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),它能夠有效地對抗多徑傳播,使受到干擾的信號能夠可靠地接收。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)制映射引言個人通信是人類通信的最高目

2、標,它是用各種可能的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實現(xiàn)任何人在任何時間、任何地點與任何人進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。實現(xiàn)這種境界最基本要求就是滿足用戶的移動性。多載波調(diào)制的一種實現(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),它能夠有效地對抗多徑傳播,使受到干擾的信

3、號能夠可靠地接收。OFDM技術(shù)于三十多年前第一次由Chang提出,但是一個OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,從而限制了其進一步推廣。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。不像常規(guī)的單載波技術(shù),如AM/FM (調(diào)幅/調(diào)頻在某一時刻只用單一頻率發(fā)送單一信號,OFDM在經(jīng)過特別計算的正交頻率上同時發(fā)送多路高速信號。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子信道,中間用保護頻帶來降低干擾,它們同時發(fā)送數(shù)據(jù)。例如:有線電視系統(tǒng)和模擬無線廣播等,接收機必須調(diào)諧到相應(yīng)的臺站。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),單個載波間無需保護頻帶。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)送部分的前向糾錯編碼器、交錯器、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)符號映射到一個相應(yīng)的星座圖上(如同QPSK, QAM,結(jié)果I和Q值存儲在緩沖中,并應(yīng)用了快速富里葉反變換(IFFT。IFFT在正交載波上進行調(diào)制。數(shù)據(jù)被準備發(fā)送并被串行化另外為抵抗多徑效應(yīng)加上一個循環(huán)前綴。經(jīng)過處理的信號被送到天線上被發(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)進行比較。對于并行系統(tǒng)如果直接采用多對發(fā)射機和接收機來構(gòu)成,與單載波系統(tǒng)相比,其實現(xiàn)起來的代價當然更高。并行系統(tǒng)中每一個子信道將傳輸?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間隔。但在另一方面,單載波系統(tǒng)更容易產(chǎn)生符號間串擾。這是由于串行高速率傳輸?shù)拿總€信息碼元的周期短,占用帶寬較寬,并行傳輸?shù)拿總€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,但是其最大的缺點是頻譜利用

7、率很低,造成頻譜浪費。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)采用一個獨立的載波調(diào)制并迭加在一起構(gòu)成發(fā)送信號。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延,那么多徑的影響將較少的帶到下一個碼元,這樣就減少了多徑時延擴散在接

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

9、的程度將進一步加深,信號間的干擾將更加嚴重,時延擴展將跨越更多的碼元,造成嚴重碼間串擾。從另一個角度看,當信號波形的傳輸速率較高時,信號帶寬較寬,當信號帶寬接近和超過信道相干帶寬時,信道的時間彌散特性將對接收信號造成頻率選擇性衰落(信號的衰落與頻率有關(guān)。為了保證正確的數(shù)據(jù)傳輸,必須對信號的傳輸速率加以限制。因此,可以說時間彌散是使無線信道傳輸速率受限的主要原因之一。對于一個特定的信道特性,設(shè)計通信系統(tǒng)時必須考慮如何有效的利用僅有的信道帶寬,并在發(fā)送接收機的復(fù)雜度折衷條件下可靠的傳輸數(shù)據(jù)信息。對于這種頻率響應(yīng)非理想的濾波信道,一種辦法是在單載波調(diào)制時,以特定的碼元速率進行傳輸,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有了較嚴重的多徑擴散的條件下,利用RAKE接收機進行均衡和補償,采用擴頻碼將傳播的多徑信號能量分離、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個近似線性的子信道,在每個子信道中以1/N碼元速率的低速碼流進行傳輸。數(shù)據(jù)傳輸速率低后,碼元周期長,只要時延擴展與碼元周期之比小于一定的值,就不會造成碼間串擾。因而,從本質(zhì)上說,多載波調(diào)制對信道的時延彌散不敏感,或者說具有抗時延彌散的特性。使用單載波調(diào)制進行高速率傳輸時必須加均衡器,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,在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸,信號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、各個子載波的聯(lián)合編碼,可具有很強的抗衰落能力。另外,采用時間受限的脈沖來進一步降低對時延擴展的敏感性。另一個更重要的優(yōu)點是OFDM能夠用FFT算法實現(xiàn),并可以采用非常有效的數(shù)字信號處理器(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,但由于沒有被標準化組織采納,而沒有成功實現(xiàn)商業(yè)化。DMT已經(jīng)被采納作為ADSL的標準,這種技術(shù)能夠在普通電話線上實現(xiàn)從電話局到用戶的幾Mb/s速率的數(shù)據(jù)傳輸,同時實現(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、機的難點是需要檢測出經(jīng)過時間和頻率選擇性衰落的信號。OFDM技術(shù)與適當?shù)木幋a和交織技術(shù)結(jié)合,對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,在每個子信道上使用一個子載波進行調(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,但是每個子信道是相對平坦的,并且在每個子信道上進行的是窄帶傳輸,信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬,因此就可以大大消除信號波形間的干擾。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,移動通信中的運用也是大勢所趨。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算機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標準的數(shù)字音頻廣播(DAB、陸地數(shù)字視頻廣播(DVB-T。在美國,OFDM應(yīng)用于MMDS(多點多信道分布式服務(wù)。WLAN應(yīng)用標準IEEE802.11a和ETSI(歐洲通信標準委員會的HiperLAN/2標準同樣采用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年底計劃達到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(全球演進的增強數(shù)據(jù)作為上行,OFDM作為下行。對這些應(yīng)用在物理層采用OFDM的優(yōu)勢在于對窄帶信道簡化均等,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,而且已擴展到其他領(lǐng)域。同時現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(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