村田:工业环境中的测距与定位应用解决方案

发布时间:2026-01-28 13:57
作者:AMEYA360
来源:村田
阅读量:994

  在现代工业环境中,随着自动化技术的迅速发展,准确的测距与定位技术成为了提高生产效率、保障工人安全和优化资源分配的关键因素。随着工业4.0的进一步推进,实时定位系统(RTLS)、激光测距技术、超宽带(UWB)技术等表现突出的测距与定位解决方案,已经成为实现精细化管理和智能化运营的重要技术。

  本文将探讨这些技术在工业环境中的应用现状、面临的挑战,与未来的发展趋势,以及由Murata(村田制作所)所推出的相关解决方案。

村田:工业环境中的测距与定位应用解决方案

  准确测距,确保工业系统的效率和安全

  利用M2M(机器与机器)和H2M(人与机器)之间的准确测距功能,可以增强多种应用中的安全性,尤其是在工业自动化、智能交通和人机协作领域。测距应用通常会使用包括超声波、雷达、激光雷达(LiDAR)或超宽带(UWB)等技术。这些技术能够提供亚米级甚至厘米级的距离测量精度。通过实时测量机器或人之间的距离,可以生成准确的位置信息,并通过算法对其进行处理。

  在工业环境中,防碰撞系统相当重要,自动化设备和机器人之间的准确测距可以避免相互碰撞,确保设备的安全运行。此外,机器之间的准确测距还可以帮助优化其移动路径,减少不必要的能量消耗和磨损,从而提高系统的效率和安全性。

  在人与机器人协作的环境中,人机协作的安全便相当关键,通过测距技术实时监控两者之间的距离,当检测到人员过近时,系统可以自动减速或停止机器人以防止发生碰撞。此外,测距技术还可以用于监控危险区域,确保人类操作员不会无意中进入危险的工作区。

  目前已可采用多种技术结合的安全保障方式,像是进行多传感器组合,将多种测距技术和传感器数据结合(如摄像头、红外线传感器等),可以提高测距的可靠性和准确性,从而进一步增强安全性,或是利用人工智能和机器学习算法分析测距数据,可以预估潜在危险,并提前发出警告,以避免事故发生。

  通过以上方式,M2M和H2M之间的准确测距功能,在保障工业和人机协作安全方面发挥着至关重要的作用。

  实时定位系统,有哪些常见关键技术?

  实时定位系统(RTLS, Real-Time Location Systems)是一种能够实时跟踪和监控物体或人员位置的技术,大量应用于安全管理和工人效率监控。

  RTLS实时定位系统的关键技术相当多样。

  像是UWB技术可提供高精度的定位,误差范围通常在几公分以内,非常适合需要准确跟踪的应用场景。

  或是采用射频识别(RFID)系统,通过在标签和读取器之间传输信号来跟踪物品或人员的位置,它通常用于较低精度的定位。

  此外,也可采用Wi-Fi定位,其可基于信号强度测量,可以在已有的网络基础设施上部署,但定位精度通常较低。

  另一方面,还可使用蓝牙低功耗(BLE)技术,BLE信标通过发送信号与设备通信来实现定位,精度适中,适合低功耗需求的场景。

  全球定位系统(GPS)则是适合在户外环境中使用,在室内定位的效果较差且耗电较多。

  此外,也可利用摄像头和计算机视觉技术来检测和跟踪物体或人员的位置,通常用于需要高精度的室内应用。

  RTLS的应用领域相当宽广。

  像是在工人安全监控应用中,RTLS可以实时跟踪工人在工作环境中的位置,确保他们不会进入危险区域。如果工人靠近危险设备或区域,系统可以发出警告或自动停止相关设备。在发生紧急情况时,RTLS也可以帮助迅速定位工人并引导救援人员进行迅速救援。

