正交頻分復用技術（３）

前兩講已經對正交頻分復用(OFDM)的基本原理和OFDM的相關信號處理技術進行了介紹。本講我們將介紹OFDM中的多址接入方式，包括時分多址、碼分多址和頻分多址，并簡要探討各種多址方式的特點；然后以數字音頻廣播、非對稱數字用戶線以及IEEE 802.11a無線局域網系統為例，介紹OFDM技術在實際通信系統中的應用。

8、 正交頻分復用多址接入技術

正交頻分復用(OFDM)本身是一種調制技術，但它可以很容易地與多種多址接入技術相結合，為多個用戶同時提供接入服務。常用的多址接入方式有3種，分別是時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA)，OFDM都可以與它們結合，分別構成OFDM-TDMA、OFDM-FDMA和OFDM-CDMA 3種技術。

8.1 OFDM-TDMA

在正交頻分復用時分多址(OFDM-TDMA)系統中，信息的傳送是在時域上按幀來進行的，每個時間幀包含多個時隙，每個時隙的寬度等于1個OFDM符號的時間長度，有信息要傳送的用戶根據各自的需求可以占用1個或多個OFDM符號。每個用戶在信息傳送期間，可占用所有的系統帶寬，即該用戶的信息可以在OFDM的所有子載波上進行分配。

8.2 OFDM-CDMA

OFDM與CDMA擴頻技術相結合的方法可分為兩類：頻域擴頻和時域擴頻。頻域擴頻通常稱為Multicarrier CDMA(簡稱MC-CDMA)。時域擴頻有兩種不同的構成方法：分別稱為Multicarrier DS-CDMA(簡稱MC-DS-CDMA)和Multitone CDMA(簡稱MT-CDMA)。

(1)MC-CDMA

MC-CDMA是最早提出的OFDM與CDMA相結合的方案。在此方案中，每個信息符號先經過與擴頻序列各位相乘，相乘后對應于不同碼片的信號分別調制到不同的子載波上，若擴頻序列長度為L，信息符號則分別調制到L個子載波上，調制方式可采用二進制相移鍵控(BPSK)。如假定OFDM系統共有L個子載波，則CDMA系統的擴頻增益等于L。

在直接序列擴頻(DS-CDMA)系統中，信息在許多時間碼片上用同一載波頻率進行發送，而在MC-CDMA系統中，信息是在許多載波頻率碼片上同時進行發送的。可見，DS-CDMA與MC-CDMA系統之間有“時間/頻率”的對應關系：MC-CDMA把信息同時調制在不同載波頻率分量上(頻率碼片)，接收時對頻率碼片進行分集接收；DS-CDMA把信息同時調制在不同的時隙(時間碼片)上，但是使用同一載波頻率，接收時對時間碼片進行分集接收。

(2)MC-DS-CDMA

在MC-DS-CDMA方案中，輸入信息比特首先進行串/并變換，被分配到并行支路上，然后，各支路上的信息符號分別用長度為L的擴頻碼進行直接序列擴頻，擴頻后的信號再分別用各自的載波進行BPSK調制，調制后的信號進行求和后發送。

(3)MT-CDMA

在MT-CDMA方案中，輸入的信息符號首先經過串/并變換，調制到不同的載波上，以形成OFDM信號，OFDM的符號周期為Ts。然后再經過長度為L的擴頻碼擴頻，擴頻后每個子載波的帶寬擴展為L/Ts，而相鄰子載波的間隔仍然保持以前的1/Ts。MT-CDMA一般采用較長的擴頻序列，比DS-CDMA能容納更多用戶。

8.3 OFDM-FDMA

OFDM-FDMA在許多文獻中又被稱為OFDMA。這種多址接入方案與傳統的頻分復用(FDMA)很類似，它通過為每個用戶提供部分可用子載波的方法來實現多用戶接入。與傳統FDMA的不同之處在于，OFDMA方法不需要在各個用戶頻率之間采用保護頻段去區分不同的用戶。

