金津村田制作所通往100%使用可再生能源工厂之路

发布时间:2023-02-23 09:46
作者:Ameya360
来源:网络
阅读量:3161

  对许多企业来说,气候变化对策已成为非常重要的课题,在制造业中,很难在包括工厂在内的全公司范围内统一思想,也很难根据每个工厂的不同情况进行项目推进和合作,这些问题已经非常明显。

  在“村田推进的气候变化对策—整个集团的举措”中,我们介绍了整个村田集团的气候变化对策,但这次我们将聚焦集团首个实现“100%使用可再生能源的工厂”——金津村田制作所实施的举措,请参与该项目的金津村田制作所的清水、酒井及新事业推进部的向井为我们介绍该项目的成功原因和成功要点。

  本次访谈内容包括:

  从“自主分散式精神”发展为“贯穿全公司”的项目

  充满首次挑战的项目和实现目标带来的集体荣誉感

  通过特有的能源管理系统控制电量

  力争实现结合气候变化对策的新型制造方式

金津村田制作所通往100%使用可再生能源工厂之路

  在“村田推进的气候变化对策—整个集团的举措”中,环境主管部门的胜间和藤原提出了“自主分散式精神”和“贯穿全公司”这两个要点,让我们从这两个关键词来看看金津村田制作所的具体举措吧。

  1. 从“自主分散式精神”发展为“贯穿全公司”的项目

  金津村田制作所 酒井:位于福井县芦原市的金津村田制作所生产高频同轴连接器、DC模块、高压电阻、蓄电池系统等。我们的优势在于基板贴装,能生产从1mm左右非常小元件到100kg左右的大型产品等各种产品。

  金津村田制作所 清水:迄今为止,我们已经参与了33种产品的生产,这在村田的工厂中也是数量特别多的。可以说产品范围广和灵活性强也是金津村田制作所的优势。此外,我们还在工厂内推进绿化活动等,一直有着强烈的环保意识,我们一直在思考是否能利用金津村田制作所的产品——All-in-One蓄电池系统来采取一些措施应对气候变化,觉得我们应该能为应对气候变化做一些事情。基于这种想法,将提高可再生能源用率的计划作为工厂方针,这就是实现100%使用可再生能源工厂的出发点。

  2. 充满首次挑战的项目和实现目标带来的集体荣誉感

  2018年底,第一项举措启动。回顾过去,这是朝着实现 100%使用可再生能源工厂的目标迈出的关键一小步。

  清水:我们决定先从金津村田制作所能做的事情开始,先迈出一小步,于是在工厂的屋顶上设置了230kW的太阳能电池板,并在厂房内设置了46kWh的All-in-One蓄电池系统。同时,为了通过项目将村田金津制作所作为一个整体所应该追求的方向渗透到工厂,我们开展了将项目与金津村田制作所的整体构想中提出的“让坚持标准的产品制造走向未来”、“以安全和健康为第一”、“质量优先、持续改进”、“与地区相结合、享受工作。”、“让客户满意”、“在村田实现学习→贡献”六大方针挂钩的活动。

  酒井:实施气候变化对策能让客户满意,并通过内部发电和内部消费帮助减轻该地区的环境负荷。该项目就是以这样的方针为基础进行的。

  2019年底,村田工厂之一的金津村田制作所起始于“自主分散式精神”的举措扩大到“贯穿全公司”。随着新事业推进部的参与,项目规模得到扩大,进展速度也进一步加快。

  新事业推进部 向井:我所属的新事业推进部是一个推进新事业的部门,主要负责能源领域,之前与金津村田制作所的人员一起参与过家用蓄电池项目。然后,在新事业推进部摸索工业用蓄电池新业务的2019年,我了解到金津村田制作所在气候变化对策方面推进的举措。

  设置了车棚式太阳能电池板的金津村田制作所停车场

  清水:就在我们正在考虑如何开展下一步工作时,向井提出“利用金津村田制作所实施的举措所产生的数据,让利用蓄电池的可再生能源得到推广吧。”通过与新事业推进部合作,既能扩大设备规模,又能通过“贯穿全公司”的举措加快项目进度。时机和瞄准的方向正好完全一致。

  在贯穿全公司的项目中,在制造大楼的屋顶上设置255kW的太阳能电池板,在员工停车场设置车棚并在车棚顶上设置383kW的太阳能电池板。此外,还计划在室外设置使用本公司产品——橄榄石型磷酸铁锂离子二次电池的蓄电池系统(FORTELION),其容量为913kWh。

