正交频分复用技术（3）

前两讲已经对正交频分复用(OFDM)的基本原理和OFDM的相关信号处理技术进行了介绍。本讲我们将介绍OFDM中的多址接入方式，包括时分多址、码分多址和频分多址，并简要探讨各种多址方式的特点；然后以数字音频广播、非对称数字用户线以及IEEE 802.11a无线局域网系统为例，介绍OFDM技术在实际通信系统中的应用。

　　8 正交频分复用多址接入技术

　　正交频分复用(OFDM)本身是一种调制技术，但它可以很容易地与多种多址接入技术相结合，为多个用户同时提供接入服务。常用的多址接入方式有3种，分别是时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)，OFDM都可以与它们结合，分别构成OFDM-TDMA、OFDM-FDMA和OFDM-CDMA 3种技术。

　　8.1 OFDM-TDMA

　　在正交频分复用时分多址(OFDM-TDMA)系统中，信息的传送是在时域上按帧来进行的，每个时间帧包含多个时隙，每个时隙的宽度等于1个OFDM符号的时间长度，有信息要传送的用户根据各自的需求可以占用1个或多个OFDM符号。每个用户在信息传送期间，可占用所有的系统带宽，即该用户的信息可以在OFDM的所有子载波上进行分配。

　　8.2 OFDM-CDMA

　　OFDM与CDMA扩频技术相结合的方法可分为两类：频域扩频和时域扩频。频域扩频通常称为Multicarrier CDMA(简称MC-CDMA)。时域扩频有两种不同的构成方法：分别称为Multicarrier DS-CDMA(简称MC-DS-CDMA)和Multitone CDMA(简称MT-CDMA)。

　　(1)MC-CDMA

　　MC-CDMA是最早提出的OFDM与CDMA相结合的方案。在此方案中，每个信息符号先经过与扩频序列各位相乘，相乘后对应于不同码片的信号分别调制到不同的子载波上，若扩频序列长度为L，信息符号则分别调制到L个子载波上，调制方式可采用二进制相移键控(BPSK)。如假定OFDM系统共有L个子载波，则CDMA系统的扩频增益等于L。

　　在直接序列扩频(DS-CDMA)系统中，信息在许多时间码片上用同一载波频率进行发送，而在MC-CDMA系统中，信息是在许多载波频率码片上同时进行发送的。可见，DS-CDMA与MC-CDMA系统之间有“时间/频率”的对应关系：MC-CDMA把信息同时调制在不同载波频率分量上(频率码片)，接收时对频率码片进行分集接收；DS-CDMA把信息同时调制在不同的时隙(时间码片)上，但是使用同一载波频率，接收时对时间码片进行分集接收。

　　(2)MC-DS-CDMA

　　在MC-DS-CDMA方案中，输入信息比特首先进行串/并变换，被分配到并行支路上，然后，各支路上的信息符号分别用长度为L的扩频码进行直接序列扩频，扩频后的信号再分别用各自的载波进行BPSK调制，调制后的信号进行求和后发送。

　　(3)MT-CDMA

　　在MT-CDMA方案中，输入的信息符号首先经过串/并变换，调制到不同的载波上，以形成OFDM信号，OFDM的符号周期为Ts。然后再经过长度为L的扩频码扩频，扩频后每个子载波的带宽扩展为L/Ts，而相邻子载波的间隔仍然保持以前的1/Ts。MT-CDMA一般采用较长的扩频序列，比DS-CDMA能容纳更多用户。

　　8.3 OFDM-FDMA

　　OFDM-FDMA在许多文献中又被称为OFDMA。这种多址接入方案与传统的频分复用(FDMA)很类似，它通过为每个用户提供部分可用子载波的方法来实现多用户接入。与传统FDMA的不同之处在于，OFDMA方法不需要在各个用户频率之间采用保护频段去区分不同的用户。

　　OFDMA接入方案的优势之一是可以很容易地引入跳频技术，即在每个时隙中，可以根据跳频图样来选择每个用户所使用的子载波频率。每个用户使用不同的跳频图样进行跳频，可以把OFDMA系统变化成为跳频CDMA系统，从而可以利用跳频的优点为OFDM系统带来好处。

　　与直扩CDMA或者MC-CDMA相比，跳频OFDMA的最大好处在于可以为小区内的多个用户设计正交跳频图样，从而可以较容易地消除小区内的干扰。

　　9 正交频分复用的应用

　　目前OFDM技术已经在众多的高速数据传输领域得到了应用，如：欧洲的数字音频和视频广播(DAB/DVB)、欧洲和北美的高速无线局域网系统(如HIPERLAN/2和IEEE 802.11a)以及高比特率数字用户线(xDSL)。当前，人们正在考虑在基于IEEE 802.16标准的无线城域网(MAN)、基于IEEE 802.15标准的个人信息网(PAN)以及未来的下一代无线蜂窝移动通信系统中使用OFDM技术。下面，以数字音频广播、非对称数字用户线以及IEEE 802.11a无线局域网为例论述OFDM在实际通信系统中的应用。

