各种正交频分复用码分多址方法的通用结构
不同信号在同一条信号线上传输的方法
不同信号在同一条信号线上传输的方法引言：在现代通信领域中，不同信号的传输是必不可少的。
然而，由于信号的多样性和复杂性，如何在同一条信号线上传输不同类型的信号成为一个挑战。
本文将介绍几种常见的方法，以实现不同信号在同一条信号线上传输的目的。
一、模拟信号和数字信号的传输方法1. 频分复用（Frequency Division Multiplexing，简称FDM）：频分复用是一种将多个模拟信号通过不同的频率进行分割，并在同一条信号线上传输的方法。
通过将不同频率的模拟信号混合在一起，然后通过解调器将其分离，接收端可以恢复原始的模拟信号。
2. 时分复用（Time Division Multiplexing，简称TDM）：时分复用是一种将多个数字信号通过不同的时间片段进行分割，并在同一条信号线上传输的方法。
每个数字信号在不同的时间段内进行传输，接收端通过解调器将这些信号按照原始的时间顺序重新组合，实现信号的恢复。
二、模拟信号和数字信号混合传输的方法1. 脉冲振幅调制（Pulse Amplitude Modulation，简称PAM）：脉冲振幅调制是一种将模拟信号转换为数字信号的方法，通过调整脉冲的幅度来表示模拟信号的大小。
在传输过程中，数字信号可以通过不同的幅度值进行编码，并通过解调器进行解码，恢复出原始的模拟信号。
2. 正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM）：正交频分复用是一种将模拟信号和数字信号混合传输的方法，通过将信号分为多个子载波，并使得子载波之间正交，实现信号的独立传输。
接收端通过解调器将这些子载波分离，并恢复出原始的模拟信号和数字信号。
三、多路复用技术的应用1. 码分多址（Code Division Multiple Access，简称CDMA）：码分多址是一种将多个用户的信号通过不同的码片进行分割，并在同一条信号线上传输的方法。
通信PPT课件第六章 信道复用和多址方式
A站 B站 C站 通过转 发器
A站 B站 C站 通过转 发器
重发
A1
A2
A3
B1
B2
A1
12
重发
C1
C2
完全碰撞 部分碰撞
B1
C2
3456789
(a )
重发
A1
A2
A3
B1
B2
A1
12
重发
C1
C2
完全碰撞
B1
A3 B2 C 2
3456789 (b )
t t t t
t t t t
25
❖ 在每个子信道上，码元持续时间比信道的最大延迟小，从而可以消除码元间干扰。 ❖ 在允许信道失真的情况下设计一种系统， ❖ 把可用带宽细分为带宽相等的子信道。 ❖ 每个子信道的带宽都非常窄，以至于子 ❖ 信道的频率响应特性是近乎理想的， ❖ 如图。
2021/8/17
8
6.1.3正交频分复用
❖ 总共可有K＝B/Δƒ个子信道，Δƒ-子信道频率间隔。每个子信道都对应一 个载波:
MOD
BPF
BPF
DEM
LPF
f1(t)
01
f2 (t)
LPF
MOD
BPF
消息输入
02
fS (t)
主调制器
主解调器
MOD
信道
DEM
a
a
01
f2 (t)
BPF
DEM
LPF
消息输出
02
fN (t)
LPF
MOD
BPF
0N
(a) FS ( )
BPF
DEM
LPF
fN (t)
正交频分复用
正交频分复用(OFDM)是多载波传输技术之一，近年来受到广泛关注。
目前，这项技术已在许多高速信息传输领域得到应用，并且有可能成为下一代蜂窝移动通信系统的物理层传输技术。
本讲座将分3讲来介绍OFDM技术的基本原理及其应用。
第1讲首先介绍OFDM的基本原理，第2讲介绍OFDM中的相关信号处理技术，第3讲介绍OFDM中的多址方式及其在通信系统中的应用情况。
1 引言近些年来，以正交频分复用(OFDM)为代表的多载波传输技术受到了人们的广泛关注。
多载波传输把数据流分解为若干个独立的子比特流，每个子数据流将具有低得多的比特速率。
用这样低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号并行发送的传输系统。