  酒井:因为是北陆地区规模超大的车棚式太阳能发电设施,所以我决心将它做成一个质量过硬的项目。同时,福井县也是大雪地区,所以将它的结构设计为能承受建设标准规定的1.75m的积雪。由于停车场是员工使用的地方,所以我们将中间的柱子和支架(建筑物的加强材料)拆除,以避免上下车时碰到门,并且保证雨、雪及冰凌不会掉落下来,对便利性和安全性都进行了考虑。

  清水:另一方面,设置工事的进展并未能按预期进行,而稼动开始的日程已经决定,所以让我们感到很焦躁。由于所有的工作都是第一次体验,所以我们进行了很多次讨论。

  酒井:在大雪地区制作车棚式太阳能电池板很困难。这对村田和太阳能电池板设置人员来说都是第一次尝试,所以我们对应该怎么做进行了很多次讨论。结果,从构思到设置车棚式太阳能电池板花了1年时间。

  向井:在项目开始时,事情并不总是很顺利,但是,我们从到稼动开始为止的日程计划倒推各项任务必须完成的日期,每天忙于完成任务,我认为大家在向目标迈进的过程中逐渐产生了一种集体荣誉感。

  3. 通过特有的能源管理系统控制电量

  使用太阳能发电和蓄电池系统的金津村田制作所气候变化对策。

  为了实现当初提出的成为100%使用可再生能源工厂的目标,我们加快了已扩大到全公司范围的项目。该项目于2021年9月开始稼动,其一大特点是村田特有的能源管理系统(EMS)。

  向井:我们有家用蓄电池EMS的开发经验,但由于其目的与工业用途不同,所以我们这次几乎是新开发的。这次的EMS的主要目的是提高可再生能源的利用率。以前的FIT型太阳能发电能将多余的电能回流到电力系统,但在这次的项目中,目标是将内部产生的电能储存在蓄电池系统中,并全部在工厂使用而不浪费。也就是说,如果发电量太大,就会浪费,如果太小,可再生能源利用率就无法提高。这是最大的挑战。

  EMS就是用来解决这个问题的。

  向井:EMS负责控制电力不达到峰值。为此,在EMS中引入了AI(人工智能)来预测太阳能发电的发电量和第二天的用电量。既然是太阳能发电,天气就是预测的参数,还要考虑工厂的稼动状况。如果第二天的用电量很少,则将蓄电池排空以准备储存剩余电量,如果用电量很大,则对蓄电池充电以准备释放剩余电量。为了解决是蓄电还是放电这个问题,我们在制定村田特有的标准的同时构建了EMS。

  通过太阳能发电和蓄电池系统进行的内部发电和内部消费的比例为13%。如何采购剩下的87%的可再生能源也是问题。

  在EMS中将能源使用量可视化并实时掌握发电情况

  酒井:我多次咨询环境主管部门的胜间等人,有一段时间也考虑利用J-credit制度(一种由政府将温室气体减排量和吸收量作为信用进行认证的制度)。就在那时,我发现可以从电力公司采购绿色电力(通过可再生能源产生的电力),并开始与电力公司协调。

  向井:即使是电力公司,似乎也没有将这种规模的内部消费型太阳能+蓄电池接入电网系统的先例,绿色电力合同也是经过很多次协商之后才签订的。

  2021年11月,在解决各种课题和问题的同时,金津村田制作所通过使用太阳能发电和蓄电池系统进行内部发电和内部消费、采购绿色电力实现了村田首家100%使用可再生能源的工厂。

  清水:作为RE100成员的村田工厂,我们从一开始就力争成为100%使用可再生能源的工厂。说实话,我原以为需要到2030年左右才能完成,但实际实现的速度比我想象的要快。我认为正是因为有新事业推进部和环境主管部门的支持和推进,以及“贯穿全公司”的努力才使本项目得以提前完成。

  在公司内部征集中获选的蓄电池系统的图画象征着有恐龙王国之称的福井县

  4. 力争实现结合气候变化对策的新型制造方式

  成为村田首家100%使用可再生能源的工厂对金津村田制作所产生了重大影响。

  清水:我们被各种媒体报道,当地人也开始主动向我们打招呼。在组织评估问卷调查中,也收到了诸如“我为我工作的工厂感到自豪”、“工作积极性提高了”之类的回答,收到了培养归属感和提高工作积极性的效果。