　　9.1 数字音频广播

　　数字音频广播(DAB)是在现有模拟调幅(AM)和调频(FM)广播的基础上发展起来的，它可以提供更优质的语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率，它所提供的语音质量可以与CD音质相媲美。1995年，欧洲电信标准协会(ETSI)首次提出了DAB标准，这是第一个采用OFDM的标准。

　　DAB标准包含4种传输模式，每种模式利用不同的OFDM参数集(参见表1)。其中模式1?3适用于特定的频段，而模式4可以提供更好的覆盖范围但是更容易受到多谱勒频移的影响。

　　在DAB系统中使用OFDM的一个重要原因是可以使用单频网络，这样可以大大提高系统的频谱效率。

　　在单频网络中，用户可以从不同的发射机同时接收相同的信号。由于不同发射机到达用户的距离不同，使得来自不同发射机的到达信号之间会存在时延(时延等于距离差除以光速)，对于用户来说，这种情况等同于不同径的衰落信道，因此，只要两个信号之间的传播时延小于OFDM符号的保护间隔，就不会出现符号间干扰(ISI)和子信道间干扰(ICI)。另外，两个时间移位信号的叠加，使得合成信号处于深度衰落的概率要远远低于一个信号处于深度衰落的概率，因此可以获得分集的好处。

　　DAB发射机的框图如图11所示。音频编码器的输入信号可以是经过脉冲编码调制(PCM)的单声道或者立体声音频输入信号，其抽样速率为48 kHz，音频编码器采用MPEG layer II编码方式，压缩编码后的语声信号可有多种速率(如单声道音频信号的速率可在32～192 kbit/s之间变化)。音频编码器的输出经过加扰，然后进行卷积编码。卷积编码采用码率为1/4、约束长度为7的卷积码。卷积编码的输出信号经过凿孔，可以进一步提高码率。卷积编码器输出信号的最大速率为2.2 Mbit/s。经过卷积编码后的信号与其他路的音频信号进行复用，然后加入辅助符号、同步符号等其他开销，经过OFDM调制、射频(RF)放大，通过天线或者电缆进行传送。同时在DAB的帧中传送的还有数据信号，这些数据信号可以是与音频广播节目相关的信息(如音乐的名称、作曲家的名字等)，也可以是独立的低速数据。辅助符号主要是一些用于对接收机进行控制的信息，包括业务信息(SI)和多路复用配置信息(MCI)。

　　9.2 非对称数字用户线

　　非对称数字用户线(ADSL)是由贝尔中心的Joe Lechleider于80年代末首先提出的利用电话网用户环路中的铜双绞线传送双向不对称比特率数据的方法。ADSL由安装在电话线两端的一对高性能调制解调器组成，可提供3条信息通道：高速单工下行信道、中速双工信道和普通电话业务(POTS)信道。ADSL采用频分复用技术，利用滤波器分离不同信道的信息，ADSL设备发生故障，POTS业务将不受影响。高速下行信道的速率范围为1.5～8 Mbit/s，双工信道的速率范围为16～640 kbit/s，每条信道还可通过多路复用分割成多条低速信道。ADSL可提供符合北美或欧洲标准的数字系列速率，而且还可为ATM提供可变速率。电话公司利用ADSL设备不需要布设新的线路就可向未来的用户提供许多新的宽带业务，如电视点播(VOD)、Internet接入、远程医疗、远程教育等。

　　ADSL在发展过程中，先后考虑过正交幅度调制(QAM)、无载波幅度相位调制(CAP)以及正交频分复用(OFDM)调制等3种调制方式。在ADSL中，OFDM通常被称为离散多音(DMT)调制。由于DMT调制对信道具有更好的适应性以及很容易对抗脉冲噪声等优点，最终被美国国家标准协会(ANSI)和国际电信联盟(ITU-T)选作ADSL的标准。

　　ADSL系统面临的不利因素有：

• 传输线路组成复杂。电信网中的铜双绞线可能由多种线径的传输线路组成，中间还可能存在各种桥接抽头。
• 高频衰减严重。ADSL需要利用铜双绞线的高频带宽(带宽可达到1 MHz)来传送高比特率信息，多数传输线路在频率达1 MHz时的衰减超过100 dB。
• 脉冲噪声干扰大。脉冲噪声干扰指线路上由闪电、电器开关、电话摘挂机和振铃等引起的脉冲噪声。
• 来自其他设备的串扰。串扰指相邻双绞线中其他数字传输业务对ADSL的干扰。
• 单频干扰。单频干扰指由无线电广播、工频的谐波等引起的对ADSL的干扰。

