為有效解決第二代行動電話(GSM)因使用高速TDMA技術易受多重路徑損耗(multi path fading)影響而造成inter-symbol interference的缺點，及在有限頻率資源限制下，更有效提升傳輸速率與滿足高速行動的需求，于是CDMA 與OFDM 技術于1990年后相繼被提出。

OFDM 將傳輸頻寬分割成多個窄頻寬的子通道，同時使用多個載波來載送訊息，由于訊息資料被平均分配于各個子通道同時傳送，有效降低每個子通道之實質資料量與傳送速率，因而具有良好頻譜使用效率及絕佳多重路徑損耗(multi path fading)之免疫力。 

CDMA是一種分碼多工擴頻(Spread Spectrum) 技術，將原始窄頻訊息以擬真雜訊亂碼(Pseudo random noise code)擴展成寬頻訊號，所有使用者資訊在同一頻道同時收送資料，因而有效的增進頻譜使用效益。 更由于將傳送訊息隱藏于雜訊中，故具備高隱密性，不易被偵搜之特性。 

一、行動無線通道特性 

接收端只接收單一來向(path)無線電信號，以完整無瑕的還原發射端資訊，為理想無線通道的目標。 但實際上無線通道上傳輸的資訊波形，會因衰減(attenuation)、反射(reflection)、折射(refraction)與繞射(diffraction)等因素影響而滿布雜訊，如果發射端處于行動狀態，更會因都卜勒效應(Doppler effect)而引起頻率漂移。 首先讓我們先探討各項影響無線電波傳遞之因素: 

1.衰減(attenuation) 

點對點間通信會因建筑物、樹林與地形地貌等障礙物影響而造成通信盲區，如圖一所示。 無線電信號會因障礙物阻擋而造成信號衰減，建筑物愈密集，影響愈大(約衰減20dB)。 尤其是電波繞射現象，更容易造成通信盲區擴大。 避免此現象，最好將接收/發射天線設置于可視區(line of sight)。 


[圖一]無線電波傳遞示意圖 

2.多路徑衰落(Multipath Fading) 

無線電波傳遞，常會因障礙物阻擋而造成電波的反射與與折射，因而在接收端形成多路徑信號，由于各路徑的相位(phase)不同而造成接收端信號大小起伏不定，稱為多路徑衰落(Multipath Fading)，如圖二。 各路徑訊號因相位不同因而造成接收端信號起伏達10 ~ 30dB，如圖三。 尤其因近端阻擋物(樹木，建筑物…)所引起的反射，常會造成些頻率訊號完全消失，稱為frequency selective fading，對傳統窄頻通信影響更大。 


[圖二] 多路徑訊號示意圖 



[圖三] 多重路徑對信號之影響 


多路徑信號也常因抵達接收端時間不同而造成波型失真與擴散，稱為延遲擴散(delay spread)如圖四。 此現象對數位通信影響甚巨，尤其是TDMA系統，因容易造成symbol與symbol間互相干擾(Inter Symbol Interfence)而增加傳輸錯誤率 




[圖四] Delay Spread示意圖 


3.都卜勒頻移(Doopler shift) 
當無線通信系統處于移動狀態下，電波傳遞會因發射與接收兩端因相互接近或遠離而改變頻率稱為都卜勒效應(Doopler effect)。 頻率變化量則依雙方相對速度與發射頻率而定ΔF = ±f × V/C 

其中ΔF =頻率變化量 
F = 發射頻率 
V = 雙方相對速度 
C = 光速都卜勒頻移現象對一般通訊影響不大，但對載波頻率極為敏感之數位通信技術如COFDM則影響顯著。 

二、多重接取技術(Multiple access) 
在有限的頻寬內讓多位使用者同時進行通信，為多重接取技術主要目的，其中分頻多重接取(FDMA)、分時多重接取(TDMA) 與分碼多重接取(CDMA)為三種主要技術。 FDMA的方式是在頻率上直接切割，將全數頻寬切成每個等寬頻帶的通道，每個通道可供一個用戶使用。 其優點為使用者可持續通信但極浪費頻率資源而且極易產生諧波干擾。 TDMA則是將頻寬以時區(time slot)分割，讓使用者輪流使用頻寬收送資料。 由于是以時區來區分每依使用者故需極佳之時脈同步，同時受多路徑衰落之影響較大。 CDMA是一種展頻（Spread Spectrum）技術的應用，大致可分為兩大類。 其中直接序列（Direct Sequence）是將所有用戶訊號利用特定編碼(PN code)擴展在同一個寬頻范圍內；而頻率跳躍（Frequency Hopping）則是用戶傳送之訊號于固定時間在許多頻段間以特定方式跳躍。 

