂直的。

考虑另一种情况，想象三个薄片顺序接踵而来，而不是相加。

接收端会各别计算每个的内积，然后将结果加起来，由于垂直的特性，除了C‧C外，所有的内积都会是0。

先相加再做内积其实和先内积再相加是一样的。

为了让译码程序更清楚，让我们在考虑图4-16（d）的六个例子，假设接收端从六个总和，S1到S6中，只对从工作站C送出来的位感兴趣，将每

一对接收到的S与图4-16（b）的向量C相乘，然后加总来计算每个位。

然后取1/8的结果（此处m=8），如所示，每次正确的位被译码出来，这

就好像是在说法语一般。

在理想无噪声的CDMA系统中，容量（也就是工作站的数目）可以任意的大，如同无噪声Nyquist频道的容量，藉由每次采样更多的位，就可以设成任意大小。

事实上，实际的限制会大大降低容量。

因已假设所有薄片在时序上都是同步的，真实世界中，这是无法达到的。

唯一方法是让传送端送出足够长的已知薄片顺序，让接收端锁定，达到同步化的目的。

其它所有异步传输，则被视为随机噪声。

如果异步传输不是太多，则基本的译码算法仍然可行。

现已存有许多的理论，讨论有关薄片顺序重迭与噪声程度之间的关系。

如所预期的，薄片顺序越长，在噪声的环境中，侦测出正确性的机率越高，如果需要额外的安全性，则可在位顺序内增加错误修正码，但在薄片顺序内从不使用错误修正码。

以上的讨论隐含着一个假设，接收端监测到所有工作站的功率都是相同的。

CDMA主要用于无线系统中，含有一个固定的基地台，以及许多的行动工作站，距离基地台的距离都不一样。

基地台所接受功率的大小需视传输器远近而定。

一种比较好的想法是，每个行动工作站传送基地台的功率，应与从基地台接收的功率相反，因此当行动工作站从基地台接收微弱的讯号，则应该比在接收较强讯号时，发送更强的功率。

基地台也可以送出命令至行动工作站要求增加或减少传输功率。

我们也假设接收端都知道传送端是谁，基本上，只要计算能力够，可以为所有传送端并行计算译码算法，如此接收端就能监听所有的传送端。

但实际生活中，说的都比做的容易。

CDMA同样还有许多复杂的因素，但在这边介绍中，都是一语带过。

虽然如此，CDMA还是一个非常巧妙的方法，并迅速的引进无线行动通讯上。

FDMA、TDMA与CDMA之优缺比较

FDMA

划频