OFDMA接入方案的優勢之一是可以很容易地引入跳頻技術，即在每個時隙中，可以根據跳頻圖樣來選擇每個用戶所使用的子載波頻率。每個用戶使用不同的跳頻圖樣進行跳頻，可以把OFDMA系統變化成為跳頻CDMA系統，從而可以利用跳頻的優點為OFDM系統帶來好處。

與直擴CDMA或者MC-CDMA相比，跳頻OFDMA的最大好處在于可以為小區內的多個用戶設計正交跳頻圖樣，從而可以較容易地消除小區內的干擾。

9 、正交頻分復用的應用

目前OFDM技術已經在眾多的高速數據傳輸領域得到了應用，如：歐洲的數字音頻和視頻廣播(DAB/DVB)、歐洲和北美的高速無線局域網系統(如HIPERLAN/2和IEEE 802.11a)以及高比特率數字用戶線(xDSL)。當前，人們正在考慮在基于IEEE 802.16標準的無線城域網(MAN)、基于IEEE 802.15標準的個人信息網(PAN)以及未來的下一代無線蜂窩移動通信系統中使用OFDM技術。下面，以數字音頻廣播、非對稱數字用戶線以及IEEE 802.11a無線局域網為例論述OFDM在實際通信系統中的應用。

9.1 數字音頻廣播

數字音頻廣播(DAB)是在現有模擬調幅(AM)和調頻(FM)廣播的基礎上發展起來的，它可以提供更優質的語音質量、更新的數據業務以及更高的頻譜效率，它所提供的語音質量可以與CD音質相媲美。1995年，歐洲電信標準協會(ETSI)首次提出了DAB標準，這是第一個采用OFDM的標準。

DAB標準包含4種傳輸模式，每種模式利用不同的OFDM參數集(參見表1)。其中模式1—3適用于特定的頻段，而模式4可以提供更好的覆蓋范圍但是更容易受到多譜勒頻移的影響。

在DAB系統中使用OFDM的一個重要原因是可以使用單頻網絡，這樣可以大大提高系統的頻譜效率。

在單頻網絡中，用戶可以從不同的發射機同時接收相同的信號。由于不同發射機到達用戶的距離不同，使得來自不同發射機的到達信號之間會存在時延(時延等于距離差除以光速)，對于用戶來說，這種情況等同于不同徑的衰落信道，因此，只要兩個信號之間的傳播時延小于OFDM符號的保護間隔，就不會出現符號間干擾(ISI)和子信道間干擾(ICI)。另外，兩個時間移位信號的疊加，使得合成信號處于深度衰落的概率要遠遠低于一個信號處于深度衰落的概率，因此可以獲得分集的好處。

DAB發射機的框圖如圖11所示。音頻編碼器的輸入信號可以是經過脈沖編碼調制(PCM)的單聲道或者立體聲音頻輸入信號，其抽樣速率為48 kHz，音頻編碼器采用MPEG layer II編碼方式，壓縮編碼后的語聲信號可有多種速率(如單聲道音頻信號的速率可在32～192 kbit/s之間變化)。音頻編碼器的輸出經過加擾，然后進行卷積編碼。卷積編碼采用碼率為1/4、約束長度為7的卷積碼。卷積編碼的輸出信號經過鑿孔，可以進一步提高碼率。卷積編碼器輸出信號的最大速率為2.2 Mbit/s。經過卷積編碼后的信號與其他路的音頻信號進行復用，然后加入輔助符號、同步符號等其他開銷，經過OFDM調制、射頻(RF)放大，通過天線或者電纜進行傳送。同時在DAB的幀中傳送的還有數據信號，這些數據信號可以是與音頻廣播節目相關的信息(如音樂的名稱、作曲家的名字等)，也可以是獨立的低速數據。輔助符號主要是一些用于對接收機進行控制的信息，包括業務信息(SI)和多路復用配置信息(MCI)。