  此外,还可通过分析工人在不同区域的活动,可以评估工作流程的效率,优化任务分配,减少时间浪费,提高生产力。

  RTLS还可以用于跟踪和管理工具、设备和物料,减少丢失和误放的情况,确保设备的有效利用。

  在仓库和物流中心,RTLS可以优化库存管理,减少订单处理时间,提升供应链的整体效率。

  在医院环境中,RTLS可用于跟踪医护人员、病人和关键医疗设备的位置,确保及时响应和资源的有效使用。

  超宽带技术,实现安全、准确的距离测量

村田:工业环境中的测距与定位应用解决方案

  UWB技术利用基于无线电波飞行时间(ToF)技术,来进行的安全、准确的距离测量。

  Murata生产与开发了基于NXP的UWB模块,以及采用Qorvo与Nordic芯片的UWB模块。

  Murata的Type 2BP是超小型UWB模块,包括NXP的Trimension SR150 UWB芯片组、时钟、滤波器和外围器件,非常适合一般物联网设备。这款小尺寸UWB模块支持UWB 5与9频道,具有SPI接口与3天线支持(3D AoA或2D AoA),并已通过FCC/CE参考认证,采用树脂模制结合共形屏蔽结构,尺寸仅有6.6 × 5.8 × 1.2 mm,支持功率校准和晶体校准。

  Murata还推出搭配Type 2BP的评估板──LBUA0VG2BP-EVK-P,该评估板上有Type 2BP和NXP QN9090(BLE芯片)、USB-UART转换IC,可通过USB电缆供电,并通过PC的COM端口运用QN9090控制Type 2BP。该开发套件已获得Apple®批准,用于评估支持UWB的配件,这些配件利用Apple的附近交互框架,可与包含U1芯片的Apple产品进行交互。

  Murata的另一款基于NXP UWB芯片组的UWB模块是Type 2DK,这是一款一体化UWB结合蓝牙®LE组合模块,集成了NXP Trimension™ SR040 UWB芯片组、NXP QN9090蓝牙® LE与MCU芯片组、板载天线和外围器件,非常适合使用钮扣电池供电的UWB标签/跟踪器,以及一般物联网设备,并已通过FCC/CE参考认证。

  Murata也有推出搭配Type 2DK的评估套件──LBUA2ZZ2DK-EVK,该评估套件上配有Type 2DK、UART-USB IC、SWD端口和币形电池座。

  Murata的Type 2AB模块则是被设计为超小型、高质量和低功耗的UWB模块,非常适合小型电池供电的物联网设备和应用。

  Type 2AB采用Qorvo QM33120W UWB芯片组,支持5和9频道,并通过FCC/IC/TELEC参考认证,集成了Nordic IC—nRF52840,是无主机模块,它还具有蓝牙低功耗功能,用于唤醒UWB和更新固件,集成的3轴传感器可节省电池电量,并嵌入UWB和MCU的参考时钟。Type 2AB是市场上特别小巧、高度集成的UWB模块,比CoB解决方案面积减少75%,每个器件的频率、发射功率和天线延迟均经过校准,可支持多天线设计和评估。

  LBUA5QJ2AB-828EVB评估套件是Murata UWB/蓝牙低功耗模块Type 2AB的评估板,可通过USB接口将板上的Type-C USB端子与PC连接并通电,且有串口,客户可以通过串口终端输入AT命令来评估RF性能。如果客户将演示固件重新编程到模块中,还可以评估简单的TWR和PDoA功能。

  应用于测距与定位的Wi-Fi与蓝牙模块

  除了UWB技术之外,Wi-Fi与蓝牙技术也可用于测距与定位应用,当Wi-Fi与蓝牙结合时还可让您直接连接到互联网,因此它是适合物联网产品特别灵活的无线技术。

  目前Murata已有多种Wi-Fi®与蓝牙模块可供选择,支持IEEE 802.11a、11b、11g、11n和11ac 2×2 MIMO标准、2.4GHz和5GHz频段,适用于无线LAN和蓝牙®4.1/4.2/5.0/5.1 BR/EDR /LE通信。

