OFDM(正交頻分復(fù)用)通信技術(shù)淺析

 [導(dǎo)讀]OFDM正交頻分復(fù)用作為一種多載波傳輸技術(shù)，主要應(yīng)用于數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)、MMDS多信道多點(diǎn)分布服務(wù)和WLAN服務(wù)以及下一代陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)。隨著這種傳輸技術(shù)的大范圍使用，我們的通信能力在逐漸增強(qiáng)。那么究竟OFDM是怎樣呢?請(qǐng)看本文為你詳細(xì)解讀。

一、OFDM基礎(chǔ)

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(guò)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(lái)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(wú)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。由于使用無(wú)干擾正交載波技術(shù)，單個(gè)載波間無(wú)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。

應(yīng)用OFDM來(lái)克服碼間串?dāng)_和鄰頻干擾技術(shù)可以追溯到上世紀(jì)60年代中期。然而，長(zhǎng)久以來(lái)OFDM的實(shí)際應(yīng)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(shù)的成熟造就了OFDM現(xiàn)階段的應(yīng)用。

現(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(lái)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的應(yīng)用

最近，OFDM已于幾例歐洲無(wú)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(guó)，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(wú)線寬帶用戶服務(wù)到2002年底計(jì)劃達(dá)到1500萬(wàn)戶。AT&T和北電網(wǎng)絡(luò)正在考慮第四代無(wú)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(jiǎn)化均等，高的系統(tǒng)吞吐量，和噪聲抑制。

三、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、并串轉(zhuǎn)換器、循環(huán)前綴插入、整形有限激勵(lì)響應(yīng)過(guò)濾器、數(shù)模轉(zhuǎn)換等模塊。

OFDM調(diào)制采用信道編碼來(lái)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(guò)處理的信號(hào)被送到天線上被發(fā)送出去。

1.功能模塊

(1)前向糾錯(cuò)(ForwardErrorCorrection)

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

(2)交錯(cuò)器

交錯(cuò)器用于降低在數(shù)據(jù)信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，交錯(cuò)后的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)串并行轉(zhuǎn)換器，將IQ映射到一個(gè)相應(yīng)的星座圖上。

(3)星座圖(略)

多載波OFDM被認(rèn)為優(yōu)于N個(gè)獨(dú)立的由單載波調(diào)制的子頻帶。星座圖將符號(hào)映射到相應(yīng)的星座點(diǎn)上。這一過(guò)程產(chǎn)生IQ值，它們被過(guò)濾并送到IFFT上進(jìn)行變換。 2.OFDM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)能同時(shí)分開(kāi)至少1000個(gè)數(shù)字信號(hào)，而且在干擾的信號(hào)周?chē)梢园踩\(yùn)行的能力將直接威脅到目前市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始流行的CDMA技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大的態(tài)勢(shì)，正是由于具有了這種特殊的信號(hào)“穿透能力”使得OFDM技術(shù)深受歐洲通信營(yíng)運(yùn)商以及手機(jī)生產(chǎn)商的喜愛(ài)和歡迎，例如加利福尼亞Cisco系統(tǒng)公司、紐約Flarion工學(xué)院以及朗訊工學(xué)院等開(kāi)始使用，在加拿大Wi-LAN工學(xué)院也開(kāi)始使用這項(xiàng)技術(shù)。

(2)OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信;

(3)該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來(lái)使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信;

(4)OFDM技術(shù)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(hào)散播的地區(qū)。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語(yǔ)音廣播都希望降低多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響。

(5)OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅僅有很小一部分載波會(huì)受到干擾。對(duì)這些子信道還可以采用糾錯(cuò)碼來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)。

(6)可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，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(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。

(7)通過(guò)各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒(méi)有必要再加時(shí)域均衡器。通過(guò)將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。

(8)OFDM技術(shù)抗窄帶干擾性很強(qiáng)，因?yàn)檫@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(shí)現(xiàn)方法;

(10)信道利用率很高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線環(huán)境中尤為重要;當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。

3.OFDM技術(shù)的兩個(gè)缺陷

(1)對(duì)頻率偏移和相位噪聲很敏感。

(2)峰值與均值功率比相對(duì)較大，這個(gè)比值的增大會(huì)降低射頻放大器的功率效率。

在具體設(shè)備設(shè)計(jì)制造中，各廠商采取了不同的措施來(lái)抵消其影響。

近年來(lái)，隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，富里葉變換/反變換、高速M(fèi)odem采用的64/128/256QAM技術(shù)、柵格編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)、插入保護(hù)時(shí)段、減少均衡計(jì)算量等成熟技術(shù)的逐步引入，OFDM作為一種可以有效對(duì)抗信號(hào)波形間干擾的高速傳輸技術(shù)將被更廣泛應(yīng)用于寬帶移動(dòng)通信領(lǐng)域。