OFDM是多载波传输方案的实现方式之一，在许多文献中，OFDM 也被称为离散多音(DMT)调制。
OFDM利用逆快速傅立叶变换(IFFT)和快速傅立叶变换(FFT)来分别实现调制和解调，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。
除了OFDM方式之外，人们还提出了许多其他的实现多载波调制的方式，如矢量变换方式、基于小波变换的离散小波多音频调制（DWMT）方式等，但这些方式与OFDM相比，实现复杂度相对较高，因而在实际系统中很少采用。
OFDM的思想最早可以追溯到20世纪50年代末期。
60年代，人们对多载波调制作了许多理论上的工作，论证了在存在符号间干扰的带限信道上采用多载波调制可以优化系统的传输性能；1970年1月有关OFDM的专利被首次公开发表；1971年，Weinstein和Ebert在IEEE杂志上发表了用离散傅立叶变换实现多载波调制的方法；80年代，人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，但是由于当时技术条件的限制，多载波调制没有得到广泛的应用；90年代，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步，OFDM技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注。
第六章 多路复用和多址技术
6.5多址技术
图7-11
多址通信示意图
6.5.1多址技术的基本原理
与多路复用技术类似，任何一种多址技术都要求不 同用户发射的信号在信号空间相互正交。FDMA在频域 中是正交的；TDMA在时域中是正交的； CDMA用户的 特征波形是正交的（互相关系数为0）。
对于多路数字电话系统，国际上有两种标准化制式， 即PCM 30/32路制式（E体系）和PCM 24路制式（T体 系）。我国规定采用的是PCM 30/32路制式，一帧共有 32个时隙，可以传送30路电话，即复用的路数n=32路， 其中话路数为30。PCM 30/32路系统的帧结构如图6-7所 示。
图6-7 PCM 30/32路系统的帧结构
所谓多址通信是指处于不同地址的多个用户共享信 道资源实现各用户之间相互通信的一种方式。由于用户 来自不同的地址，区分用户和区分地址是一致的。多址 方式的典型应用是卫星通信和蜂窝移动通信。在卫星通 信中，多个地球站通过公共的卫星转发器来实现各地球 站之间的相互通信。在移动通信中，则是多个移动用户 通过公共的基站来实现各用户的相互通信。 频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分 多址（CDMA）和空分多址（SCDMA）是几种主要的多 址技术。以卫星通信为例，FDMA是按地球站分配的射 频不同来区分地球站的站址；TDMA是按分配的时隙不 同来区分站址；CDMA是用相互正交的码字来区分站址； SCDMA是以卫星天线指向地球站的波束不同来区分站址。
[例6.2.2]
频分复用系统的主要优点是信道复用路数多、分路方便。 因此它曾经在多路模拟电话通信系统中获得广泛应用， 国际电信联盟（ITU）对此制定了一系列建议。例如， ITU将一个12路频分复用系统统称为一个“基群”，它占 用48kHz带宽；将5个基群组成一个60路的“超群”。用 类似的方法可将几个超群合并成一个“主群”；几个主 群又可合并成一个“巨群”。 频分复用主要缺点是设备庞大复杂，成本较高，还会因 为滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而出现路 间干扰，故近年来已经逐步被更为先进的时分复用技术 所取代。不过在电视广播中图像信号和声音信号的复用、 立体声广播中左右声道信号的复用，仍然采用频分复用 技术。
卫星通信
卫星通信:指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或者多个地球站之间进行的通信。
卫星通信特点:1）通信距离远，且费用与通信距离无关；2)覆盖面积大，可进行多址通信；3）通信频带宽，传输容量大；4）机动灵活；5）通信链路稳定可靠，传输质量高。
