[科普中國]-FDMA

頻分多址（frequency division multiple access，F(xiàn)DMA），是把總帶寬被分隔成多個正交的信道，每個用戶占用一個信道。例如，把分配給無線蜂窩電話通信的頻段分為30個信道，每一個信道都能夠傳輸語音通話、數(shù)字服務(wù)和數(shù)字數(shù)據(jù)。頻分多址是模擬高級移動電話服務(wù)(AMPS)中的一種基本的技術(shù)，北美地區(qū)應(yīng)用最廣泛的蜂窩電話系統(tǒng)。采用頻分多址，每一個信道每一次只能分配給一個用戶。頻分多址還用于全接入通信系統(tǒng)(TACS)。

基本介紹FDMA把頻帶分成若干信道，同時供多個不同地址用戶使用不同的載波（信道）來實現(xiàn)多址聯(lián)接的通信方式，在一個頻率信道中同一時刻只能傳送一個用戶的業(yè)務(wù)信息；或指以載波頻率來劃分信道，每個信道占用一個載頻，相鄰載頻之間應(yīng)滿足傳輸帶寬的要求。在模擬移動通信中頻分多址是最常用的多址方式，每個載頻之間的間隔為30kHz或25kHz。在數(shù)字移動通信中頻分多址可以單獨使用或與其他多址方式混合使用，一般多與時分多址或碼分多址混合使用，這時每個載頻可以有多個時分多址的信道（時隙）或多個碼分多址的碼道，載頻之間的間隔也比較大，從幾百kHz到幾MHz。單獨使用頻分多址方式，每個載頻只傳輸1個用戶信號，頻帶占用較窄，移動臺設(shè)備簡單，但基站設(shè)備龐大復(fù)雜，有多少個信道就要有多少個收發(fā)信機，因此需要天線共用器，功率損失大；另外，越區(qū)切換較為復(fù)雜，切換時通信會中斷數(shù)十到數(shù)百毫秒，對于數(shù)據(jù)傳輸會帶來數(shù)據(jù)丟失。典型的例子如第一代蜂窩系統(tǒng)中的AMPS制式和TACS制式中所用的多址技術(shù)1。

在TACS或AMPS制式中，由于必須采用FDD方式，要為每個無線小區(qū)分配一組n對(上行和下行)頻率信道，這n對頻率信道可供該無線小區(qū)中的所有用戶共同使用，但只能供該無線小區(qū)的n個用戶同時使用。某移動用戶在發(fā)送信息時，占用一對頻率信道中的上行頻率信道，工作在該頻率信道上的基站接收機就設(shè)置相應(yīng)中心頻率及帶寬的接收帶通濾波器接收該用戶信息；而其他移動用戶可在其他上行頻率信道上同時發(fā)送信息。由于各頻率信道上的基站接收機都設(shè)置了對應(yīng)中心頻率和一定帶寬的接收帶通濾波器，所以基站各接收機能正確地接收各用戶的信息。同樣，各移動用戶接收信息時，在同一對頻率信道中的下行頻率信道上接收來自基站的信息。由于各移動臺設(shè)置了相應(yīng)中心頻率及帶寬的帶通濾波器，也能正確地接收各自的信息。在900MHz頻段，一對頻率信道的上下行頻率信道的頻率間隔為45MHz。

按照這種技術(shù)，把在頻分多路傳輸系統(tǒng)中集中控制的頻段根據(jù)要求分配給用戶。同固定分配系統(tǒng)相比，頻分多址使通道容量可根據(jù)要求動態(tài)地進行交換。在FDMA系統(tǒng)中，分配給用戶一個信道，即一對頻譜，一個頻譜用作前向信道即基站向移動臺方向的信道，另一個則用作反向信道即移動臺向基站方向的信道。這種通信系統(tǒng)的基站必須同時發(fā)射和接收多個不同頻率的信號，任意兩個移動用戶之間進行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)，因而必須同時占用2個信道(2對頻譜)才能實現(xiàn)雙工通信。

特點與目的特點FDMA是指不同的移動臺（或手機）占用不同的頻率，即每個移動臺占用一個頻率的信道進行通話或通信。因為各個用戶使用不同頻率的信道，所以相互沒有干擾。這是模擬載波通信、微波通信、衛(wèi)星通信的基本技術(shù)，也是第一代模擬移動通信的基本技術(shù)，早期的移動通信多使用這種方式。由于每個移動用戶進行通信時占用一個頻率、一個信道，頻帶利用率不高。隨著移動通信的迅猛發(fā)展，很快就顯示出其容量不足的缺點。

