正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)

1、現(xiàn)代通信技術(shù)概論正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)羅勝銀201214801146摘要:OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing即正交頻分復(fù)用,是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)。OFDM全稱為正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,是一種新型的高效的多載波調(diào)制技術(shù),它能夠有效地對(duì)抗多徑傳播,使受到干擾的信號(hào)能夠可靠地接收。經(jīng)過幾十年的開發(fā)之后,OFDM/COFDM不但被廣泛地應(yīng)用于高速數(shù)字通信中,而且已擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。關(guān)鍵詞:正交頻分復(fù)用,多載波調(diào)制,信噪比,調(diào)制映射引言個(gè)人通信是人類通信的最高目

2、標(biāo),它是用各種可能的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實(shí)現(xiàn)任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行任何種類的信息交換。這種境界使用戶徹底擺脫了終端的束縛。實(shí)現(xiàn)這種境界最基本要求就是滿足用戶的移動(dòng)性。多載波調(diào)制的一種實(shí)現(xiàn)方法為正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing技術(shù)。在過去的幾年中,多載波調(diào)制特別是正交頻分復(fù)用(OFDM已經(jīng)被成功的應(yīng)用于多種數(shù)字通信系統(tǒng)中。一、OFDM的特點(diǎn)OFDM全稱為正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,是一種新型的高效的多載波調(diào)制技術(shù),它能夠有效地對(duì)抗多徑傳播,使受到干擾的信

3、號(hào)能夠可靠地接收。OFDM技術(shù)于三十多年前第一次由Chang提出,但是一個(gè)OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,從而限制了其進(jìn)一步推廣。OFDM是多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù),它將數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后調(diào)制為射頻信號(hào)。不像常規(guī)的單載波技術(shù),如AM/FM (調(diào)幅/調(diào)頻在某一時(shí)刻只用單一頻率發(fā)送單一信號(hào),OFDM在經(jīng)過特別計(jì)算的正交頻率上同時(shí)發(fā)送多路高速信號(hào)。這一結(jié)果就如同在噪聲和其它干擾中突發(fā)通信一樣有效利用帶寬。傳統(tǒng)的FDM(頻分復(fù)用理論將帶寬分成幾個(gè)子信道,中間用保護(hù)頻帶來降低干擾,它們同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。例如:有線電視系統(tǒng)和模擬無線廣播等,接收機(jī)必須調(diào)諧到相應(yīng)的臺(tái)站。OFDM系統(tǒng)比傳統(tǒng)的FDM系統(tǒng)要求的帶寬要少得多。由于使用

4、無干擾正交載波技術(shù),單個(gè)載波間無需保護(hù)頻帶。這樣使得可用頻譜的使用效率更高。另外,OFDM技術(shù)可動(dòng)態(tài)分配在子信道上的數(shù)據(jù)。為獲得最大的數(shù)據(jù)吞吐量,多載波調(diào)制器可以智能地分配更多的數(shù)據(jù)到噪聲小的子信道上?，F(xiàn)代單載波調(diào)制方式如積分幅度調(diào)制(QAM或積分移相鍵控調(diào)制(QPSK,結(jié)合了基本的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相技術(shù)來提供更高的噪聲抑制和更好的系統(tǒng)吞吐量。利用增加的復(fù)雜調(diào)制技術(shù)要求有高性能的數(shù)字邏輯,但也允許系統(tǒng)構(gòu)造者獲得更高的信噪比和接近先農(nóng)限制的頻譜有效性。二、OFDM結(jié)構(gòu)OFDM結(jié)構(gòu)可根據(jù)OFDM數(shù)據(jù)處理流程分為發(fā)送部分的前向糾錯(cuò)編碼器、交錯(cuò)器、星座圖映射、串并轉(zhuǎn)換器及接收部分的反向快速富里葉變換器、

5、并串轉(zhuǎn)換器、循環(huán)前綴插入、整形有限激勵(lì)響應(yīng)過濾器、數(shù)模轉(zhuǎn)換等模塊。OFDM調(diào)制采用信道編碼來抑制多徑效應(yīng),數(shù)據(jù)符號(hào)映射到一個(gè)相應(yīng)的星座圖上(如同QPSK, QAM,結(jié)果I和Q值存儲(chǔ)在緩沖中,并應(yīng)用了快速富里葉反變換(IFFT。IFFT在正交載波上進(jìn)行調(diào)制。數(shù)據(jù)被準(zhǔn)備發(fā)送并被串行化另外為抵抗多徑效應(yīng)加上一個(gè)循環(huán)前綴。經(jīng)過處理的信號(hào)被送到天線上被發(fā)送出去。在同一種信道下可以將這種并行傳輸技術(shù)與單載波高速率的串行傳輸技術(shù)進(jìn)行比較。對(duì)于并行系統(tǒng)如果直接采用多對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)來構(gòu)成,與單載波系統(tǒng)相比,其實(shí)現(xiàn)起來的代價(jià)當(dāng)然更高。并行系統(tǒng)中每一個(gè)子信道將傳輸?shù)退俾实男畔⒘?速率由子信道的帶寬決定。所有子信道