卫星通信系统的组成：通信卫星、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统，以及监控管理分系统四部分组成。
卫星通信系统的分类：1）按照卫星制式，分为随机、相位和静止3类卫星通信系统；2）按通信覆盖区的范围，分为国际、国内和区域3类卫星通信系统；3）按用户性质，分为公用、专用和军用3类卫星通信系统；4）按业务分为固定业务、移动业务、广播业务、科学实验及其它业务卫星通信系统；5）按多址方式，分为频分多址、时分多址、码分多址、空分多址和混合多址5类卫星通信系统；6）按基带信号体制，分为数字式和模拟式两类卫星通行系统；7）按所用频段，分为特高频、超高频、极高频和激光4类卫星通信系统。
地球站的分类：（1)按安装方法及设备规模，地球站可分为固定站、移动站(船载站、车载站、机载站等)和可搬动站(在短时间内可拆卸转移)。
(2)按天线反射面口径大小，地球站可分为20m、15m、10m、7m、5m、3m和1m等类型。
(3)按传输信号的特征，地球站可分为模拟站和数字站。
(4)按用途，地球站可分为民用、军用、广播、航空、航海、气象以及实验等地球站。
(5)按业务性质，地球站可分为遥控、遥测跟踪站，通信参数测量站和通信业务站。
地球站的组成：一般包括天馈设备、发射机、接收机、信道终端设备、天线跟踪设备以及电源设备。
天馈设备的主要作用是将发射机送来的射频信号经天线向卫星方向辐射，同时它又接收卫星转发的信号送往接收机。
发射机主要由上变频器和功率放大器组成，其主要作用是将已调制的中频信号，经上变频器变换为射频信号，并放大到一定的电平，经馈线送至天线向卫星发射。
对于上变频器这一频率变换设备，主要有一次变频和二次变频两种方式。
光码分多址复用OCDMA
在接收端，解码器对该扩时信号进行解 扩处理后，输入到判决设备进行判决。 再恢复原信号
WDM、OTDM、OCDM比较
WDM 需要精确的波长控制 需要多波长之间转换 需要精确调谐的光滤波器 允许的地址数少 受色散影响小
OTDM 采用超短脉冲激光器 需要全网同步 需 TBP 大 地址分配不灵活
4
01
5
10 13 15 T 20
25 28 30 32 T
01 5
10 12 15 T 20
25 28 30 31 32 T
两个光正交码的例子（码长为32，码重为4）
-1 0
5
10
15
20
25
30
(a)自相关曲线
1
0
5
10
15
20
25
30
(b)互相关曲线
自相关曲线和互相干曲线
较低的自相关旁瓣值使系统可以按异步方式进行工作，所有的用户可以随 时接入网络，发送数批信息而不必进行同步，这样就简化了网络的结构和 设备，降低了网络的造价。
“1” T “0”
．．． ．．．
＃1 发射机 光编码器
复 用
＃N 发射机 光编码器
光解码器
＃1
解 复
阈值判决
用
光解码器
＃N
OCDM通信系统框图
▪ 在发射端，要传输的数据信号首先经过适当的调制方式，转换成相应的光域上的信号，
然后再经过—个编码器进行扩频处理，标记上这个用户的地址信息，成为伪随机信号。
▪ 扩频信号(伪随机信号)通过光纤网络到达接收端之后，通过解码器进行解码处理，恢复
编码器 1
时分码分正交频分复用
时分码分正交频分复用时分码分正交频分复用（Time Division Multiple Access-Frequency Division Multiple Access，简称TDMA-FDMA）是一种用于无线通信系统的多址技术。
它是将时分多址（TDMA）和频分多址（FDMA）相结合的一种技术，旨在提高无线通信系统的频谱效率和容量。
时分多址（TDMA）是一种将时间划分为不同时隙的多址技术。
在一个时隙中，一个用户独占使用整个带宽资源进行通信。
不同用户之间的通信在时间上进行切片，每个用户按照既定的时序顺序进行发送和接收数据。
这样可以使不同用户在同一频带上进行通信，提高频谱的利用效率。
频分多址（FDMA）是一种将频谱资源划分为不同的频带的多址技术。
每个用户被分配一个独立的频带进行通信。
不同用户之间的通信在频率上进行区分，每个用户占据不同的频带资源进行传输。
这样可以使多个用户同时使用同一频段进行通信，提高频谱的利用率。