在頻分多址中，不同地址用戶占用不同的頻率，即采用不同的載波頻率，通過濾波器選取信號并抑制無用干擾，各信道在時間上可同時使用。頻分多址技術(shù)比較成熟，第一代蜂窩式移動電話系統(tǒng)采用的就是FDMA技術(shù)。模擬蜂窩式移動電話系統(tǒng)均使用頻分多址技術(shù)。在采用FDMA技術(shù)的第一代蜂窩系統(tǒng)中，各頻率信道除了要傳送用戶語音外，還要傳送信令信息。一般情況下，要為信令信息的傳送專門分配頻率信道，該頻率信道稱為專用控制信道或?qū)Ｓ眯帕钚诺?。但在通話過程中進行信道切換時，是在業(yè)務(wù)信道中傳送切換信令的。由于每個移動用戶使用控制信道的時間相對于使用業(yè)務(wù)信道的時間要少得多，所以往往一對控制信道可供一個基站或多個基站內(nèi)的所有移動用戶共同使用。另外還利用語音信道傳送狀態(tài)信號、證實信號、應(yīng)答信號以及為檢測正在使用的話音信道質(zhì)量而在整個通話過程中總是傳送的檢測音(SAT)等模擬信令。

采用FDMA技術(shù)的第一代蜂窩系統(tǒng)，每頻率信道帶寬不超過30kHz。傳送語音的業(yè)務(wù)信道是采用調(diào)頻方式將用戶話音調(diào)制到某一載頻上實現(xiàn)的。傳送信令的專用控制信道是采用FSK調(diào)制方式將較低速率的信令數(shù)據(jù)調(diào)制到某一載頻上實現(xiàn)的。由于傳送的信令數(shù)據(jù)速率較低，一般為8～10kbit/s，每個碼元的持續(xù)時間遠大于由于多徑傳輸產(chǎn)生的時延擴展。所以，在接收端不需要采用自適應(yīng)均衡技術(shù)。

衛(wèi)星通信中的多址聯(lián)接技術(shù)和多路復(fù)用技術(shù)是信號分割理論的具體應(yīng)用。它們很相似，但又有區(qū)別。多址技術(shù)是多個通信站的射頻信號在射頻信道上進行的多路復(fù)用，以達多個通信站間多邊通信的目的；而多路復(fù)用是一個通信站的多路群信號在中頻信道上進行的多路復(fù)用，以達兩個站間的雙邊多路通信的目的。

FDMA頻分多路多址聯(lián)接方式是每個地球站分配一個專用的載波，并且，所有地球站的載波互不相同，為了載波互不干擾，它們之間有足夠的間隔。即頻分多路復(fù)用－調(diào)頻方式－頻分多址聯(lián)接（FDM－FM－FDMA），這里，首先將電話信號經(jīng)長途電信局送到載波終端，按頻分多路復(fù)用FDM方式把信號復(fù)用在60路標(biāo)準(zhǔn)基帶中，整個基帶包括5個基群，每個基群有12個話路，將它們按預(yù)先分配方式分配給一個地球站。然后把60路的群信號用FM方式調(diào)制到分配給地球站的載波上，經(jīng)本站天線系統(tǒng)向衛(wèi)星發(fā)射。通過衛(wèi)星上轉(zhuǎn)發(fā)器將上行頻率變換成下行頻率，并發(fā)向各站，這些地球站將收到的信號解調(diào)便得到60路群信號，從群信號濾出發(fā)給本站的基群信號。

目的頻分復(fù)用的目的在于提高頻帶利用率。在通信系統(tǒng)中，信道能提供的帶寬往往要比傳送一路信號所需的帶寬寬得多。因此，一個信道只傳輸一路信號是非常浪費的。為了充分利用信道的帶寬，因而提出了信道的頻分復(fù)用問題。合并后的復(fù)用信號，原則上可以在信道中傳輸，但有時為了更好地利用信道的傳輸特性，還可以再進行一次調(diào)制。

在接收端，可利用相應(yīng)的帶通濾波器（BPF）來區(qū)分開各路信號的頻譜。然后，再通過各自的相干解調(diào)器便可恢復(fù)各路調(diào)制信號。

