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通訊系統/頻分複用

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事實證明,許多電線擁有比當前傳輸訊號所需的頻寬高得多的頻寬。例如,模擬電話傳輸只需要 3000 Hz 的頻寬來傳輸人聲訊號。然而,在短距離內,雙絞線電話線可用的頻寬接近 100000 Hz!

如今,部署了多種基於地面無線電的通訊系統。它們包括

  • 蜂窩無線電
  • 移動無線電
  • 數字微波無線電

移動無線電服務於 1946 年首次在美國聖路易斯推出。該系統本質上是一個無線電排程系統,由一名操作員透過交換機將呼叫者連線到 PSTN。後來,一種改進的行動電話系統 IMTS 允許使用者撥打自己的電話,而無需操作員。這最終發展成為我們今天看到的蜂窩無線電網路。

長途 PSTN 和分組資料網路使用各種傳輸介質,包括

  • 地面微波
  • 衛星微波
  • 光纖
  • 同軸電纜

在本節中,我們將關注地面微波系統。最初,微波鏈路完全使用 FDM 作為接入技術,但最近的發展正在將模擬系統轉換為數字系統,其中 TDM 更合適。

固定接入分配

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可以使用三種基本方法將客戶組合到固定通道無線電鏈路中

  • FDMA - (分頻多重進接接入) 模擬或數字
  • TDMA - (分時多重進接接入) 三個通話路徑在單個載波上以 6.7 毫秒的時間片進行時分複用。
  • CDMA - (分碼多重進接接入) 這利用擴頻技術來提高使用者密度。發射機在偽隨機頻率序列中跳躍。接收機被提供序列列表,並能夠跟蹤發射機。隨著系統中新增更多使用者,信噪比將逐漸下降。這與 AMPS 形成對比,在 AMPS 中,一旦分配了所有頻率,使用者將被拒絕訪問 [僅限數字]。

什麼是 FDM?

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頻分複用 (FDM) 允許工程師利用每條電線中的額外空間來傳輸多個訊號。透過將某些訊號的頻率偏移一定量,工程師可以將該訊號的頻譜向上偏移到該電線上未使用的頻帶。這樣,可以將多個訊號承載在同一條電線上,而無需像時分複用方案那樣劃分時間片。在模擬傳輸中,訊號通常使用頻分複用 (FDM) 進行復用,其中載波頻寬被分成不同頻率寬度的子通道,每個子通道同時承載一個訊號,並行執行。

傳統的陸地微波和衛星鏈路採用 FDM。雖然電信中的 FDM 正在減少,但一些系統將繼續使用這種技術,即:廣播和有線電視,以及商業和蜂窩無線電。

模擬載波系統

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標準電話語音訊帶 [300 – 3400 Hz] 透過單邊帶幅度調製異頻轉換並堆疊在高頻載波上。這是可能實現的最高頻寬效率方案。

模擬語音通道預先分組為三組,並透過 12、16 和 20 kHz 的載波異頻轉換。然後,四組這樣的預分組產生的上邊帶透過 84、96、108 和 120 kHz 的載波異頻轉換,形成 12 通道組。

由於在下混頻階段選擇了下邊帶,因此通道順序被顛倒,並且每個通道內發生頻率反轉。

這個過程可以繼續進行,直到同軸電纜或微波鏈路上的可用頻寬耗盡。

在北美系統中,有

  • 每組 12 個通道
  • 每超級組 5 個組
  • 每主組 10 個超級組
  • 每巨型組 6 個主組

在歐洲 CCITT 系統中,有

  • 每組 12 個通道
  • 每超級組 5 個組
  • 每主組 5 個超級組
  • 每超級主組 3 個主組

還有一些其他的 FDM 方案,包括

  • L600 - 600 個語音通道 60–2788 kHz
  • U600 - 600 個語音通道 564–3084 kHz
  • L3 - 1860 個語音通道 312–8284 kHz,由 3 個主組和一個超級組組成
  • L4 - 3600 個語音通道,由六個 U600 組成

FDM 的優勢

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FDM 允許工程師透過相同的通道同時傳輸多個數據流,但以頻寬為代價。因此,FDM 提供了一種折衷方案:更快的速度,但更少的頻寬。此外,解複用 FDM 訊號需要一系列帶通濾波器來隔離每個獨立的訊號。帶通濾波器相對複雜且昂貴,因此 FDM 系統中的接收器通常很昂貴。

FDM 的例子

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作為 FDM 系統的一個例子,商業廣播無線電 (AM 和 FM 無線電) 同時透過無線電波傳輸多個訊號或“電臺”。這些電臺都獲得了自己的頻率範圍,無線電可以調諧到接收每個不同的電臺。另一個很好的例子是有線電視,它同時傳輸所有頻道,而電視“調諧”到它想要觀看的頻道。

正交 FDM

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正交頻分複用 (OFDM) 是 FDM 的一種更現代的變體,它使用正交子載波來傳輸資料,這些資料在頻譜中不重疊,並且能夠使用頻率方法分離出來。OFDM 與傳統 FDM 系統具有類似的資料速率,但對噪聲和通道衰落等破壞性通道條件具有更高的抗干擾能力。

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