时分码分正交频分复用的基本原理是将时间、频率和码分复用相结合，通过划分不同的时隙、频带和码片来实现多用户之间的并行传输。
具体实现步骤如下：1.频率划分：将给定的频谱资源划分为多个频带，每个频带都被分配给一个用户进行通信。
每个频带的带宽应足够满足用户的数据传输需求，但又不能太宽，以免浪费频谱资源。
2.时隙划分：在每个频带中划分多个时隙。
每个时隙都被分配给一个用户进行数据传输。
时隙的长度应根据用户数据传输需求和系统容量进行合理划分。
3.码片划分：对每个时隙进行码片划分，实现码分多址。
码片是一种特殊的序列，用于区分不同用户的数据。
每个用户都有一个特定的码片序列，用于发送和接收数据。
码片序列应具有良好的正交性，以保证不同用户之间的数据能够正确解码。
4.并行传输：不同用户在各自的时隙和频带上同时进行传输。
通过时分多址和频分多址的结合，多个用户可以在同一频段上进行并行传输，大大提高了系统的频谱效率和容量。
正交频分复用介绍(西电)
OFDM的周波数OFDM信号强度频率图正交频分复用（Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM）有时又称为分离复频变调技术（discrete multitone modulation, DMT），可以视为多载波传输的一个特例，具备高速率资料传输的能力，加上能有效对抗频率选择性衰减，而逐渐获得重视与采用。
OFDM 使用大量紧邻的正交子载波（Orthogonal sub-carrier），每个子载波采用传统的调制方案，进行低符号率调制。
可以视为一调制技术与复用技术的结合。
调制(modulation)将传送资料对应于载波变化的动作，可以是载波的相位、频率、幅度、或是其组合。
复用(multiplexing)正交频分复用之基本观念为将一高速数据流，分割成数个低速数据流，并将这数个低速数据流同时调制在数个彼此相互正交载波上传送。
由于每个子载波带宽较小，更接近于相干带宽，故可以有效对抗频率选择性衰弱，因此现今以大量采用于无线通信。
正交频分复用属于多载波（multi-carrier）传输技术，所谓多载波传输技术指的是将可用的频谱分割成多个子载波，每个子载波可以载送一低速数据流。
特点OFDM优点•有效减少多径及频率选择性信道造成接收端误码率上升的影响•接收端可利用简单一阶均衡器补偿信道传输的失真•频谱效率上升OFDM缺点•传送与接收端需要精确的同步•对于多普勒效应频率漂移敏感•峰均比高•循环前缀（Cyclic Prefix）造成的负荷相比CDMA的优势•OFDM能更好地抵御多径干扰，且实现方式比较简单。
•与CDMA的Rake接收机相比，OFDMA提供的扁平频率信道能够获得更好的MIMO频率效率。
•处于业务连接状态的移动用户增加时，移动小区不会因呼吸效应而改变有效覆盖半径。
相比时分多址系统的优势•允许多个用户并行传送低速数据流。
•能够避免脉冲载波•可以灵活调整低速率用户的发射功率•时延固定且比较小•简化了多址接入的防碰撞实现机制•更好地抵御信号衰落和干扰单载波与多载波传送单载波(single carrier)•使用者在任何时间上只利用一个载波来进行传送与接收信号，如连结附pic1所示。
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[4 ] Vandendorpe L . Multitone spread spectrum multiple ac2
cess communications system in a multipat h Rician fading channel [J ] . IEEE Trans Vehic Tech ,1995 ,44 (2) : 327 ～337. [ 5 ] Sourour E ,Nakagawa M. Performance of ort hogonal mul2
3 结 论
对 OFDM2CDMA 通用结构的有关系统参数进
图 1 OFDM2CDMA 的通用发射机框图
行设置 ,即可得到 5 种典型 OFDM2CDMA 方法的简 化实现. 进一步地 ,基于该通用结构可得到其数字基 带等效实现模型[6 ] .