6、的信息率之和一般小于在與并行系統(tǒng)相同的帶寬下采用單載波串行傳輸方案的信息率,這是由于在并行系統(tǒng)子載波之間存在一些保護(hù)間隔。但在另一方面,單載波系統(tǒng)更容易產(chǎn)生符號(hào)間串?dāng)_。這是由于串行高速率傳輸?shù)拿總€(gè)信息碼元的周期短,占用帶寬較寬,并行傳輸?shù)拿總€(gè)子信道上碼元周期長,占用帶寬窄,從而串行高速率傳輸容易引入更大的失真。在均衡技術(shù)產(chǎn)生之前,雖然需要更高的造價(jià)以及它的頻帶利用率低,但并行傳輸技術(shù)是在色散信道上實(shí)現(xiàn)高速率傳輸?shù)挠行Х椒?。并行傳輸技術(shù)的一種額外的優(yōu)點(diǎn)是它能抵抗多種形式的脈沖噪聲。三、OFDM原理在傳統(tǒng)的并行傳輸系統(tǒng)中,整個(gè)帶寬經(jīng)分割后被送到子信道中,并且頻帶沒有重疊,但是其最大的缺點(diǎn)是頻譜利用

7、率很低,造成頻譜浪費(fèi)。所以,人們提出了頻譜可以重疊的多載波系統(tǒng)。在OFDM 系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交,于是它們的頻譜是相互重疊的,這樣不但減小了子載波間的相互干擾,同時(shí)又提高了頻譜利用率。在分析OFDM的性能之前,我們有必要從多載波調(diào)制(Multi-Carrier Modulation,MCM和并行傳輸?shù)慕嵌热シ治鲞@種調(diào)制的基本性能。其基本概念是將高速率的信息數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并變換,分割為若干路低速數(shù)據(jù)流,然后每路低速數(shù)據(jù)采用一個(gè)獨(dú)立的載波調(diào)制并迭加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)。由于速率降低,信息碼元周期增大。如果碼元速率大于多徑時(shí)延,那么多徑的影響將較少的帶到下一個(gè)碼元,這樣就減少了多徑時(shí)延擴(kuò)散在接

8、收到的信息碼元中所占相對(duì)的百分比值,以削弱多徑干擾對(duì)傳輸系統(tǒng)性能的影響。多載波調(diào)制:無線信道(特別是陸地移動(dòng)信道,由于地面情況的復(fù)雜性,發(fā)射的信號(hào)往往是經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收端,即存在多徑傳播效應(yīng)。從而造成接收信號(hào)相互重疊,產(chǎn)生信號(hào)波形間的相互干擾,造成接收端判斷錯(cuò)誤,嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。這種特性稱為信道的時(shí)間彌散性。在這樣的信道特性下的沖擊響應(yīng)帶來的時(shí)延擴(kuò)散將引起多徑效應(yīng),數(shù)字信號(hào)在接收端前后碼元交迭,產(chǎn)生所謂的現(xiàn)代通信技術(shù)概論碼間串?dāng)_(ISI,造成判決錯(cuò)誤,嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量。特別是在碼元速率較高的情況下,更是如此。這是由于當(dāng)信號(hào)波形的周期很短,而信號(hào)傳輸速率又非常高時(shí),在接收端信號(hào)波形重疊

9、的程度將進(jìn)一步加深,信號(hào)間的干擾將更加嚴(yán)重,時(shí)延擴(kuò)展將跨越更多的碼元,造成嚴(yán)重碼間串?dāng)_。從另一個(gè)角度看,當(dāng)信號(hào)波形的傳輸速率較高時(shí),信號(hào)帶寬較寬,當(dāng)信號(hào)帶寬接近和超過信道相干帶寬時(shí),信道的時(shí)間彌散特性將對(duì)接收信號(hào)造成頻率選擇性衰落(信號(hào)的衰落與頻率有關(guān)。為了保證正確的數(shù)據(jù)傳輸,必須對(duì)信號(hào)的傳輸速率加以限制。因此,可以說時(shí)間彌散是使無線信道傳輸速率受限的主要原因之一。對(duì)于一個(gè)特定的信道特性,設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)時(shí)必須考慮如何有效的利用僅有的信道帶寬,并在發(fā)送接收機(jī)的復(fù)雜度折衷條件下可靠的傳輸數(shù)據(jù)信息。對(duì)于這種頻率響應(yīng)非理想的濾波信道,一種辦法是在單載波調(diào)制時(shí),以特定的碼元速率進(jìn)行傳輸,在不改變發(fā)送信息碼

10、元周期即不降低信息碼元速率并承認(rèn)有了較嚴(yán)重的多徑擴(kuò)散的條件下,利用RAKE接收機(jī)進(jìn)行均衡和補(bǔ)償,采用擴(kuò)頻碼將傳播的多徑信號(hào)能量分離、校正,并加以收集利用,化害為利,從而設(shè)法消除多徑干擾的影響。另外一種方法則是采用多載波調(diào)制(MCM,將特定帶寬的非理想線性信道劃分為N個(gè)近似線性的子信道,在每個(gè)子信道中以1/N碼元速率的低速碼流進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)傳輸速率低后,碼元周期長,只要時(shí)延擴(kuò)展與碼元周期之比小于一定的值,就不會(huì)造成碼間串?dāng)_。因而,從本質(zhì)上說,多載波調(diào)制對(duì)信道的時(shí)延彌散不敏感,或者說具有抗時(shí)延彌散的特性。使用單載波調(diào)制進(jìn)行高速率傳輸時(shí)必須加均衡器,而用多載波調(diào)制不加均衡器也能獲得較好的性能。正交頻