頻分復(fù)用系統(tǒng)的最大優(yōu)點是信道復(fù)用率高，容許復(fù)用的路數(shù)多，分路也很方便。因此，它成為模擬通信中最主要的一種復(fù)用方式。特別是在有線和微波通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。頻分復(fù)用系統(tǒng)的主要缺點是設(shè)備生產(chǎn)比較復(fù)雜，會因濾波器件特性不夠理想和信道內(nèi)存在非線性而產(chǎn)生路間干擾。

相關(guān)技術(shù)數(shù)字移動通信網(wǎng)的主要多址方式是FDMA、TDMA系統(tǒng)(GSM，DAMPS)。在頻譜效率上約是模擬系統(tǒng)的3倍，容量有限；在話音質(zhì)量上13kbit/s編碼也很難達到有線電話水平、FTDMA系統(tǒng)的業(yè)務(wù)綜合能力較高，能進行數(shù)據(jù)和話音的綜合，但終端接入速率有限（最高9.6kbit/s）。

TDMA系統(tǒng)無軟切換功能，因而容易掉話，影響服務(wù)質(zhì)量；TDMA系統(tǒng)的國際漫游協(xié)議還有待進一步的完善和開發(fā)。因而TDMA并不是現(xiàn)代蜂窩移動通信的最佳無線接入。

CDMA碼分多址技術(shù)完全適合現(xiàn)代移動通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換、國際漫游等。

多址技術(shù)區(qū)別FDMA是采用調(diào)頻的多址技術(shù)。業(yè)務(wù)信道在不同的頻段分配給不同的用戶。如TACS系統(tǒng)、AMPS系統(tǒng)等。

TDMA是采用時分的多址技術(shù)。業(yè)務(wù)信道在不同的時間分配給不同的用戶。如GSM、DAMPS等。

CDMA（碼分多址）是采用擴頻的碼分多址技術(shù)。所有用戶在同一時間、同一頻段上，根據(jù)不同的編碼獲得業(yè)務(wù)信道。

時分多址時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）是把時間分割成周期性的幀(Frame)每一個幀再分割成若干個時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各移動終端的信號而不混擾。同時，基站發(fā)向多個移動終端的信號都按順序安排在予定的時隙中傳輸，各移動終端只要在指定的時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分并接收下來。TDMA 較之 FDMA 具有通信口號質(zhì)量高，保密較好，系統(tǒng)容量較大等優(yōu)點，但它必須有精確的定時和同步以保證移動終端和基站間正常通信，技術(shù)上比較復(fù)雜2。

正交頻分多址正交頻分多址是OFDM(正交頻分復(fù)用)調(diào)制的一種形式，它針對多用戶通信進行了優(yōu)化，尤其是蜂窩電話和其它移動設(shè)備。

它是針對蜂窩電話長期演進(LTE)的最合適調(diào)制方案。在這種演變的過程中，OFDMA的名稱變?yōu)楦咚僬活l分復(fù)用分組接入(HSOPA)。OFDMA的變量由WiMAX論壇選為調(diào)制方案，后來又根據(jù)IEEE針對IEEE802.16-2004(固話)和802.12e(移動)WiMAX的標(biāo)準(zhǔn)進行了標(biāo)準(zhǔn)化。

與CDMA(碼分多真址接入)寬帶CDMA及通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)這類3G調(diào)制方案相比，它的好處在于具有更高的頻譜效率和更好的抗衰落性能。對于低數(shù)據(jù)率用戶，它只需要更低的發(fā)射功耗，具有恒定而不是隨時間變化的更短延遲，以及避免沖突的更簡潔方法。

OFDMA會把副載波的子集分配給各個用戶。以關(guān)于信道狀態(tài)的反饋為基礎(chǔ)，系統(tǒng)能執(zhí)行自適應(yīng)用戶到副載波的分配。只要這些副載波分配被迅速地執(zhí)行，與OFDM相比，快速衰退、窄帶同頻干擾性能都得到了改進。反過來，這又改進了系統(tǒng)的頻譜效率。

OFDMA顯然與其它的調(diào)制方案既有不同點，又有相似之處。例如，它能被當(dāng)作一種替代方案，把OFDM與時分多址連接方式(TDMA)或時域統(tǒng)計多路復(fù)用技術(shù)的結(jié)合起來。不采用“脈控”高功率載波，低數(shù)據(jù)率用戶就能連續(xù)地以低發(fā)射功率進行傳輸，并且這會產(chǎn)生恒定且更短的延遲時間。