  酒井:当我们在公司内部征集描画户外蓄电池系统的图画时,超过80%的员工给我们提供了想法。我认为通过在气候变化对策项目中增加员工参与的元素,员工的意识改变了很多。

  清水:以前,以环境为轴心考虑事情的意识很弱,考虑问题的角度也仅仅是在想这对环境有无负面影响,而现在,在员工中间已经有很多人能从对环境有多大贡献或者对地区有多大的积极影响等角度进行思考。

  此外,推进项目的3位中心人物也都表示,他们已经意识到很多东西都与未来有密切的联系。

  向井:我们正在讨论将这个项目中开发的EMS等解决方案作为一项新业务向公司外部推广。我们认为基于天气、发电量和用电量的控制技术是一门很强大的武器。从为未来开拓了道路这个意义上来说,我们从这次的项目中获得了非常好的经验。电力公司、施工公司等需要进行调整和说明的部分非常多,甚至设置蓄电池系统时的消防许可等也需要进行调整和说明,我们能够参与到非常细小的环节中,希望在以后的工作中能充分利用此次获得的经验。

  酒井:正如环境主管部门的胜间和藤原所说的那样,通过这个项目,我意识到了经营判断和决策速度的重要性。我认为,为了推进项目,最高负责人的决策能力和接受来自现场的建议的态度必不可少。金津村田制作所的工厂长对气候变化对策有着强烈的信念和热情,接受了各种各样的建议,并给了我们很多鼓励。现在之所以实现了100%使用可再生能源的工厂,我认为其中的一个重要原因是工厂长的决策能力强。

  清水:将气候变化对策视为成本还是视为价值与集团的成长战略——社会价值和经济价值的良性循环有关,但我意识到这是一个非常重要的视角。如果视为成本,就不可避免地要谈到性价比和提高效率,但如果把它视为价值,则视角会发生很大变化。例如,提高员工的积极性、培养归属感、提高作为工厂的竞争力和存在感等,我认为气候变化对策是“创造新价值的源泉”。我想以本次在气候变化对策方面的举措为契机,充分利用迄今为止在制造中培养的技巧和技术能力,为实现更加富有的社会做贡献。