表 1 5 种 OFDM2CDMA 方法的系统参数比较
f j , m -
fj,n = J( m -
n
)
δ f
(3)
该式反映了下面的要求 :应使载荷相同子数据
流的所有子载波的频率间隔最大化. 理由是 ,频率间
隔较大的各个子载波所经历的衰落不相关 , 能够带
来频率分集增益.
如表 1 所示 , 适当改变通用发射机的有关系统
参数 ,即可得到 5 种典型 OFDM2CDMA 方法的发射
第 6 期 吴晓军 ,等 :各种正交频分复用码分多址方法的通用结构
647
M T2CDMA 属于串/ 并转换型 , 改进的 MC2CDMA 和改进的 MC2DS2CDMA 属于复制与串/ 并转换混 合型. 另一方面 , MC2CDMA 和改进的 MC2CDMA 又同属于频域扩频 ,而 MC2DS2CDMA 、改进的 MC2 DS2CDMA 和 M T2CDMA 则均属于时域扩频.
2 O FDM2CDMA 的通用结构
对上述 5 种典型方法中的“分解”和扩频处理进
行抽象 , 可得到 OFDM2CDMA 的通用结构 , 分别如
图 1 、图 2 所示. 该通用结构的系统参数包括 :串/ 并
转换因子 J 、复制因子 M 、扩频序列长度 GSS 、子载
波数
N SC (
=
JM)
、相邻子载波的频率间隔
转换器进行处理. 注意 , 合并系数
w
k, m
q ,j
是
对
时
域
RA KE 合并和频域频率分集合并的综合表示. 图 2
中的虚线框部分表示时域的 RA KE 合并 , 其中的 Q
表示 RA KE 的手指数 ,它满足
Q = Tch/ TC」+ 1
(4)
式中 : Tch表示信道的时延散布 ; ·」表示下取整算 子.
收稿日期 : 2000Ο09Ο01. 作者简介 : 吴晓军 (1969～) ,男 ,博士生 ;殷勤业 (联系人) ,男 ,教授 ,博士生导师. 基金项目 : 国家“八六三”计划资助项目 (863 - 317 - 03 - 01 - 05 - 20) ;教育部博士点基金资助项目 (1999069808) .
1 O FDM 和 CDMA 的结合
本文将各类 OFDM2CDMA 方法按原始数据流 “分解”的差异分为 3 类 :复制型 、串/ 并转换型和复 制与串/ 并转换混合型. 第 1 和第 3 类方法均包含复 制处理 ,从而具有频率分集作用 , 能提供较好的抗衰 落性能 ,而单纯串/ 并转换型的方法只能利用信道编 码来提高抗衰落性能. 文献[1 ]中则按扩频操作的差 异将各类 OFDM2CDMA 方法分为频域扩频和时域 扩频 2 类.
参考文献 :
[ 1 ] Hara S , Prasad R. Overview of multicarrier CDMA [J ] . IEEE Commun Mag ,1997 ,35 (12) :126～133.
[2 ] Yee N ,Linnartz J P , Fettweis G. Multicarrier CDMA in indoor wireless radio networks [ A ] . Proc IEEE PIMAC’ 93[ C] . New York : IEEE ,1993. 109～113.
第
35
卷
第
6
期
西
安
交
通
大
学
学
报
Vol. 35 №6
2001 年 6 月
J OU RNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSIT Y
J un. 2001
文章编号 :0253 - 987X(2001) 06Ο0646Ο03
各种正交频分复用码分多址方法的通用结构
ticarrier CDMA in a multipat h fading channel [J ] . IEEE Trans Commun ,1996 ,44 (3) :356～367. [ 6 ] 吴晓军 ,冯爱刚 ,殷勤业. 各种 OFDM2CDMA 方法的通 用离散模型与代数表示 [ A ] . 2000 年全国无线通信新 技术学术会议论文集[ C ] . 西安 :中国通信学会无线通 信委员会 ,2000. 134～138.