另一方面，OFDMA也可以被看作是頻域和時域多路接入的結(jié)合。從這個角度看，頻譜被分割成時頻空間，并且時隙會沿著OFDM符號引導(dǎo)部分以及OFDM副載波引導(dǎo)部分進行分配。

通過一個短故事來理解OFDMA和其它幾種技術(shù)之間的關(guān)系是最好的方法。IEEE802.11WLAN系列的標(biāo)準(zhǔn)是對室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)考慮的。當(dāng)模擬蜂窩技術(shù)表現(xiàn)出了它的市場潛力及它在技術(shù)上的不足時，工程師就開始設(shè)計能把Wi-Fi功能擴展到戶外網(wǎng)絡(luò)的專有的MAC和PHY系統(tǒng)。

事實上，寬帶接入中的大部分活動發(fā)生在ISO第1層(PHY層)和2層(媒體訪問控制或MAC層)。

當(dāng)寬帶無線MAN(城域網(wǎng))的標(biāo)準(zhǔn)化工作開始后，它為研究其它調(diào)制方案打開了大門，并且OFDM和OFDMA的價值也變得顯而易見了。WiMAX論壇對這些方案的評估和向標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)提出的建議發(fā)揮了幫助作用。

這最終演進成IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.16-2004提供固定帶寬無線的標(biāo)準(zhǔn)，而IEEE802.16e則提供移動帶寬無線標(biāo)準(zhǔn)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都支持多個PHY模式，但其選項都不支持包括WCDMA或UMTS這種3G調(diào)制方案在內(nèi)的現(xiàn)有方案。與OFDM和OFDMA一起，可擴展的OFDMA方案也被包括在這一標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中。

可擴展的802.16物理層(sOFDMA)憑借針對固話和便攜式/移動使用模式的固定副載波間隔，為范圍從1.25MHz到20MHz的信道帶寬提供了最佳的性能。根據(jù)信道帶寬，利用可變的快速傅氏變換算法(FFT)，這一架構(gòu)以可擴展的子通道化結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。除了可變的FFT大小外，這一規(guī)范也支持像多輸入多輸出(MIMO)天線分集這樣的功能。

碼分多址碼分多址（CDMA）是在數(shù)字技術(shù)的分支--擴頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。CDMA是指一種擴頻多址數(shù)字式通信技術(shù)，通過獨特的代碼序列建立信道，可用于二代和三代無線通信中的任何一種協(xié)議。CDMA是一種多路方式，多路信號只占用一條信道，極大提高帶寬使用率，應(yīng)用于800MHz和1.9GHz的特高頻(UHF)移動電話系統(tǒng)。CDMA使用帶擴頻技術(shù)的模-數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，輸入音頻首先數(shù)字化為二進制元。傳輸信號頻率按指定類型編碼，因此只有頻率響應(yīng)編碼一致的接收機才能攔截信號。由于有無數(shù)種頻率順序編碼，因此很難出現(xiàn)重復(fù)，增強了保密性。CDMA通道寬度名義上1.23MHz，網(wǎng)絡(luò)中使用軟切換方案，盡量減少手機通話中信號中斷。數(shù)字和擴頻技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用使得單位帶寬信號數(shù)量比模擬方式下成倍增加，CDMA與其他蜂窩技術(shù)兼容，實現(xiàn)全國漫游。最初僅用于美國蜂窩電話中CMDAOne標(biāo)準(zhǔn)只提供單通道14.4Kbps和八通道115Kbps的傳輸速度。CDMA2000和寬帶CDMA速度已經(jīng)成倍提高。

有關(guān)術(shù)語頻分復(fù)用在FDD系統(tǒng)中，分配給用戶一個信道，即一對頻譜；一個頻譜用作前向信道即基站向移動臺方向的信道，另一個則用作反向信道即移動臺向基站方向的信道。這種通信系統(tǒng)的基站必須同時發(fā)射和接收多個不同頻率的信號；任意兩個移動用戶之間進行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)，因而必須同時占用2個信道（2對頻譜）才能實現(xiàn)雙工通信。它們的頻譜分割如圖所示。在頻率軸上，前向信道占有較高的頻帶，反向信道占有較低的頻帶，中間為保護頻帶。在用戶頻道之間，設(shè)有保護頻隙，以免因系統(tǒng)的頻率漂移造成頻道間的重疊。