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2026-08-05 13:07 阅读量:192
村田丨NTC热敏电阻和晶体单元在汽车电气化中的应用
  随着汽车电动化和智能化的快速发展,电子元件在汽车中的作用变得愈发重要。其中,NTC热敏电阻(负温度系数热敏电阻)和晶体元件(定时器件晶体)分别在温度监测和频率同步方面扮演了不可或缺的角色。NTC热敏电阻主要用于电池管理系统(BMS)、电机与电力电子的热管理、充电系统保护以及车内温控,确保在不同温度条件下车辆的稳定运行,同时提升系统的安全性与能源效率。另一方面,晶体元件为车载通信(如CAN、以太网、V2X)、自动驾驶雷达与摄像头模块、电力电子控制以及信息娱乐系统提供精确的频率信号,确保系统间的数据同步与可靠运行。  本文将探讨NTC热敏电阻和晶体元件在汽车电动化中的应用与发展,以及村田所提供的相关解决方案。  NTC热敏电阻在汽车电气化中的应用  NTC热敏电阻是一种对温度变化敏感的电阻器,其电阻会随着温度的升高而降低。这一特性使其适用于温度测量、补偿和保护等应用。NTC热敏电阻具有高灵敏度,能够快速响应温度变化。它们还具有宽温度范围,可用于低温和高温环境(-50°C至300°C)。凭借高稳定性,它们非常适合长期使用,具有极小的误差和紧凑的尺寸,同时具备高可靠性,非常适用于嵌入式电路和空间受限的应用。  随着汽车工业的电气化,NTC热敏电阻广泛应用于温度监测和管理,以确保电机和电子系统的安全与稳定运行。NTC热敏电阻主要应用于电池管理系统 (BMS),用于监测电动汽车 (EVs) 和混合动力汽车 (HEVs) 中锂电池组的温度。这确保了电池在安全范围内运行,防止过热或低温对性能和寿命的影响。此外,NTC热敏电阻还可以与电池管理控制器 (BMC) 协同工作,实现精确的温度补偿和过热保护。  另一方面,NTC热敏电阻可用于电机和逆变器的温度监控,追踪电机绕组和功率电子设备(如IGBT模块)的温度,以防止过热损坏,从而提高系统效率和寿命。NTC热敏电阻还可应用于充电系统的温度保护。在直流快速充电和交流慢速充电系统中,它们可以监测充电站和车载充电模块的温度,防止电路过热损坏,并确保电源管理IC(PMIC)和功率器件(MOSFET、IGBT)在安全温度范围内运行。  在空调和车舱舒适系统中,NTC热敏电阻被用于汽车座椅加热和HVAC(加热、通风和空调)系统,以保持车内温度的舒适性并提高能源效率。在LED照明和电子设备热管理中,NTC热敏电阻被用于LED车灯和车内显示屏,用于监测温度,防止过热从而影响亮度和使用寿命。  NTC热敏电阻在温度检测、防止过热以及能源效率优化方面起着至关重要的作用。在汽车电气化技术不断发展的过程中,高精度、小型化和耐高温的NTC热敏电阻将成为汽车电子系统中不可或缺的组件。  用于汽车应用的高可靠性NTC热敏电阻  随着汽车市场中自动驾驶和物联网技术的进步,安装的电子元件数量持续增加,导致电路板密度提高。此外,随着ADAS/TELEMATICS设备功能性增强,由于电子元件负载增加导致的热量问题变得更加严重。因此,对过热检测和温度监控的需求不断增长。  村田制作所推出了一系列NTC热敏电阻,利用其长期积累的工艺技术开发了NCU系列,具备高度可靠的0603M尺寸(0.6 x 0.3 x 0.3mm)。与之前的型号(1005M尺寸)相比,这些热敏电阻的体积减少了约80%,安装面积减少了约70%。通过快速响应市场需求,村田进一步满足了如高密度安装和小型化等高可靠性需求。  NCU系列贴片型NTC热敏电阻专为汽车温度检测应用而设计,具有高可靠性,满足汽车市场的严格要求。它们可以在广泛的温度范围内实现温度检测和补偿。  NCU系列包括NCU03系列,涵盖了标准和汽车应用的产品线。汽车级型号可用于汽车动力系统和安全设备。NCU03系列尺寸为0.6 x 0.3mm(0.2 x 0.1英寸),在25°C时提供10kΩ的阻值,公差为±1%。NCU15系列尺寸为1.0 x 0.5mm(0.4 x 0.2英寸),提供多种产品变化,阻值(25°C)范围从33kΩ到470kΩ,公差范围为±1%至±5%。同样,NCU18系列尺寸为1.6 x 0.8mm(0.6 x 0.3英寸),提供多样化的产品变化,阻值(25°C)范围从10kΩ到470kΩ,公差范围为±0.5%至±5%,满足各种应用需求。  村田推出其最新系列NTC热敏电阻——FTI系列,为汽车应用特别是功率模块提供创新的温度传感解决方案。这款先进的芯片型热敏电阻采用树脂模塑设计,提供电气绝缘,同时在极端温度条件下确保高性能。  FTI系列在-55°C到175°C的宽温度范围内提供可靠的操作,使其非常适合在SiC MOSFET和IGBT模块附近的苛刻应用。