村田 | 一文理清无线通信技术如何有效利用电波频带宽

发布时间:2026-07-15 14:33
作者:AMEYA360
来源:村田
阅读量:772

  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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)。

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  图2 移动通信系统示意图

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  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)

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  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)

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  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)

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  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。

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  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)。

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  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)

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  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。

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  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)

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  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。

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  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)

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  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。

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  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。

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2026-09-16 14:05 阅读量:341
村田丨毫米波雷达,未来发展的潜力是与传感器融合!
  一般来说,雷达(RaDAR:Radio Detection And Ranging)是一种通过向目标物体发射电磁波(电波)并测量从目标物体反射回来的电波来检测与目标物体之间的距离和方位的装置。因此,毫米波雷达是指使用毫米波作为电波的雷达。与红外线和摄像头相比,毫米波雷达即使在雨、雪、雾等恶劣天气条件下也能保持检测能力,不仅可以检测与目标物体之间的距离和方位,还能检测目标物体的移动速度。本文介绍具有此类特征的毫米波雷达的检测原理、应用事例及其未来发展潜力。  01  什么是毫米波?  图1显示了毫米波(也写作“mmWave”)在电波分类中所处的范围。一般来说,它指的是频率在30GHz到300GHz之间、波长在1mm到10mm之间的电波,之所以称为“毫米波”,是因为其波长以mm(毫米)为单位。(注:实际上,毫米波的频率范围并没有严格的定义。例如,目前全球分配给5G通信的26GHz频带和28GHz频带也被视为毫米波。)  图1 按频率分类的电磁波分类  毫米波具有强直线传播性和可以确保宽频带宽的特征,总结如以下两个方面:  直线传播性:  如图1所示,由于毫米波的频率接近光的频率,因此它像光一样具有很强的直线传播性,由此可以得出以下结论:  由于墙壁等物体的遮蔽以及非常恶劣天气的影响,毫米波的强度会衰减  也由于这个原因,毫米波不适合远距离通信  在短距离通信中,毫米波与近处的毫米波系统之间不容易发生干扰  可以穿透布料和树脂等  频带宽  毫米波频带是一个尚未开发的领域,且是一个需求量很少的频带,因此可以确保较宽的频带宽。(目前,比GHz更低的频率范围基本上都已被使用,确保带宽会受到电波法和商业因素的限制。)  在雷达中,增加频带宽有助于提高距离检测(参照第2节)的精度,因此可以说频带宽是一项重要的规格。另外,在移动通信等当中,增加频带宽有助于实现通信速度的高速化。  02  毫米波雷达的方式及特征  如前所述,毫米波雷达向目标物体发射毫米波,并接收来自目标物体的反射波以检测对象物体位置的装置,能检测的上限为大约300m范围内的物体。  目前,低功率雷达可以使用的频带有24GHz频带、60GHz频带、76GHz频带和79GHz频带,每个频带都规定了各自的技术条件。