11、分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM, OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制。MCM與OFDM常用于無線信道的應(yīng)用,它們的區(qū)別在于:OFDM技術(shù)特指將信道劃分成正交的子信道,頻譜利用率高;而MCM,可以是更多種信道劃分方法。在有線環(huán)境中,該技術(shù)通常稱為離散多音(Discrete Multi-Tone,DMT。OFDM技術(shù)的主要思想是:將指配的信道分成許多正交子信道,在每個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸,信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。它使用相互正交的一組子載波構(gòu)成子信道來傳輸各個(gè)子數(shù)據(jù)流,子信道的頻譜是可以相互交疊的,這樣就提高了頻譜效率。通過

12、各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼,可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。另外,采用時(shí)間受限的脈沖來進(jìn)一步降低對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的敏感性。另一個(gè)更重要的優(yōu)點(diǎn)是OFDM能夠用FFT算法實(shí)現(xiàn),并可以采用非常有效的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP技術(shù)。四、OFDM的應(yīng)用在過去的20年中,OFDM技術(shù),或者特別的講,DMT技術(shù),已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。曾經(jīng)制造出多種OFDM話音MODEM,但由于沒有被標(biāo)準(zhǔn)化組織采納,而沒有成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。DMT已經(jīng)被采納作為ADSL的標(biāo)準(zhǔn),這種技術(shù)能夠在普通電話線上實(shí)現(xiàn)從電話局到用戶的幾Mb/s速率的數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)實(shí)現(xiàn)從用戶到電話局的低速率傳輸。OFDM在很多無線應(yīng)用中特別成功,其具有在多徑環(huán)境下的優(yōu)良性能。無線接收

13、機(jī)的難點(diǎn)是需要檢測(cè)出經(jīng)過時(shí)間和頻率選擇性衰落的信號(hào)。OFDM技術(shù)與適當(dāng)?shù)木幋a和交織技術(shù)結(jié)合,對(duì)于抗無線信道的干擾具有優(yōu)良的性能。OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的,而OFDM 技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,并且各子載波并行傳輸,這樣,盡管總的信道是非平坦的,也就是具有頻率選擇性,但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的,并且在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸,信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬,因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。在以后的發(fā)展中,OFDM得到了更加深入的研究,其應(yīng)用范圍更加廣泛。在八十年代,OFDM

14、的研究已經(jīng)發(fā)展到高速調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字移動(dòng)通信等方面。九十年代,OFDM的研究開發(fā)推廣到了無線FM信道上的寬帶通信、數(shù)字用戶環(huán)路(XDSL、數(shù)字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting, DAB、高清晰度電視(High-definition Television,HDTV、無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN,移動(dòng)通信中的運(yùn)用也是大勢(shì)所趨。OFDM在很多無線應(yīng)用中特別成功,其具有在多徑環(huán)境下的優(yōu)良性能。國內(nèi)的研究在理論分析和計(jì)算機(jī)模擬階段有了一定的成果,在數(shù)字用戶環(huán)路、有線電視網(wǎng)(CA TV方面有了一些具體的應(yīng)用,但在無線局域以太網(wǎng)方

15、面的應(yīng)用研究較少。最近,OFDM已于幾例歐洲無線通信應(yīng)用中被采用,如ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播(DAB、陸地?cái)?shù)字視頻廣播(DVB-T。在美國,OFDM應(yīng)用于MMDS(多點(diǎn)多信道分布式服務(wù)。WLAN應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11a和ETSI(歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的HiperLAN/2標(biāo)準(zhǔn)同樣采用OFDM作為調(diào)制方式。有線應(yīng)用也同樣采用了基于OFDM的系統(tǒng),如在xDSL中的離散多音頻系統(tǒng)和有線調(diào)制器應(yīng)用。基于OFDM的AT&T固定無線寬帶用戶服務(wù)到2002年底計(jì)劃達(dá)到1500萬戶。AT&T和北電網(wǎng)絡(luò)正在考慮第四代無線網(wǎng)絡(luò)的可行性,以EDGE(全球演進(jìn)的增強(qiáng)數(shù)據(jù)作為上行,OFDM作為下行。對(duì)這些應(yīng)用在物理層采用OFDM的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)窄帶信道簡化均等,高的系統(tǒng)吞吐量,和噪聲抑制。五、總結(jié)經(jīng)過三十年的開發(fā)之后,OFDM/COFDM不但被廣泛地應(yīng)用于高速數(shù)字通信中,而且已擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。同時(shí)現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和超大規(guī)模專用集成電路(VLSI的發(fā)展也使得快速傅立