配备允许直接焊线的上电极,这些热敏电阻可以安装在靠近功率半导体器件的位置,大幅提升热响应的准确性。此外,树脂封装确保了基板与内部组件之间的电气隔离,可安全地与功率半导体一起集成到高压电极上。  晶体单元的功能和汽车电气化应用  晶体单元(Timing Device Crystal)是一种提供稳定频率(Clock)信号的组件,主要用于电子电路中的时间参考和同步控制。晶体单元的核心功能包括具有高稳定性,使其能够提供精准且稳定的频率,以确保电路系统的正常运行。此外,它具有低功耗特性,由于能耗低,非常适合电池供电的应用。同时,它具备抗干扰能力,可以在各种环境条件下保持可靠的振荡频率,使其适用于汽车应用等严苛环境。此外,它还可以提供温度补偿,例如某些晶体单元(如TCXO,温度补偿晶体振荡器)可以在宽温度范围内提供更高的频率稳定性。  随着汽车电子和电气化技术的快速发展,晶体单元已成为汽车电子系统中的核心组件之一。它们的主要应用领域包括汽车通信和网络系统,例如 CAN(控制器区域网络)、LIN(局域互联网络)和 Ethernet。这些车载通信协议需要精确的频率信号来确保数据传输的稳定性和同步性。此外,5G V2X(车联网)通信等技术需要超低抖动和高稳定性频率参考源,以支持高速车辆网络应用。  在ADAS(高级驾驶辅助系统)和自动驾驶应用中,雷达和LiDAR系统需要高精度频率来同步数据处理,从而提高检测范围和分辨率。摄像头和图像处理单元(ISP,图像信号处理器)也需要稳定的频率以确保图像数据和车辆控制单元(ECU)的同步。  对于电池管理和电力电子控制系统,电池管理系统 (BMS) 需要精确的频率控制,以监测和管理电池的充电和放电状态,从而确保电池的安全性和使用寿命。在电机和逆变器控制中,可靠的频率对于确保电力电子元件(如 IGBT 和 MOSFET)的同步运行至关重要,能够提高能源效率并减少电磁干扰 (EMI)。  另一方面,在车载信息娱乐 (IVI) 系统中,车载导航 (GPS/GNSS) 系统需要高精度的频率同步以确保定位精度。数字仪表盘和车载显示屏需要稳定的频率以保持流畅的视觉效果和数据同步。  在电动汽车(EV)充电管理中,直流快充和无线充电系统也需要准确的频率同步,以支持电能传输和通信协议(例如电力线通信,PLC),从而确保高效且安全的充电过程。  晶体单元在汽车电气化应用中发挥着至关重要的作用,包括车内通信、自动驾驶、电池管理、信息娱乐和充电控制。随着电动车和智能驾驶技术的不断发展,对高稳定性、高耐温性和抗振动的晶体单元的需求将持续增长  具有卓越品质和独特封装技术的晶体单元  晶体单元利用晶体的压电效应生成特定频率。它们在IC和LSI中提供时钟信号方面不可或缺,具有高频率稳定性、无需调谐且尺寸紧凑的特点。如今,晶体谐振器被广泛应用于卫星和移动通信,以及汽车、电视、计算机和DVD播放器中,以满足多样化的应用需求。  村田的CERALOCK晶振单元采用独特的封装技术,提供卓越的质量、大规模生产能力和成本效益。村田的汽车晶振单元满足下一代车载通信标准(如以太网/FlexRay)的需求,支持6 pF、8 pF和10 pF的负载电容(Cs)。产品系列还包括高驱动级别(600 μW)选项以及额定+125°C/+150°C的型号。  对于汽车以太网(PHY),Murata的晶体单位支持±85 ppm标准,而对于FlexRay,则支持±250 ppm标准。它们符合汽车可靠性标准(AEC-Q200),通过了严格的测试,例如高温存储(+125°C,1000小时)、温度循环(-55°C到+125°C,1000循环)、湿度测试(+85°C,85% RH,DC 6V,1000小时)以及高温负载测试(+125°C,DC 6V,1000小时)。  村田的晶体单元具有紧凑、高可靠性的封装,非常适合ECU小型化。例如,2.5 x 2.0 mm和2.0 x 1.6 mm的尺寸相比3.2 x 2.5 mm的尺寸缩小了超过60%。CERALOCK谐振器还具有出色的机械和气候抗性,包括抗冲击和抗跌落性能。  此外,Murata在生产过程中采用独特的颗粒筛选技术,以识别和消除可能降低单元性能的缺陷产品。该设计还便于实现自动光学检测(AOI),其角部电极形状可提高焊缝的可见性。  村田的汽车晶体单元系列包括XRCGE_M_F、XRCGB_F_C、XRCGE_F_A、XRCGA_F_A和XRCGB_F_A系列,适用于各种汽车应用。  结 论  随着汽车电气化和智能技术的不断发展,NTC热敏电阻和晶体单元在车辆系统中扮演着关键角色。NTC热敏电阻凭借其卓越的温度感测和保护能力,确保电池管理系统和电力电子在不同条件下的稳定运行,从而提高整车的安全性和效率。晶体单元以其高精度和低功耗,为车载通信、自动驾驶和信息娱乐系统提供稳定的频率信号,确保电子元件之间的精确同步。展望未来,随着技术的进步以及汽车电子系统需求的增长,这些关键组件将继续推动电气化和智能驾驶的发展。村田的NTC热敏电阻和晶体单元解决方案为汽车电气化应用提供了所需的安全性和稳定性,使其值得进一步探索和采用。