DS2CDMA MC2CDMA 改进的 MC2CDMA
MC2DS2CDMA 改进的 MC2DS2CDMA
M T2CDMA
GSS
J
GDS
1
GMC
1
GMMC
J
GMD
J
GMMD
J
GM T
J
M 1 GMC GMMC 1
M
1
T SD
TD J TD J TD J TD J TD
TC TD/ GDS TD J TD J TD/ GMD J TD/ GMMD J TD/ GMT
据流 ,共得到 MJ 路子数据流. 对它们再进行频域或
时域扩频 ,然后调制 MJ 个子载波. 子载波的频率为
f j , m ,且任两个子载波的频率间隔满足
fj,m -
fi,n = ( j -
i
)
δ f
+ J(m
-
n)δf
(2)
在式 (2) 中 ,若令 j = i , 则那些载荷着相同子数
据流的任意两个子载波的频率间隔为
各种 OFDM 2CDMA 方法不仅继承了 OFDM 的 上述优点 ,而且使 OFDM 获得了多址能力. 因此 , 它 们被广泛认为是未来无线多媒体通信的有效技术. 本文给出的 OFDM2CDMA 的通用结构 , 适于表达领 域中各种 OFDM2CDMA 方法 ,并且能够为它们的数 字基带等效实现奠定基础.
δ f
、原始
数据流的符号持续期 TD 、子数据流的符号持续期
TSD 、扩频序列的码片持续期 TC 、系统占用的总带
宽 B W 、子数据流的扩频序列 Ckj , m ( t ) ( j = 1 , …, J ; m = 1 , …, M ) .
系统 占 用 的 总 带 宽 B W 是 衡 量 各 种 OFDM2 CDMA系统频谱效率的重要参数 ,它满足
( School of Electronics and Information Engineering , Xi′an Jiaotong University , Xi′an 710049 , China)
在第三代移动通信系统中 , 码分多址 ( CDMA) 被普遍看作是多址技术的候选方案. 但是 , 在数据高 速传 输 的 条 件 下 , CDMA 的 性 能 会 因 多 址 干 扰 ( MA I) 和码间串扰 ( ISI) 更趋严重而迅速恶化.
δf
1/ TD 1/ ( J TD) GMD/ ( J TD) GMMD/ ( J TD) 1/ ( J TD)
N SC 1 GMC J GMMC J
JM
J
648
西 安 交 通 大 学 学 报 第 35 卷
w k , q :合并系数 ; k :用户号 ; q :RA KE 的手指号 ; m :复制器的支路号 ; m,j j :符号在长度为 J 的符号块中的位置号 图 2 OFDM2CDMA 的通用接收机框图
BW
=
( N SC
-
1)
δ f
+
(1
+ α)
1
TC
(1)
式中 :α表示 Nyquist 成形滤形器的滚降系数.
如图 1 所示 , 在 OFDM2CDMA 的通用发射机
端 ,每个用户的原始数据流先进行串/ 并转换 ,并行
输出 J 路不同的新数据流 ( TSD = J TD) . 每路新数据 流再分别经过复制器 , 并行输出 M 路相同的子数
[ 3 ] DaSilva V M ,Sousa E S. Multicarrier ort hogonal CDMA signals for quasi2synchronous communication systems [J ] . IEEE J Select Areas in Commun ,1994 ,12 (5) : 842 ～852.
吴晓军 , 殷勤业 , 冯爱刚 , 赵 铮
(西安交通大学电子与信息工程学院 , 710049 , 西安)
摘要 : 比较了各种正交频分复用码分多址方法在原始数据流“分解”操作上的差异 ,描述了它们的 系统参数 ,并构筑了能表示各种正交频分复用码分多址方法的通用结构. 适当改变该通用结构的有 关系统参数 ,即可得到本研究领域中 5 种典型方法的简化实现. 借助该通用结构 ,可进一步得到其 数字基带等效实现模型. 关键词 : 码分多址 ;多载波调制 ;正交频分复用 中图分类号 : TN916. 9 文献标识码 : A
机结构. 为增强对比性 ,表 1 也给出了 DS2CDMA 的