其中,24GHz频带的波长为12.5mm,不在毫米波定义的10mm至1mm范围内,因此有时被称为“准毫米波”;毫米波频带(60GHz频带、76GHz频带和79GHz频带)具有较宽的带宽,因此能够进行高精度检测。  脉冲方式和FMCW方式是毫米波雷达的代表性方式。FMCW是Frequency Modulated Continuous Wave的缩写,意思是使用对频率进行调制后的连续波的方式。两种方式的特征及相互对比如下:  脉冲方式:  向目标物体发射宽度很短的脉冲,脉冲宽度从几十纳秒到几微秒不等,通过测量到接收到反射脉冲为止的时间来确定与目标物体之间的距离、速度和角度(图2)。该方式的检测原理简单,电路构成也比FMCW方式更简单。  FMCW方式:  这种方式向目标物体发射对连续波进行频率调制后的发送波,然后从发送波与反射波之间的频率差来确定与目标物体之间的距离、速度和角度。此外,它还可以测量与目标物体之间的相对移动速度(图2)。  图2 通过毫米波雷达检测目标物体的示意图  图3显示了FMCW方式发射波的示意图。它有时被称为Chirp波形。  图3 Chirp波形的示意图(Chirp指鸟鸣)  03  FMCW方式毫米波雷达:构成和检测  毫米波雷达有多种方式,但基本都是从FMCW方式发展而来的方式。因此,下面将对FMCW方式毫米波雷达的构成和目标物体检测的大概原理进行说明。尽管它构成简单,但可以获取距离、速度和角度等复合信息。  图4 通过毫米波雷达进行的目标物体检测  毫米波雷达的构成  毫米波雷达主要由以下几部分构成:  合成器:生成待发送的毫米波频带电波(发送波)  发射天线:发射发送波  接收天线:接收反射波  混频器:将发射信号和接收信号进行组合  DSP:即数字信号处理装置,实施计算处理  检测的原理  毫米雷达波的检测原理主要包括这四个步骤:  发送波的生成:通过合成器生成毫米波频带的发送波。  毫米波的发射:将发送波从发射天线连续发射至目标物体。  反射波的接收:通过接收天线接收从目标物体返回的反射波。  计算处理:通过混频器将发送波和反射波进行组合,经A/D转换器转换为数字信号,再通过DSP进行计算处理,以确定与目标物体之间的距离、角度和速度等。  04  毫米波雷达应用事例  在第3节中说明的FMCW方式毫米波雷达已被应用于很多现场。这里,我们将以汽车、工业机器人和无人机为例,对它的应用场景及贡献的功能进行说明。  用途:汽车  在汽车领域,通过毫米波雷达检测车辆周边的障碍物和其他车辆,由此能够实现自动刹车和车道保持辅助等功能,毫米波被认为对实现L2级自动驾驶(部分自动驾驶)不可或缺。此外,监控驾驶员和乘客的状态以及是否有儿童被遗忘在车上也被作为提高安全性所不可或缺的功能而备受关注。  工业机器人  通过在工业机器人手臂上配备毫米波雷达,可以检测手臂与人或物体之间的距离,并可检测速度和角度数据,从而实现诸如停止手臂运动等预设动作。此外,还可以实现自主移动,例如,AMR(Autonomous Mobile Robot:自主移动机器人)可以在行走时避开货架、墙壁、行人以及多种工业设备等障碍物。  无人机  无人机,尤其是飞越有人地带的无人机,需要高度的安全性。通过使用毫米波雷达探测飞行路径,可以探测与地面之间的距离、柱子、墙壁以及电力线、电话线和布置在空中的天线等物体,不受天气条件的限制,从而确保在有人地带进行安全飞行。  05  毫米波雷达在安全技术中的应用  毫米波雷达已被应用在多个领域,近年来,在欧洲进行汽车安全性能评估的Euro NCAP提出了强化碰撞安全试验,因此,毫米波雷达在提高车内安全性的“座舱监控系统”中的应用备受关注。  Euro NCAP(European New Car Assessment Programme)是欧洲新车安全评鉴协会)的缩写。该协会是一个对在欧洲销售的新车的安全性进行评估和发布的独立机构。它对碰撞安全性和行人保护等前沿安全技术进行测试和评级,已成为消费者选车的指标。另外,NCAP在各国都有,例如,在美国有IHS rating,在日本有JNCAP。  2023年,Euro NCAP发表了新的评估项目。除了根据乘员体格自动展开安全气囊的技术以及检测安全带使用情况的技术外,为了预防近年来“因儿童被遗忘在车内而导致的中暑事故”,评估对象中还新增了儿童遗忘检测功能。为了满足这些要求,能够掌握车内状况的座舱监控系统不可或缺。  座舱监控系统是一种利用车内传感器监控驾驶员和乘员的状况,并在需要时启动制动或警报的机制。它由驾驶员监控系统DMS(Driver Monitoring System)和乘员监控系统OMS(Occupant Monitoring System)组成,驾驶员监控系统用于确认驾驶员的身体状况和注意力,乘员监控系统用于掌握乘员的位置和行动。传感器中一直在使用摄像头,但在许多情况下,仅靠摄像头难以检测到,例如后向式儿童安全座椅上的婴儿、裹在毯子里的乘员以及安全带的佩戴状况等。  在这些情况下,作为补充和替代摄像头的装置(传感器),毫米波雷达被认为很有前景。毫米波雷达能够穿透织物和座椅靠背,因此可以检测到“摄像头无法看到的对象”。此外,它对于微小的动作也能捕捉到,因此对于心率和呼吸等生理功能的轻微变化也能检测。凭借这些特征,毫米波雷达有望为大幅提高座舱监控系统中的DMS和OMS的功能做贡献,并有助于符合Euro NCAP要求的新安全标准。  06  总结:毫米波雷达的未来是与传感器融合  毫米波雷达是一种具有优良检测能力的装置——传感器,但为了满足今后多样化的检测需求,将包括毫米波雷达在内的超声波传感器、红外传感器和摄像头等多种传感器相组合的“传感器融合”至关重要。  传感器融合是一种整合来自多个传感器的数据,以获取单个传感器无法获取的信息的技术。例如,通过将毫米波雷达与图像传感器相组合,不仅可以从人体运动中获取驾驶员的疲劳程度和注意力水平信息,还可以从眼球运动和面部表情中获取信息,并根据需要发出警报。  将来,除了汽车外,在工业机器人、无人机和多种出行设备中,以毫米波雷达为中心的传感器融合技术也有望大幅提高周边状况的识别精度、安全性和可靠性。
2026-09-16 13:05 阅读量:350
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