2026-07-23 10:02 阅读量:348
村田 | 一文理清无线通信技术如何有效利用电波频带宽
  通过我们日常使用的智能手机发送和接收音频、图像、视频等数据时,尽管使用人数较多,但对方将数据发送给自己或自己将数据发送给希望的对方都能很自然地实现。这不仅是因为无线通信使用了更宽的频带以提到数据通信速度(传输速度),还得益于在多条数据的发送及接收当中有阻止数据相互重叠和噪声干扰等问题的技术,这些技术以提高频带宽的利用效率,即以有效利用电波为目的。这些技术主要是指:  能传输多条数据的“多路复用”(Multiplexing)技术;  利用多路复用技术实现了与多个用户同时连接的“多址接入”(Multiple Access)  需要特别指出的是,多址接入是为第五代移动通信系统(5G)做出贡献的重要方法,5G的目标是支持包括家电和IoT设备等物品在内的超多数连接(100万个连接/km²)。  本文为读者理一理这两条技术路线的概念和实现机制。  多个用户(终端)同时使用移动通信(图片仅供参考)  目录  01  多路复用的基本概念  02  多址接入的基本概念  专栏:多路复用与多址接入之间的关系  03  多路复用技术的实现机制  04  多址接入技术的实现机制  专栏:FDD-LTE和TD-LTE是什么意思?  05  总结  01  多路复用:有效利用单一传输路径(空间)  在无线机制推文中,我们介绍了通信系统——无论是有线通信(传输路径为电缆),还是无线通信(传输路径为空间)——的基本模型构成(图1)。  在这个模型中,假设发送侧/传输路径/接收侧都只有一个,并且在某个时候传输的数据也是一条(我们暂且将其称为单纯通信)。如果发送方能够同时向接收侧发送多条数据,这将提高数据发送和接收的效率。因此,人们设计了一种通过单一传输路径同时传输多条数据的技术。这种技术就称为多路复用。  图1 通信系统的基本模型构成  02  多址接入:多用户互不干扰的无线通信  如果将多路复用视为将多条数据同时重叠发送,那么多路复用中就不包括发送侧和接收侧的要素。在无线通信的情况下,将发送和接收的要素添加到多路复用的方法,也就是多个用户共享传输路径以传输多条数据的方法被称为多址接入(Multiple Access)。  在与通信相关的书籍、资料和网络内容中,根据所解释的内容,可以看到有的地方将多路复用和多址接入记述为同一技术。在本文中,如上所述,我们将从多址接入是一种利用多路复用并允许多个用户共享传输路径进行通信的方法这个角度来进行解说。  多路复用与多址接入之间的关系  表1显示了多路复用和多址接入之间的关系。为了与多址接入进行比较,多路复用中的发送侧和接收侧都只有一个。此外,由于多路复用具有多个信道,而多址接入也具有多个信道,因此可以说多址接入是以多路复用为基础的。  表1 多路复用与多址接入之间的关系(点击放大)  这里提到到“信道”是指我们简单地将其视为携带一条数据的电波——信号波的通道(通信路径)。从这个意义上来说,信道有时也称为线路。在无线通信的情况下,例如,当传输10个不同的信号波(多路传输)时,也可以说存在10个信道的通信路径。  在实际的无线通信中,相比于从一个用户到另一个用户或从一个用户到多个用户的共享传输路径的事例,多个用户之间相互共享传输路径的事例更多,例如移动通信系统(图2)和卫星通信系统(图3)。  图2 移动通信系统示意图  图3 卫星通信系统示意图  本文接下来简单介绍多路复用和多址接入的机制。  03  多路复用的机制:FDM/TDM/CDM  无线通信中的多路复用方法有多种,代表性的方法如下所示。  频分多路复用(FDM:Frequency Division Multiplexing)  时分多路复用(TDM:Time Division Multiplexing)  码分多路复用(CDM:Code Division Multiplexing)  每种方式的机制的一般性示意图如图4a、4b、及4c所示,我们将着眼于红框内的传输路径进行解说:  频分多路复用(FDM)  图4a 频分多路复用(FDM)示意图  频分多路复用(FDM:Frequency Division Multiplexing)是一种将多条数据分配到不同频带并将各个频带作为信道(Ch)在单一传输路径上同时传输的多路复用技术。  图4a显示了FDM的一般性示意图。在发送侧将分配了多条数据的频带作为信道在单一传输路径上进行多路复用传输。