首页 > 无线通信 > 技术文章 > OFDM与CDMA之探讨与比较

OFDM与CDMA之探讨与比较

2015-04-18   来源:互联网   点击:
为有效解决第二代行动电话(GSM)因使用高速TDMA技术易受多重路径损耗(multi path fading)影响而造成inter-symbol interference的缺点,及在有限频率资源限制下,更有效提升传输速率与满足高速行动的需求,于
为有效解决第二代行动电话(GSM)因使用高速TDMA技术易受多重路径损耗(multi path fading)影响而造成inter-symbol interference的缺点,及在有限频率资源限制下,更有效提升传输速率与满足高速行动的需求,于是CDMA 与OFDM 技术于1990年后相继被提出。

OFDM 将传输频宽分割成多个窄频宽的子通道,同时使用多个载波来载送讯息,由于讯息资料被平均分配于各个子通道同时传送,有效降低每个子通道之实质资料量与传送速率,因而具有良好频谱使用效率及绝佳多重路径损耗(multi path fading)之免疫力。 

CDMA是一种分码多工扩频(Spread Spectrum) 技术,将原始窄频讯息以拟真杂讯乱码(Pseudo random noise code)扩展成宽频讯号,所有使用者资讯在同一频道同时收送资料,因而有效的增进频谱使用效益。 更由于将传送讯息隐藏于杂讯中,故具备高隐密性,不易被侦搜之特性。 

一、行动无线通道特性 

接收端只接收单一来向(path)无线电信号,以完整无瑕的还原发射端资讯,为理想无线通道的目标。 但实际上无线通道上传输的资讯波形,会因衰减(attenuation)、反射(reflection)、折射(refraction)与绕射(diffraction)等因素影响而满布杂讯,如果发射端处于行动状态,更会因都卜勒效应(Doppler effect)而引起频率漂移。 首先让我们先探讨各项影响无线电波传递之因素: 

1.衰减(attenuation) 

点对点间通信会因建筑物、树林与地形地貌等障碍物影响而造成通信盲区,如图一所示。 无线电信号会因障碍物阻挡而造成信号衰减,建筑物愈密集,影响愈大(约衰减20dB)。 尤其是电波绕射现象,更容易造成通信盲区扩大。 避免此现象,最好将接收/发射天线设置于可视区(line of sight)。 

\
[图一]无线电波传递示意图 

2.多路径衰落(Multipath Fading) 

无线电波传递,常会因障碍物阻挡而造成电波的反射与与折射,因而在接收端形成多路径信号,由于各路径的相位(phase)不同而造成接收端信号大小起伏不定,称为多路径衰落(Multipath Fading),如图二。 各路径讯号因相位不同因而造成接收端信号起伏达10 ~ 30dB,如图三。 尤其因近端阻挡物(树木,建筑物…)所引起的反射,常会造成些频率讯号完全消失,称为frequency selective fading,对传统窄频通信影响更大。 

\
[图二] 多路径讯号示意图 


\
[图三] 多重路径对信号之影响 


多路径信号也常因抵达接收端时间不同而造成波型失真与扩散,称为延迟扩散(delay spread)如图四。 此现象对数位通信影响甚巨,尤其是TDMA系统,因容易造成symbol与symbol间互相干扰(Inter Symbol Interfence)而增加传输错误率 



\
[图四] Delay Spread示意图 


3.都卜勒频移(Doopler shift) 
当无线通信系统处于移动状态下,电波传递会因发射与接收两端因相互接近或远离而改变频率称为都卜勒效应(Doopler effect)。 频率变化量则依双方相对速度与发射频率而定ΔF = ±f × V/C 

其中ΔF =频率变化量 
F = 发射频率 
V = 双方相对速度 
C = 光速都卜勒频移现象对一般通讯影响不大,但对载波频率极为敏感之数位通信技术如COFDM则影响显著。 

二、多重接取技术(Multiple access) 
在有限的频宽内让多位使用者同时进行通信,为多重接取技术主要目的,其中分频多重接取(FDMA)、分时多重接取(TDMA) 与分码多重接取(CDMA)为三种主要技术。 FDMA的方式是在频率上直接切割,将全数频宽切成每个等宽频带的通道,每个通道可供一个用户使用。 其优点为使用者可持续通信但极浪费频率资源而且极易产生谐波干扰。 TDMA则是将频宽以时区(time slot)分割,让使用者轮流使用频宽收送资料。 由于是以时区来区分每依使用者故需极佳之时脉同步,同时受多路径衰落之影响较大。 CDMA是一种展频(Spread Spectrum)技术的应用,大致可分为两大类。 其中直接序列(Direct Sequence)是将所有用户讯号利用特定编码(PN code)扩展在同一个宽频范围内;而频率跳跃(Frequency Hopping)则是用户传送之讯号于固定时间在许多频段间以特定方式跳跃。 

