OFDM(正交频分复用)通信技术

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一、OFDM基础

OFDM是多载波数字调制技术,它将数据经编码后调制为射频信号。不像常规的单载波技术,如AM/FM(调幅/调频)在某一时刻只用单一频率发送单一信号,OFDM在经过特别计算的正交频率上同时发送多路高速信号。这一结果就如同在噪声和其它干扰中突发通信一样有效利用带宽。

传统的FDM(频分复用)理论将带宽分成几个子信道,中间用保护频带来降低干扰,它们同时发送数据。例如:有线电视系统和模拟无线广播等,接收机必须调谐到相应的台站。

OFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少得多。由于使用无干扰正交载波技术,单个载波间无需保护频带。这样使得可用频谱的使用效率更高。另外,OFDM技术可动态分配在子信道上的数据。为获得最大的数据吞吐量,多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。
应用OFDM来克服码间串扰和邻频干扰技术可以追溯到上世纪60年代中期。然而,长久以来OFDM的实际应用受限于快速富里叶变换器的速度和效率。如今,高性能PLD(可编程逻辑器件)技术的成熟造就了OFDM现阶段的应用。

现代单载波调制方式如积分幅度调制(QAM)或积分移相键控调制(QPSK),结合了基本的调幅、调频、调相技术来提供更高的噪声抑制和更好的系统吞吐量。利用增加的复杂调制技术要求有高性能的数字逻辑,但也允许系统构造者获得更高的信噪比和接近先农限制的频谱有效性。

二、OFDM的应用

最近,OFDM已于几例欧洲无线通信应用中被采用,如ETSI标准的数字音频广播(DAB)、陆地数字视频广播(DVB-T)。在美国,OFDM应用于MMDS(多点多信道分布式服务)。WLAN应用标准IEEE802.11a和ETSI(欧洲通信标准委员会)的HiperLAN/2标准同样采用OFDM作为调制方式。有线应用也同样采用了基于OFDM的系统,如在xDSL中的离散多音频系统和有线调制器应用。

基于OFDM的AT&T固定无线宽带用户服务到2002年底计划达到1500万户。AT&T和北电网络正在考虑第四代无线网络的可行性,以EDGE(全球演进的增强数据)作为上行,OFDM作为下行。

对这些应用在物理层采用OFDM的优势在于对窄带信道简化均等,高的系统吞吐量,和噪声抑制。
三、OFDM结构

OFDM结构可根据OFDM数据处理流程分为发送部分的前向纠错编码器、交错器、星座图映射、串并转换器及接收部分的反向快速富里叶变换器、并串转换器、循环前缀插入、整形有限激励响应过滤器、数模转换等模块。

OFDM调制采用信道编码来抑制多径效应,数据符号映射到一个相应的星座图上(如同QPSK,QAM),结果I和Q值存储在缓冲中,并应用了快速富里叶反变换(IFFT)。IFFT在正交载波上进行调制。数据被准备发送并被串行化另外为抵抗多径效应加上一个循环前缀。经过处理的信号被送到天线上被发送出去。

1.功能模块

(1)前向纠错(ForwardErrorCorrection)

信道编码采用Reed-Solomon码、卷积纠错码、维特比码或TURBO码。

(2)交错器

交错器用于降低在数据信道中的突发错误,交错后的数据通过一个串并行转换器,将IQ映射到一个相应的星座图上。

(3)星座图(略)

多载波OFDM被认为优于N个独立的由单载波调制的子频带。星座图将符号映射到相应的星座点上。这一过程产生IQ值,它们被过滤并送到IFFT上进行变换。
(4)缓冲

用于存储送到IFFT前的IQ值。IFFT可快速、高效应用离散富里叶变换功能并数学生成用于OFDM传输的正交载波。OFDM的核心为IFFT,IFFT调制每一个子信道到高精度的正交载波上,信道化后的数据注入到一个并串缓冲器,串行数据通过DAC变换为发送做准备。

(5)并串转换器

用于将并行数据转换为串行数据。

(6)循环前缀

循环前缀为单个的OFDM符号个体创建一个保护带,在信噪比边缘损耗中被丢掉以极大的减少ISI。整形有限激励响应过滤器(ShaperFIRFilter)用于整形信号。

2.OFDM技术优点

(1)在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号,而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势,正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎,例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约Flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用,在加拿大Wi-LAN工学院也开始使用这项技术。

(2)OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化,由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化,所以OFDM能动态地与之相适应,并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信;

(3)该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲,然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信;

(4)OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。

(5)OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中,单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败,但是在多载波系统中,仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。

(6)可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多。

(7)通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码,则可以使系统性能得到提高。

(8)OFDM技术抗窄带干扰性很强,因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。

(9)可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法;

(10)信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要;当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

3.OFDM技术的两个缺陷

(1)对频率偏移和相位噪声很敏感。

(2)峰值与均值功率比相对较大,这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。

在具体设备设计制造中,各厂商采取了不同的措施来抵消其影响。

近年来,随着DSP芯片技术的发展,富里叶变换/反变换、高速Modem采用的64/128/256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入,OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术将被更广泛应用于宽带移动通信领域。

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