9.2 非對稱數字用戶線

非對稱數字用戶線(ADSL)是由貝爾中心的Joe Lechleider于80年代末首先提出的利用電話網用戶環路中的銅雙絞線傳送雙向不對稱比特率數據的方法。ADSL由安裝在電話線兩端的一對高性能調制解調器組成，可提供3條信息通道：高速單工下行信道、中速雙工信道和普通電話業務(POTS)信道。ADSL采用頻分復用技術，利用濾波器分離不同信道的信息，ADSL設備發生故障，POTS業務將不受影響。高速下行信道的速率范圍為1.5～8 Mbit/s，雙工信道的速率范圍為16～640 kbit/s，每條信道還可通過多路復用分割成多條低速信道。ADSL可提供符合北美或歐洲標準的數字系列速率，而且還可為ATM提供可變速率。電話公司利用ADSL設備不需要布設新的線路就可向未來的用戶提供許多新的寬帶業務，如電視點播(VOD)、Internet接入、遠程醫療、遠程教育等。

ADSL在發展過程中，先后考慮過正交幅度調制(QAM)、無載波幅度相位調制(CAP)以及正交頻分復用(OFDM)調制等3種調制方式。在ADSL中，OFDM通常被稱為離散多音(DMT)調制。由于DMT調制對信道具有更好的適應性以及很容易對抗脈沖噪聲等優點，最終被美國國家標準協會(ANSI)和國際電信聯盟(ITU-T)選作ADSL的標準。

ADSL系統面臨的不利因素有：

傳輸線路組成復雜。電信網中的銅雙絞線可能由多種線徑的傳輸線路組成，中間還可能存在各種橋接抽頭。

高頻衰減嚴重。ADSL需要利用銅雙絞線的高頻帶寬(帶寬可達到1 MHz)來傳送高比特率信息，多數傳輸線路在頻率達1 MHz時的衰減超過100 dB。

脈沖噪聲干擾大。脈沖噪聲干擾指線路上由閃電、電器開關、電話摘掛機和振鈴等引起的脈沖噪聲。

來自其他設備的串擾。串擾指相鄰雙絞線中其他數字傳輸業務對ADSL的干擾。

單頻干擾。單頻干擾指由無線電廣播、工頻的諧波等引起的對ADSL的干擾。

ADSL利用銅雙絞線的0～1 MHz頻段傳輸數據，它將這部分可用頻段分成3段，其中0～4 kHz頻段用于POTS業務，20～138 kHz頻段用于傳送 閑?從用戶端到局端)控制信息，而下行(從局端到用戶端)數字信道可采用頻分復用(FDM)方式或頻譜重疊方式分別占用138 kHz或者20 kHz以上的頻段。在頻譜重疊方式中，ADSL接收端需要采用回波抵消算法來分離上下行信道的信息。

ADSL中的OFDM調制參數可參見表2。ADSL系統收發信機的工作原理簡要敘述如下：需要傳送的信息比特首先進行Reed-Solomon(RS)編碼，然后根據比特分配算法對編碼后的比特進行串/并變換。比特分配的目的是根據ADSL各子信道的信噪比對所有子信道上所能傳送的信息比特數進行優化分配，提高傳輸的可靠性。經過串/并變換后的比特再經過QAM調制，逆快速傅立葉變換(IFFT)，加入循環前綴(CP)，進行數/模(D/A)變換，然后經過耦合電路，通過雙絞線信道進行發送。對于從雙絞線接收到的信號，首先進行模/數(A/D)變換，然后進行時域均衡。時域均衡的目的是對雙絞線的沖激響應持續時間進行縮短，從而減小進行OFDM調制時所需要加入的CP數量。經過時域均衡后的信號去掉CP，經串/并變換，然后進行快速傅立葉變換(FFT)。在頻域中經過頻域均衡，QAM逆映射，RS譯碼，然后得到所發送的數字信息。頻域均衡的主要目的主要是為了消除信道特性、定時偏差以及信道估計誤差等對接收信號的影響。