FDMA系統(tǒng)是基于頻率劃分信道。每個用戶在一對頻道中通信。若有其它信號的成分落入一個用戶接收機的頻道帶內(nèi)時，將造成對有用信號的干擾。就蜂房小區(qū)內(nèi)的基站移動臺系統(tǒng)而言，主要干擾有互調(diào)干擾和鄰道干擾。在頻率集重復(fù)使用的蜂房系統(tǒng)中，還要考慮同頻道干擾。

在模擬蜂窩系統(tǒng)中，采用頻分多址方式是唯一的選擇。如以前我們所用的模擬網(wǎng)TACS系統(tǒng)，用的就是頻分多址。而在數(shù)字蜂窩中，則很少采用純頻分的方式。比如我們用的GSM系統(tǒng)，雖然也在頻率上做了劃分，但是更重要的是采用了時隙的概念，所以人們更愿意把其劃入時分復(fù)用（TDMA）。

時分復(fù)用時分多址是在一個寬帶的無線載波上，把時間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙（無論幀或時隙都是互不重疊的），每個時隙就是一個通信信道，分配給一個用戶。

系統(tǒng)根據(jù)一定的時隙分配原則，使各個移動臺在每幀內(nèi)只能按指定的時隙向基站發(fā)射信號（突發(fā)信號），在滿足定時和同步的條件下，基站可以在各時隙中接收到各移動臺的信號而互不干擾。同時，基站發(fā)向各個移動臺的信號都按順序安排在預(yù)定的時隙中傳輸，各移動臺只要在指定的時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號（TDM信號）中把發(fā)給它的信號區(qū)分出來。所以TDMA系統(tǒng)發(fā)射數(shù)據(jù)是用緩存-突發(fā)法，因此對任何一個用戶而言發(fā)射都是不連續(xù)的。這就意味著數(shù)字數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)調(diào)制必須與TDMA一起使用，而不象采用模擬FM的FDMA系統(tǒng)。

由于TDMA更考慮時間上的問題，所以我們要注意通信中的同步和定時問題，否則會因為時隙的錯位和混亂而導(dǎo)致接收端移動臺無法正常接收信息。

采用TDMA帶來的優(yōu)點是抗干擾能力增強，頻率利用率有所提高，系統(tǒng)容量增大，基站復(fù)雜性減小。TDMA用不同的時隙來發(fā)射和接收，因此不需雙工器。同時越區(qū)切換簡單（和FDMA相比較而言）。由于在TDMA中移動臺是不連續(xù)地突發(fā)式傳輸，所以切換處理對一個用戶單元來說是很簡單的，因為它可以利用空閑時隙監(jiān)測其他基站，這樣越區(qū)切換可在無信息傳輸時進行。因而沒有必要中斷信息的傳輸，即使傳輸數(shù)據(jù)也不會因越區(qū)切換而丟失。由于TDMA的諸多優(yōu)點，所以我們在第二代移動通信系統(tǒng)（指我國采用的GSM系統(tǒng)）中引入了TDMA技術(shù)。

碼分復(fù)用碼分復(fù)用(CDM，Code Division Multiplexing)是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復(fù)用方式，主要和各種多址技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了各種接入技術(shù)，包括無線和有線接入。例如在多址蜂窩系統(tǒng)中是以信道來區(qū)分通信對象的，一個信道只容納1個用戶進行通話，許多同時通話的用戶，互相以信道來區(qū)分，這就是多址。移動通信系統(tǒng)是一個多信道同時工作的系統(tǒng)，具有廣播和大面積覆蓋的特點。在移動通信環(huán)境的電波覆蓋區(qū)內(nèi)，建立用戶之間的無線信道連接，是無線多址接入方式，屬于多址接入技術(shù)。

碼分多路復(fù)用也是一種共享信道的方法，每個用戶可在同一時間使用同樣的頻帶進行通信，但使用的是基于碼型的分割信道的方法，即每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊，通信各方之間不會相互干擾，且抗干攏能力強。

碼分多路復(fù)用技術(shù)主要用于無線通信系統(tǒng)，特別是移動通信系統(tǒng)。它不僅可以提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皽p少干擾對通信的影響，而且增大了通信系統(tǒng)的容量.筆記本電腦或個人數(shù)字助理(Personal Data Assistant，PDA)以及掌上電腦(Handed Personal COmputer，HPC)等移動性計算機的聯(lián)網(wǎng)通信就是使用了這種技術(shù)。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

孫銳 - 教授 - 合肥工業(yè)大學(xué)