CDMA由于具有極佳之保密性及抗干擾性，因此西元1960年代便被使用在軍事用途上，近年來更被研究應用在細胞式行動通信系統上，可以提高其用戶容量。 圖五、六、七分別為FDMA、FDM + CDMA與CDMA傳送示意圖 

[圖五] FDMA 




[圖六] FDMA + CDMA 



[圖七] CDMA 



三、CDMA原理 <br />直接序列展頻系統架構如圖八與圖九，將輸入資料串以高chip rate之虛擬亂碼(PN Code)以modular-2加法器擴展成寬頻訊號后，再調制成射頻訊號發射出去。接收端則先將寬頻射頻訊號降至基頻訊號后，再以相同虛擬亂碼還原成原來資料。 虛擬亂碼用于擴展資料頻譜與區分同一頻帶內之每個使用者，分為短碼與長碼兩種型態。 短碼得長度為10 ~ 128 chips，優點是發射/接收端同步容易，但保密性不夠。 長碼則可高達百萬chips，保密性極高但同步機制極為復雜。 檢視展頻系統良窳之重要參數為處理增益(processing gain)，其定義為擴展后之射頻頻寬與原輸入資料之頻寬比。 
Gp = BWrf / BWinfo 
Gp = 處理增益 
BWrf = 射頻頻寬 
BWinfo= 輸入資料頻寬 

一般展頻通信系統之處理增益約為20dB 至60dB間，展頻通信系統最大優點為能有效避開使用者間之相互干擾(interference)問題，而解決程度端賴于處理增益大小，愈大愈能有效避開。 


[圖八] CDMA 發射端架構圖 


[圖九] CDMA 接收端架構圖 


四、OFDM 
正交多頻分工(OFDM)是一種多載波傳輸技術，將高速率的輸入資料分割成多個較低速率的資料，并分別載在彼此正交的載波上傳送。 OFDM類似FDMA，每個使用者均在不同頻率載波上收送資料，但因OFDM的每一載波彼此正交，可有效避免相鄰載波間之相互干擾(Interference)，故具備較佳之頻譜使用效率。 又因多載波同時傳送，解決了TDMA 系統因時槽切換所造成的overhead現象。 OFDM的每一載波頻寬極窄，傳輸速率也低，故能有效避免多路徑延遲擴散(multipath delay spread)的問題。 

OFDM 發射端與接收端架構如圖十。 為確保每一載波的正交狀態，載波的頻譜、大小與相位均依據輸入資料與調變方式仔細精算后，經過反快速傅利葉轉換(IFFT)基頻時域訊號。 接收端再經由離散快速傅利葉轉換(FFT)回復頻譜在解調成原輸入資料。 對多路徑延遲擴散(delay spread)效應較具免疫力，是OFDM的主要特點。 主要藉由加入循環字首(cyclic prefix)有效解決傳輸時的訊號之間的互相干擾(ISI)與通道之間的互相擾(ICI)。 

OFDM雖具備多種優點，但從射頻電路設計角度而言，因OFDM是multitone的調變系統, 所以OFDM的每個載波的功率會以高斯分布的方式呈現忽大忽小現象,而這種現象會造成amplifier所需要操作的線性區間過大, 容易使signal被切掉,而造成訊號的失真，此高峰值對均值功率比(Peak-to-Average Power Ratio)。 為OFDM系統設計上一大挑戰。 


[圖十] OFDM 發射端架構圖 


五、結語 

高的資料傳輸率(High data transmission rate)與高的頻寬使用效率(High bandwidth efficiency)為OFDM主要優點，更由于OFDM 技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。 CDMA雖具備抗窄頻干擾能力的優點，但對抗多路徑干擾的能力則不及OFDM。 因為具備了顯著的優勢，OFDM在未來行動通信和其他寬頻無線技術的發展中勢必獲得廣泛的應用。 有理由相信，隨著人們對無線通信需求的進一步增加，OFDM必將獲得更大的發展。 

(作者現任職于麟瑞科技)