CDMA由于具有极佳之保密性及抗干扰性,因此西元1960年代便被使用在军事用途上,近年来更被研究应用在细胞式行动通信系统上,可以提高其用户容量。 图五、六、七分别为FDMA、FDM + CDMA与CDMA传送示意图 
\
[图五] FDMA 



\
[图六] FDMA + CDMA 


\
[图七] CDMA 



三、CDMA原理 <br />直接序列展频系统架构如图八与图九,将输入资料串以高chip rate之虚拟乱码(PN Code)以modular-2加法器扩展成宽频讯号后,再调制成射频讯号发射出去。接收端则先将宽频射频讯号降至基频讯号后,再以相同虚拟乱码还原成原来资料。 虚拟乱码用于扩展资料频谱与区分同一频带内之每个使用者,分为短码与长码两种型态。 短码得长度为10 ~ 128 chips,优点是发射/接收端同步容易,但保密性不够。 长码则可高达百万chips,保密性极高但同步机制极为复杂。 检视展频系统良窳之重要参数为处理增益(processing gain),其定义为扩展后之射频频宽与原输入资料之频宽比。 
Gp = BWrf / BWinfo 
Gp = 处理增益 
BWrf = 射频频宽 
BWinfo= 输入资料频宽 

一般展频通信系统之处理增益约为20dB 至60dB间,展频通信系统最大优点为能有效避开使用者间之相互干扰(interference)问题,而解决程度端赖于处理增益大小,愈大愈能有效避开。 

\
[图八] CDMA 发射端架构图 

\
[图九] CDMA 接收端架构图 


四、OFDM 
正交多频分工(OFDM)是一种多载波传输技术,将高速率的输入资料分割成多个较低速率的资料,并分别载在彼此正交的载波上传送。 OFDM类似FDMA,每个使用者均在不同频率载波上收送资料,但因OFDM的每一载波彼此正交,可有效避免相邻载波间之相互干扰(Interference),故具备较佳之频谱使用效率。 又因多载波同时传送,解决了TDMA 系统因时槽切换所造成的overhead现象。 OFDM的每一载波频宽极窄,传输速率也低,故能有效避免多路径延迟扩散(multipath delay spread)的问题。 

OFDM 发射端与接收端架构如图十。 为确保每一载波的正交状态,载波的频谱、大小与相位均依据输入资料与调变方式仔细精算后,经过反快速傅利叶转换(IFFT)基频时域讯号。 接收端再经由离散快速傅利叶转换(FFT)回复频谱在解调成原输入资料。 对多路径延迟扩散(delay spread)效应较具免疫力,是OFDM的主要特点。 主要藉由加入循环字首(cyclic prefix)有效解决传输时的讯号之间的互相干扰(ISI)与通道之间的互相扰(ICI)。 

OFDM虽具备多种优点,但从射频电路设计角度而言,因OFDM是multitone的调变系统, 所以OFDM的每个载波的功率会以高斯分布的方式呈现忽大忽小现象,而这种现象会造成amplifier所需要操作的线性区间过大, 容易使signal被切掉,而造成讯号的失真,此高峰值对均值功率比(Peak-to-Average Power Ratio)。 为OFDM系统设计上一大挑战。 

\
[图十] OFDM 发射端架构图 


五、结语 

高的资料传输率(High data transmission rate)与高的频宽使用效率(High bandwidth efficiency)为OFDM主要优点,更由于OFDM 技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。 CDMA虽具备抗窄频干扰能力的优点,但对抗多路径干扰的能力则不及OFDM。 因为具备了显著的优势,OFDM在未来行动通信和其他宽频无线技术的发展中势必获得广泛的应用。 有理由相信,随着人们对无线通信需求的进一步增加,OFDM必将获得更大的发展。 

(作者现任职于麟瑞科技) 

上一篇:楼宇对讲在无线电通信网络中的不安全因素
下一篇:解析:无线通信与联合网络编码技术