OFDM(正交頻分復用)通信技術淺析

2019-11-03 09:14:03

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王志勇

　　OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）正交頻分復用作為一種多載波傳輸技術，主要應用于數字視頻廣播系統、MMDS（multichannel multipoint distribution service）多信道多點分布服務和WLAN服務以及下一代陸地移動通信系統。

一、OFDM基礎

　　OFDM是多載波數字調制技術，它將數據經編碼后調制為射頻信號。不像常規的單載波技術，如AM/FM（調幅/調頻）在某一時刻只用單一頻率發送單一信號，OFDM在經過特別計算的正交頻率上同時發送多路高速信號。這一結果就如同在噪聲和其它干擾中突發通信一樣有效利用帶寬。

　　傳統的FDM（頻分復用）理論將帶寬分成幾個子信道，中間用保護頻帶來降低干擾，它們同時發送數據。例如：有線電視系統和模擬無線廣播等，接收機必須調諧到相應的臺站。

　　OFDM系統比傳統的FDM系統要求的帶寬要少得多。由于使用無干擾正交載波技術，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技術可動態分配在子信道上的數據。為獲得最大的數據吞吐量，多載波調制器可以智能地分配更多的數據到噪聲小的子信道上。

　　應用OFDM來克服碼間串擾和鄰頻干擾技術可以追溯到上世紀60年代中期。然而，長久以來OFDM的實際應用受限于快速富里葉變換器的速度和效率。如今，高性能PLD（可編程邏輯器件）技術的成熟造就了OFDM現階段的應用。

　　現代單載波調制方式如積分幅度調制（QAM）或積分移相鍵控調制（QPSK），結合了基本的調幅、調頻、調相技術來提供更高的噪聲抑制和更好的系統吞吐量。利用增加的復雜調制技術要求有高性能的數字邏輯，但也允許系統構造者獲得更高的信噪比和接近先農限制的頻譜有效性。

二、OFDM的應用

　　最近，OFDM已于幾例歐洲無線通信應用中被采用，如ETSI標準的數字音頻廣播（DAB）、陸地數字視頻廣播（DVB-T）。在美國，OFDM應用于MMDS(多點多信道分布式服務)。WLAN應用標準IEEE 802.11a和ETSI(歐洲通信標準委員會) 的HiperLAN/2標準同樣采用OFDM作為調制方式。有線應用也同樣采用了基于OFDM的系統，如在 xDSL 中的離散多音頻系統和有線調制器應用。

　　基于OFDM的AT&T固定無線寬帶用戶服務到2002年底計劃達到1500萬戶。AT&T和北電網絡正在考慮第四代無線網絡的可行性，以EDGE(全球演進的增強數據)作為上行，OFDM作為下行。

　　對這些應用在物理層采用OFDM的優勢在于對窄帶信道簡化均等，高的系統吞吐量，和噪聲抑制。

三、OFDM結構

　　OFDM結構可根據OFDM數據處理流程分為發送部分的前向糾錯編碼器、交錯器、星座圖映射、串并轉換器及接收部分的反向快速富里葉變換器、并串轉換器、循環前綴插入、整形有限激勵響應過濾器、數模轉換等模塊。

　　OFDM調制采用信道編碼來抑制多徑效應，數據符號映射到一個相應的星座圖上(如同QPSK，QAM)，結果I和Q值存儲在緩沖中，并應用了快速富里葉反變換(IFFT)。IFFT在正交載波上進行調制。數據被準備發送并被串行化另外為抵抗多徑效應加上一個循環前綴。經過處理的信號被送到天線上被發送出去。

　　1．功能模塊

　?。?）前向糾錯(Forward Error Correction)

　　信道編碼采用Reed-Solomon碼、卷積糾錯碼、維特比碼或TURBO碼。

　?。?）交錯器

　　交錯器用于降低在數據信道中的突發錯誤，交錯后的數據通過一個串并行轉換器，將IQ映射到一個相應的星座圖上。

　?。?）星座圖

　　多載波OFDM被認為優于N個獨立的由單載波調制的子頻帶。星座圖將符號映射到相應的星座點上。這一過程產生IQ值，它們被過濾并送到IFFT上進行變換。

（4）緩沖

　　用于存儲送到IFFT前的IQ值。IFFT可快速、高效應用離散富里葉變換功能并數學生成用于OFDM傳輸的正交載波。OFDM的核心為IFFT，IFFT調制每一個子信道到高精度的正交載波上，信道化后的數據注入到一個并串緩沖器，串行數據通過DAC變換為發送做準備。

　?。?）并串轉換器

　　用于將并行數據轉換為串行數據。

　?。?）循環前綴

　　循環前綴為單個的OFDM符號個體創建一個保護帶，在信噪比邊緣損耗中被丟掉以極大的減少ISI。整形有限激勵響應過濾器(Shaper FIR Filter)用于整形信號。

　　2．OFDM技術優點

　?。?）在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據。OFDM技術能同時分開至少1000個數字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運行的能力將直接威脅到目前市場上已經開始流行的CDMA技術的進一步發展壯大的態勢，正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得OFDM技術深受歐洲通信營運商以及手機生產商的喜愛和歡迎，例如加利福尼亞Cisco系統公司、紐約Flarion工學院以及朗訊工學院等開始使用，在加拿大Wi-LAN工學院也開始使用這項技術。

　　(2) OFDM技術能夠持續不斷地監控傳輸介質上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數據的能力會隨時間發生變化，所以OFDM能動態地與之相適應，并且接通和切斷相應的載波以保證持續地進行成功的通信；

　　(3) 該技術可以自動地檢測到傳輸介質下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信；

　　(4) OFDM技術特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號散播的地區。高速的數據傳播及數字語音廣播都希望降低多徑效應對信號的影響。

　　(5) OFDM技術的最大優點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統中，單個衰落或干擾能夠導致整個通信鏈路失敗，但是在多載波系統中，僅僅有很小一部分載波會受到干擾。對這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯。

　　(6) 可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環境和衰落信道中的高速數據傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統總的誤碼率性能要好得多。

　　(7) 通過各個子載波的聯合編碼，具有很強的抗衰落能力。OFDM技術本身已經利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯合編碼，則可以使系統性能得到提高。

　　(8) OFDM技術抗窄帶干擾性很強，因為這些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。

　　(9) 可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實現方法；

　　(10) 信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環境中尤為重要；當子載波個數很大時，系統的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。

　　3．OFDM技術的兩個缺陷

　　（1）對頻率偏移和相位噪聲很敏感。

　?。?）峰值與均值功率比相對較大，這個比值的增大會降低射頻放大器的功率效率。

　　在具體設備設計制造中，各廠商采取了不同的措施來抵消其影響。

　　近年來，隨著DSP芯片技術的發展，富里葉變換／反變換、高速Modem采用的64／128／256QAM技術、柵格編碼技術、軟判決技術、信道自適應技術、插入保護時段、減少均衡計算量等成熟技術的逐步引入，OFDM作為一種可以有效對抗信號波形間干擾的高速傳輸技術將被更廣泛應用于寬帶移動通信領域。

----《通信世界》