多载波CDMA技术原理分析

多载波ＣＤＭＡ技术原理分析

【摘要】：多载波扩频码分多址(MC-CDMA)是一种消除符号间干扰的有效技术，它结合了OFDM和CDMA的优点，在高速数据传输时，其抗符号间干扰的性能明显优于传统的单载波CDMA，文章介绍了多载波扩频码分多址技术的基本原理及其技术特点，为该技术的实际应用提供了理论基础。

【关键词】：多载波；CDMA；OFDM；码分多址；扩频

1. 概述

码分多址（CDMA）技术作为一种扩频技术，将信息扩展到比基带信号宽得多的频谱上传输，码元的周期大大缩短，在高速率数据传输时，必然会受到码间干扰的影响。虽然可以使用RAKE 接收技术来解决多径效应等问题，但面对Mbs级的第三代移动通信系统，RAKE 接收技术仍无法使CDMA 性能得到大幅度的提高。实际上当数据速率达到百Mb/s时，系统性能的下降和同步的困难使得CDMA技术的应用显得很不可行。多载波CDMA技术能有效的解决这个问题。多载波CDMA技术是将能有效对抗多径效应的正交多载波调制技术(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplex)和CDMA技术相结合的一种技术。为此，有必要首先讨论正交多载波调制技术（OFDM）。

2. OFDM技术

2.1 多载波技术

多载波传输技术是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应大多是非平坦的，而多载波的主要思想是在频域内将所给的信道分成许多子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性衰落，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个信道上是进行窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽，因此就可以大大消除码间干扰（ISI），适合于高速的无线数据通信。

多载波调制（MCM）与FDMA 中每个用户只能在一个子信道进行数据传输不同，它可以使每个用户在系统的若干个子信道进行数据传输，与FDMA 系统用户相比，它可以传输更高速率的数据传输。这一方案通过将宽带信号分成许多的不易受ISI干扰的窄带信号来降低ISI 的影响。窄带信号的带宽通常小于信道的相干带宽。因此，窄带信号不会发生频率选择性衰落。OFDM就是一种多载波调制技术。为了更好的理解多载波调制，我们对多载波调制和直接序列扩频作一比较。直接序列扩频原理如图1所示，多载波调制原理如图2所示。

2.2 OFDM基本原理

正交多载波调制技术（OFDM）是将高速率的串行数据转换为低速率的并

行数据流，然后用一组相应数量且相互正交的载波进行调制，从而使得每个子信道得码元宽度大于信道时延扩展，保证了系统不受多径所引起得码间干扰。由于各载波间具有正交的特性，故能有效得避免邻近子频间的相互干扰。OFDM的多载波调制和解调是通过离散傅立叶反变换（IDFT）和离散傅立叶变换（DFT）来实现的。采用离散傅立叶变换实现OFDM 调制和传统的频分复用（FDM）技术有很大的不同。在传统的FDM 技术中，每个子信道是不重叠的，为防止信道间的干扰，信道间还要加保护间隔，导致频带利用率下降。而在OFDM 中，子信道间不加保护间隔，因此可有效提高频带的利用率。

2.3 OFDM技术的特点

2.3.1 OFDM技术的优点：

(1) OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰会导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道可以采用纠错码来进行纠错。

(2) 通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。如果衰落不是特别严重，则没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码使系统性能得到提高。

(3) 信道利用率很高。由于OFDM 技术的各个子载波之间是正交的，当子载波数目很大时，系统的频带利用率趋于Nyquist 极限。这在无线频谱资源有限的环境中具有很重要的性能。

2.3.2 OFDM技术的两个缺陷：

(1) 对频率偏移和相位噪声很敏感。如果不能很好的做到精确的定时和控制频偏，OFDM 正交性将无法保证，就必然引起各子载波之间的相互干扰（ICI）及符号间干扰（ISI）。

(2) 峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。

3. 多载波CDMA(MC-CDMA)技术

CDMA技术中采用RAKE接受技术来对抗多径干扰，实际中实现比较复杂。而OFDM技术能很好的对抗多径干扰和频率选择性衰落，并且性能比RAKE接受技术更好，特别适用于无线高速数据传输。为此，我们将CDMA技术和OFDM 技术相融合，这就是多载波CDMA技术。主流的多载波CDMA方案有多载波CDMA(MC-CDMA)方案、多载波直接序列CDMA(MC-DS-CDMA)方案和多音频CDMA(MT-CDMA)方案。文章主要简要讨论MC-CDMA。

MC-CDMA是最早提出的OFDM与CDMA相结合的方案。它的主要思想

是：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。为此，我们也可以把MC－CDMA 理解为：

(1) MC-CDMA 是把信息符号扩频后，再经过IDFT 变换到频域；

(2) MC-CDMA 是一种特殊的DS-CDMA，但是扩频是在频域内进行的，即采用扩频码的IFFT 来进行扩频；

(3) MC-CDMA 是一种OFDM，但在形成OFDM 之前，将用户信息符号与一个扩频向量相乘。因此，MC-CDMA 也可以叫做OFDM-CDMA；

(4) MC-CDMA 是一种频域分集的技术，它将一个信息比特同时在很多个子载波上传输，每个子载波均有恒定的相位偏移，利用这个相位偏移的集形成一个地址码区分不同的用户。

MC-CDMA的发送端如图3所示：

多载波CDMA的性能体现在：

(1) 与单载波DS-CDMA (SC-DS-CDMA)相比，MC-CDMA 和MC-DS-CDMA 具有较长的码长，因此更容易完成序列同步,并减小了多址和多径接入干扰(MAI/MPI)，在抗干扰方面具有明显优于SC-DS-CDMA 的性能。

(2) 当DS-CDMA 中使用方脉冲时，MC-CDMA需要的带宽是DS-CDMA 的一半，如果系统使用相同的带宽，则MC-CDMA能达到DS-CDMA两倍的增益，系统的总用户数也是其两倍。

(3) 从频谱分布上来看，MC-CDMA的频谱分布较好，抗干扰性能好，频谱利用率高。

(4) DS-CDMA 将信息同时调制在不同的时隙（时间码片）上，但是使用同一频率，接收时对时间码片进行分集接收。而MC-CDMA所不同的是在所有子载波上传送相同的信息符号，具有频率分集的效果，即MC-CDMA 将信息调制在不同的频率分量上（频率码片），接收时对频率码片进行分集接收。

4. 结束语

文章主要在介绍多载波调制基本原理的基础上，重点分析了将OFDM技术和CDMA技术相结合的方案：多载波CDMA(MC-CDMA)。CDMA技术中采用RAKE接受技术来对抗多径干扰，实际中实现比较复杂。而多载波CDMA技术能很好的对抗多径干扰和频率选择性衰落，并且性能比RAKE接受技术更好，