　　ADSL利用铜双绞线的0～1 MHz频段传输数据，它将这部分可用频段分成3段，其中0～4 kHz频段用于POTS业务，20～138 kHz频段用于传送上行(从用户端到局端)控制信息，而下行(从局端到用户端)数字信道可采用频分复用(FDM)方式或频谱重叠方式分别占用138 kHz或者20 kHz以上的频段。在频谱重叠方式中，ADSL接收端需要采用回波抵消算法来分离上下行信道的信息。

　　ADSL中的OFDM调制参数可参见表2。ADSL系统收发信机的工作原理简要叙述如下：需要传送的信息比特首先进行Reed-Solomon(RS)编码，然后根据比特分配算法对编码后的比特进行串/并变换。比特分配的目的是根据ADSL各子信道的信噪比对所有子信道上所能传送的信息比特数进行优化分配，提高传输的可靠性。经过串/并变换后的比特再经过QAM调制，逆快速傅立叶变换(IFFT)，加入循环前缀(CP)，进行数/模(D/A)变换，然后经过耦合电路，通过双绞线信道进行发送。对于从双绞线接收到的信号，首先进行模/数(A/D)变换，然后进行时域均衡。时域均衡的目的是对双绞线的冲激响应持续时间进行缩短，从而减小进行OFDM调制时所需要加入的CP数量。经过时域均衡后的信号去掉CP，经串/并变换，然后进行快速傅立叶变换(FFT)。在频域中经过频域均衡，QAM逆映射，RS译码，然后得到所发送的数字信息。频域均衡的主要目的主要是为了消除信道特性、定时偏差以及信道估计误差等对接收信号的影响。

　　9.3 无线局域网

　　由于与现有的有线局域网相比，无线接入方式具有可提供便捷灵活的接入方式，并且支持移动性等优点。自上世纪90年代以来，无线局域网(WLAN)技术得到了人们的广泛关注。1997年6月，国际电气与电子工程师(IEEE)协会通过了IEEE 802.11无线局域网标准。该标准定义了媒体接入控制(MAC)层和3种不同的物理层(PHY)接口。其中的两种物理层接口工作在2.4 GHz频段，另一种物理层接口工作在红外频段。该标准支持1～2 Mbit/s的数据传输速率。为了进一步提高数据传输速率，IEEE于1999年9月通过了两种新的无线局域网物理层接口，分别是IEEE 802.11a和IEEE 802.11b标准。其中IEEE 802.11a工作在5 GHz频段，可提供6～54 Mbit/s的数据传输速率，IEEE 802.11b标准仍然工作在2.4 GHz频段，最大可提供10 Mbit/s的数据传输速率。表3中给出了IEEE 802.11a中的OFDM参数。

　　图12中给出了IEEE 802.11a中OFDM收发机的信号处理框图。图中，在发射机路径中，二进制输入数据经过约束长度为7码率为1/2卷积编码器进行卷积编码。通过对编码器输出数据进行凿孔操作，卷积编码码率可以提高到2/3或3/4。经过交织之后，二进制数据进行QAM调制。为了便于相干检测，在48个数据数值中需要插入4个导频符号，这样在每个OFDM符号内就可以得到52个QAM复数值，然后经过IFFT，把这些符号调制到52个子信道中。为了使系统能够对抗多径衰落，需要在符号之间插入保护间隔。而且为了得到较小的带外辐射，还需要对符号进行加窗处理。最后，数字输出信号被转换为模拟信号，然后上变频转换到5 GHz频段，再经过射频放大，通过天线进行发送。

　　接收机执行发射机的逆操作，同时还需要执行附加的训练过程。首先，接收机必须利用前同步域中的特殊训练符号去估计频率偏差与符号定时。然后实施FFT解调，恢复所有子信道中的52个QAM复数值。导频符号被用于纠正信道影响，以及剩余的相位漂移。然后把QAM复数值逆映射为对应的二进制比特值。最后，对这些比特信息实施维特比译码，以恢复发送的二进制数据。

　　10 结束语

　　从理论上来说，OFDM与单载波传输具有相同的信道容量。但是在具体的通信环境中，在存在严重符号间干扰或者多径影响的信道上采用OFDM传输可获得较好的性能。近来受到国内外广泛关注的1个研究领域是OFDM在下一代蜂窝无线通信系统中的应用，OFDM与多天线技术以及空时编码技术的结合可以大大提高蜂窝通信系统的性能。目前，OFDM已经基本被公认为是下一代蜂窝通信系统的核心技术。(续完)

　　参考文献：
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