接收侧可以使用由能够选择各信道的频带的终端接收发送的数据。  作为在无线通信中使用FDM的例子,有日本国内地上波电视播放。虽然传输路径只有空间这一条,但包含图像和音频数据的电波从多个电视台分别以每个频率发送,接收侧可以通过选择唯一的频率来观看所需的电视节目。此外,模拟播放无线电也使用FDM。  时分多路复用(TDM)  图4b 时分多路复用(TDM)示意图  时分多路复用(TDM:Time Division Multiplexing)是一种将多条数据按时间分割后作为信道进行分配,并使用相同的频率在单个传输路径上传输的多路复用技术。  TDM的一般性示意图如图4b所示。在发送侧,来自终端的多条数据被按时间分割并分配给信道(Ch),并在单一传输路径上进行多路复用传输。接收侧通过在与发送侧相同的时间分离到各个信道,多个终端可以分别接收发送的数据。  在无线通信中采用TDM的例子有欧洲和美国的电视播放。  码分多路复用(CDM)  图4c 码分多路复用(CDM)示意图  码分多路复用(CDM:Code Division Multiplexing)是一种将每个终端各不相同的识别符号与数据混合,然后添加得到的同一频带内信号,并通过单一传输路径同时传输该信号群的多路复用技术。  图4c显示了CDM的工作机制。通过将数据与比该数据的1位时间宽度更短的周期性识别符号相混合(调制)来生成调制信号。对该调制信号和传输时的原始数据(原始信号)的频带宽进行比较后发现,调制信号的频带宽更宽。该特征已成为通信方面的优势,例如对外部噪声在传输路径上造成的干扰具有更强的抵抗能力。它通过将每个终端各不相同的多个调制信号原封不动地添加来进行多路复用,并通过单一传输路径来发送该多路复用信号。在接收侧,通过根据每个终端分别将多路复用信号与在调制时使用的识别符号相混合(解调)来恢复数据,可以各接收所发送的数据。  在无线通信中,还没有发现采用CDM的标准系统的例子,绝大多数情况下都是作为多址接入方式的CDMA(Code Division Multiple Access)而被广泛采用  智能手机技术规格中记载的FDD-LTE和TD-LTE是什么意思?  在使用智能手机和手机的移动通信或固定电话的通话中,发送和接收是同时进行的,这意味着语音数据使用单一信道在两个方向上传输。因此可以认为双向传输也是多路复用技术之一。  智能手机等技术规格中写着“FDD-LTE”或TD-LTE(通常将TDD-LTE写作TD-LTE),这个FDD(Frequency Division Duplex)和TDD( Time Division Duplex)的意思是双向传输。  另一方面,LTE(Long Term Evolution)是第四代移动通信系统(4G)的通信标准,这其中也包含着多址接入 -在4G的情况下是OFDMA- 的意思。因此,也可以说“FDD-LTE”描述了双向传输和多址接的方式。  虽然有点复杂,但是双向传输并不算是多路复用,双向传输和多路复用的应用——多址接入一般都是这样分开记述的。  图5a FDD 示意图  FDD被称为频分双工,通过为下行/下载(在终端侧接收数据)和上行/上传(在终端侧发送数据)分配不同的频率来实现双向传输(图5a)。  图5b TDD 示意图  TDD也称为时分双工,上下行使用相同的频带,在时间轴方向上分割音频数据,通过在短时间(通话时为毫秒量级)内交替发送和接收音频数据,从而实现双向传输(图5b)。因此,严格来说,TDD并不是同时发送和接收,但在通话时,接收到的声音并不会让人感到不适。  04  多址接入的机制:FDMA/TDMA/CDMA  多址接入是一种通过共享多路复用信道使多个用户能够互不干扰地进行通信的方法。多址接入的基本方式按演变顺序排列如下:  频分多址接入(FDMA:Frequency Division Multiple Access)  时分多址接入(TDMA;Time Division Multiple Access)  码分多址接入(CDMA:Code Division Multiple Access)  下面,我们将根据图3中的示意图,以每种多址接入方式的示意图和使用它们的卫星通信为例,对这些方式的机制进行说明。  在此需要指出的是,在新近的无线通信,例如4G-LTE移动通信和个人通信(Wi-Fi 6/6E和Wi-Fi 7等)中,使用称为正交频分多址接入(OFDMA:Orthogonal Frequency Division Multiple Access)的方式,其基础是一种称为正交频分多路复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的调制技术和多路复用技术。