9.3 無線局域網

由于與現有的有線局域網相比，無線接入方式具有可提供便捷靈活的接入方式，并且支持移動性等優點。自上世紀90年代以來，無線局域網(WLAN)技術得到了人們的廣泛關注。1997年6月，國際電氣與電子工程師(IEEE)協會通過了IEEE 802.11無線局域網標準。該標準定義了媒體接入控制(MAC)層和3種不同的物理層(PHY)接口。其中的兩種物理層接口工作在2.4 GHz頻段，另一種物理層接口工作在紅外頻段。該標準支持1～2 Mbit/s的數據傳輸速率。為了進一步提高數據傳輸速率，IEEE于1999年9月通過了兩種新的無線局域網物理層接口，分別是IEEE 802.11a和IEEE 802.11b標準。其中IEEE 802.11a工作在5 GHz頻段，可提供6～54 Mbit/s的數據傳輸速率，IEEE 802.11b標準仍然工作在2.4 GHz頻段，最大可提供10 Mbit/s的數據傳輸速率。表3中給出了IEEE 802.11a中的OFDM參數。

12中給出了IEEE 802.11a中OFDM收發機的信號處理框圖。圖中，在發射機路徑中，二進制輸入數據經過約束長度為7碼率為1/2卷積編碼器進行卷積編碼。通過對編碼器輸出數據進行鑿孔操作，卷積編碼碼率可以提高到2/3或3/4。經過交織之后，二進制數據進行QAM調制。為了便于相干檢測，在48個數據數值中需要插入4個導頻符號，這樣在每個OFDM符號內就可以得到52個QAM復數值，然后經過IFFT，把這些符號調制到52個子信道中。為了使系統能夠對抗多徑衰落，需要在符號之間插入保護間隔。而且為了得到較小的帶外輻射，還需要對符號進行加窗處理。最后，數字輸出信號被轉換為模擬信號，然后上變頻轉換到5 GHz頻段，再經過射頻放大，通過天線進行發送。

接收機執行發射機的逆操作，同時還需要執行附加的訓練過程。首先，接收機必須利用前同步域中的特殊訓練符號去估計頻率偏差與符號定時。然后實施FFT解調，恢復所有子信道中的52個QAM復數值。導頻符號被用于糾正信道影響，以及剩余的相位漂移。然后把QAM復數值逆映射為對應的二進制比特值。最后，對這些比特信息實施維特比譯碼，以恢復發送的二進制數據。

10、 結束語

從理論上來說，OFDM與單載波傳輸具有相同的信道容量。但是在具體的通信環境中，在存在嚴重符號間干擾或者多徑影響的信道上采用OFDM傳輸可獲得較好的性能。近來受到國內外廣泛關注的1個研究領域是OFDM在下一代蜂窩無線通信系統中的應用，OFDM與多天線技術以及空時編碼技術的結合可以大大提高蜂窩通信系統的性能。目前，OFDM已經基本被公認為是下一代蜂窩通信系統的核心技術。(續完)

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收稿日期：2003-03-20

作者簡介：

尹長川，北京郵電大學電信工程學院副教授，工學博士。目前正主持國家自然科學基金重大研究計劃項目“基于正交頻分復用的高速蜂窩因特網理論及關鍵技術研究”。主要研究領域為OFDM技術及其在下一代蜂窩移動通信系統中的應用。

羅濤，北京郵電大學電信工程學院講師，工學博士，主要研究領域為空時編碼、OFDM技術以及下一代蜂窩網絡技術。

佟學儉，北京郵電大學工學博士，西門子中國有限公司ICM部工程師，主要從事基于TD-SCDMA的第3代移動通信系統的研究與開發工作。