  Murata的Type 2AE是一款基于Infineon CYW4373E组合芯片组的小型高性能模块,支持Wi-Fi®802.11a/b/g/n/ac结合蓝牙® 5.2 BR/EDR/LE,Wi-Fi上的PHY数据速率达到433Mbps,蓝牙®则支持3Mbps PHY数据速率。WLAN部分支持SDIO v3.0 DDR50接口,蓝牙®部分支持高速4线UART接口和用于音频数据的PCM,WLAN和蓝牙®部分也都支持USB 2.0接口。

  在开发系统时可在NXP i.MX(Linux/FreeRTOS)上开发软件,若要在RTOS上开发软件,可采用Infineon的WICED™开发系统,可大大减少为嵌入式设备添加无线连接所需的工作量。该SDK使开发人员能够迅速创建针对资源匮乏的微控制器的网络连接应用。在评估工具方面,则可以在Linux系统上选择Embedded Artists的2AE M.2模块。

  Murata的Type 2EA则是一款基于Infineon CYW55573组合芯片组的小型高性能模块,支持Wi-Fi®802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO与蓝牙®5.3 BR/EDR/LE,Wi-Fi®上支持达到1.2 Gbps PHY数据速率,以及传统蓝牙(EDR)上的3Mbps PHY数据速率与蓝牙®LE上的2Mbps PHY数据速率。WLAN部分支持PCIe v3.0 Gen 2和SDIO 3.0接口,蓝牙®部分支持高速4线UART接口和用于音频数据的PCM。

  Type 2EA同样拥有NXP i.MX Linux上支持的软件配置,以及适用于NXP i.MX平台的Linux驱动程序/固件,Murata建议的评估硬件则是Embedded Artists的2EA M.2模块。

  Type 1XL则是一款基于NXP 88W9098组合芯片组的小型高性能模块,支持Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO与蓝牙®5.3 BR/EDR/LE,支持Wi-Fi®上的1200Mbps PHY数据速率,和蓝牙®上的3Mbps PHY数据速率。WLAN部分支持PCIe 2.0接口,可选支持SDIO 3.0。蓝牙®部分支持高速4线UART接口(可选支持SDIO)和音频数据的PCM。

  在软件开发上同样支持对于NXP i.MX Linux上的配置,Murata建议的评估硬件则是Embedded Artists的1XL M.2模块。

  Murata的Type 2DL则是一款基于NXP IW611组合芯片组的小型高性能模块,支持Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax与蓝牙® 5.3 BR/EDR/LE,Wi-Fi®上达到601Mbps PHY数据速率,和蓝牙®上的2Mbps PHY数据速率。WLAN部分支持SDIO v3.0 DDR50接口,蓝牙®部分支持高速4线UART接口和用于音频数据的PCM。

  Type 2DL的开发软件对于NXP i.MX Linux上支持的配置目前仍待定,Murata建议的评估硬件则为Embedded Artists的2DL M.2模块。

  总 结

  随着工业环境的复杂性和自动化需求的提升,准确的测距与定位技术在保障安全、提升生产效率以及实现资源优化管理方面的作用日益重要。通过实施杰出的测距与定位解决方案,如实时定位系统(RTLS)、激光测距技术和超宽带(UWB)技术,企业不仅能够大幅度提高运营效率,还能够在智能化管理方面获得竞争优势。

  Murata生产多种UWB与WiFi/蓝牙模块,虽然测距与定位用例是“系统/解决方案”业务而不是模块业务,但有鉴于工业RTLS应用将是一个不断增长的市场,且需要定制和进行有限的扩展,因此Murata将可与市场上的这些第三方软件与厂商合作,积极切入这一领域。


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2026-08-05 13:07 阅读量:184
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:347
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:416
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