关于OFDM的说明需要复杂的预备知识,比如数据多值化、QAM(Quadrature Amplitude Modulation)以及数据信号频谱之间的正交性等,因此,我们在此将其省略并准备在其他页面进行解说。  频分多址接入(FDMA)  图6a 频分多址接入(FDMA)的示意图  频分多址接入(FDMA)是将来自多个用户的数据分配到已划分的频带信道(Ch)并通过单一传输路径进行传输的方式(图6a)。FDMA于上一世纪80年代开始运用,模拟方式的第一代移动通信系统(1G)的手机和汽车电话均采用FDMA。  卫星通信中的FDMA通信示意图如图6b所示。图中显示的是假设图3中的送信侧为1个(地球站E0)时,将多路复用数据信号发送到多个接收侧(地球站E1-E3)的情况。  图6b 使用频分多址接入(FDMA)的卫星通信示例  从地球站E0发送数据信号时,将发往地球站E1-E3的每条数据调制到相应频率,然后将信号在卫星中继器支持的频带内等间隔排列,以便相邻信号频带不会重叠(不会相互干扰)。接收这些信号的地球站E1-E3分别将可以接收的频率信号分离并提取数据。  时分多址接入(TDMA)  图7a 时分多址接入(TDMA)示意图  时分多址接入(TDMA)是一种将来自多个用户的数据按固定时间间隔分割后分配到信道并通过单一传输路径进行传输的方式(图7a)。TDMA于上一世纪90年代开始运用,已发展为数字方式的第二代移动通信系统(2G)中的手机(GSM、PDC、PHS等)就采用了TDMA。  卫星通信中的TDMA通信示意图如图7b所示。与上一节一样,图中显示了在假设图3中的发送侧为一个(地球站E0)时将多路复用数据信号发送到多个接收侧(地球站E1-E3)的情况。  图7b 使用时分多址接入(TDMA)的卫星通信示例  从地球站E0发送数据信号时,将时间分成帧,再将帧中被参考突发信号占有的部分除外,将对剩余部分进行分割后的区间(时间槽)作为信道,然后将发往地球站E1-E3的数据分配给每个信道。然后,在地球站E1-E3的每个站里,将与地球站E0的发送时间相匹配的信号分离并提取数据。在卫星通信中,自1985年左右以来,除了FDMA之外还采用TDMA。  这里提到到“参考突发信号”是,为了使通过TDMA进行的通信稳定而不受干扰,需要使发送侧和接收侧的信道切换速度等的时间保持一致(同步)。地球站E0通过在帧开头放置称为突发信号的信号来控制同步。  码分多址接入(CDMA)  图8a 码分多址接入(CDMA)示意图  码分多址接入(CDMA)是一种通过将每个用户的数据与不同的识别符号相混合来生成信号,然后将全部用户的信号重叠到同一频带上并通过单一传输路径进行传输的方式(图8a)。2000年代开始运用的第三代移动通信系统(3G)的手机就使用CDMA。  卫星通信中的CDMA通信示意图如图8b所示。与上一节一样,图中显示了在假设图3中的发送侧为一个(地球站E0)时将多路复用数据信号发送到多个接收侧(地球站E1-E3)的情况。  图8b 使用码分多址接入(CDMA)进行的卫星通信示例  在地球站E0中,将为接收侧地球站E1-E3分别分配的识别符号与发往各站的数据信号相混合,以生成频带比数据信号的频带更宽的信号,并将加上该信号后的多路复用信号传输到卫星中继器。  在从卫星中继器接收多路复用信号的地球站E1-E3侧,为了将信号分离而将接收到的多路复用信号与每个地球站的识别符号相对比,仅从与其匹配的信号中提取数据。  此外,在卫星通信中使用CDMA是上一世纪90年代以后的事情。  05  总结  我们从实现多个用户之间互不干扰的无线通信的角度说明了多址接入是无线通信中的一种重要方法。在结束之前,我想对其进行一些稍微更加深入的讨论。  多址接入是伴随着FDMA/TDMA/CDMA而发展的,可以毫不夸张地说,频率利用率随着这种发展而得到了提高是无线通信发展的关键。例如,提高移动体通信中的频率利用率会导致用户数量和数据通信总量的增加。频率利用率在这里简单地将其视为每个频带的数据通信速度(单位为bps(bit per second)/Hz)。此外,频率利用率有时也称为频谱效率或带宽效率。  正如在本文中简单提到的那样,目前移动体通信的主流——4G的多址接入方式是正交频分多址接入(OFDMA:Orthogonal Frequency Division Multiple Access),据说频率利用率与3G的CDMA相比提高了2倍左右。此外,5G还采用了一种称为非正交多址接入(NOMA:Non-Orthogonal Multiple Access)的方式,该方式比OFDMA具有更高的频率利用率。
2026-07-15 14:33 阅读量:418
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