正交頻分復(fù)用，英文原稱Orthogonal Frequency Division Multiplexing，縮寫為OFDM，實際上是MCM Multi-CarrierModulation多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域以及民用通信系統(tǒng)中，主要的應(yīng)用包括：非對稱的數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無線局域網(wǎng)(WLAN)等。
在向B3G/4G演進的過程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集，時空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。包括以下類型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM，多帶-OFDM。OFDM中的各個載波是相互正交的，每個載波在一個符號時間內(nèi)有整數(shù)個載波周期，每個載波的頻譜零點和相鄰載波的零點重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統(tǒng)的FDMA提高了頻帶利用率。在OFDM傳播過程中，高速信息數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對較低的若干子信道中傳輸，每個子信道中的符號周期相對增加，這樣可減少因無線信道多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的碼間干擾。另外，由于引入保護間隔，在保護間隔大于最大多徑時延擴展的情況下，可以最大限度地消除多徑帶來的符號間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護間隔，還可避免多徑帶來的信道間干擾。具體如圖《OFDM的基帶傳輸系統(tǒng)》所示。在過去的頻分復(fù)用(FDM)系統(tǒng)中，整個帶寬分成N個子頻帶，子頻帶之間不重疊，為了避免子頻帶間相互干擾，頻帶間通常加保護帶寬，但這會使頻譜利用率下降。為了克服這個缺點，OFDM采用N個重疊的子頻帶，子頻帶間正交，因而在接收端無需分離頻譜就可將信號接收下來。OFDM系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是正交的子載波可以利用快速傅利葉變換(FFT/IFFT)實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。對于N點的IFFT運算，需要實施N2次復(fù)數(shù)乘法，而采用常見的基于2的IFFT算法，其復(fù)數(shù)乘法僅為(N/2)log2N，可顯著降低運算復(fù)雜度。
OFDM的基帶傳輸系統(tǒng)在OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端加入保護間隔，主要是為了消除多徑所造成的ISI(子載波之間的正交性遭到破壞而產(chǎn)生不同子載波之間的干擾)。其方法是在OFDM符號保護間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴，以保證在FFT周期內(nèi)OFDM符號的時延副本內(nèi)包含的波形周期個數(shù)也是整數(shù)。這樣，時延小于保護間隔的信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生ISI。正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種調(diào)制方式，它可以很容易地與傳統(tǒng)的多址技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)多用戶接入服務(wù)，如OFDM—TDMA、OFDMA和多載波CDMA等。采用正交頻分復(fù)用可以提高電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量，它是一種多載波調(diào)制技術(shù)。傳輸質(zhì)量的不穩(wěn)定意味著電力線網(wǎng)絡(luò)不能保證如語音和視頻流這樣的實時應(yīng)用程序的傳輸質(zhì)量。然而，對于傳輸突發(fā)性的Internet數(shù)據(jù)流它卻是個理想的網(wǎng)絡(luò)。即便是在配電網(wǎng)受到嚴重干擾的情況下，OFDM也可提供高帶寬并且保證帶寬傳輸效率，而且適當(dāng)?shù)募m錯技術(shù)可以確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸。OFDM的主要技術(shù)特點如下：⑴可有效對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸;⑵通過各子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力;⑶各子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可通過離散傅利葉反變換IDFT和離散傅利葉變換DFT實現(xiàn);⑷OFDM較易與其它多種接入方式結(jié)合，構(gòu)成MC-CDMA和OFDM-TDMA等。
OFDM的概念于20世紀(jì)50—60年底提出，1970年OFDM的專利被發(fā)表，其基本思想通過采用允許子信道頻譜重疊，但相互間又不影響的頻分復(fù)用(FDM)方法來并行傳送數(shù)據(jù)。OFDM早期的應(yīng)用有AN/GSC_10高頻可變速率數(shù)傳調(diào)制解調(diào)器等。早期的OFDM系統(tǒng)中，發(fā)信機和相關(guān)接收機所需的副載波陣列是由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的，系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。1972年Weinstein和Ebert提出了使用離散傅立葉變換實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)中的全部調(diào)制和調(diào)解功能的建議，簡化了振蕩器陣列以及相關(guān)接收機本地載波之間嚴格同步的問題，為實現(xiàn)OFDM的全數(shù)字化方案做了理論上的準(zhǔn)備。
80年代后，OFDM的調(diào)整技術(shù)再一次成為研究熱點。例如，在有線信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM調(diào)整技術(shù)，試驗成功了16QAM多路并行傳送19.2kbit/s的電話線MODEM.進入90年代，OFDM的應(yīng)用又涉及到了利用移動調(diào)頻和單邊帶(SSB)信道進行高速數(shù)據(jù)通信，陸地移動通信，高速數(shù)字用戶環(huán)路(HDSL)，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)及高清晰度數(shù)字電視(HDTV)和陸地廣播等各種通信系統(tǒng)。由于技術(shù)的可實現(xiàn)性，在二十世紀(jì)90年代，OFDM廣泛用干各種數(shù)字傳輸和通信中，如移動無線FM信道，高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)(HDSL)，不對稱數(shù)字用戶線系統(tǒng)(ADSL)，甚高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)HDSI〕，數(shù)字音頻廣播(DAB)系統(tǒng)，數(shù)字視頻廣播(DVB)和HDTV地面?zhèn)鞑ハ到y(tǒng)。1999年，IEEE802.lla通過了一個SGHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采用為物理層標(biāo)準(zhǔn)，使得傳輸速率可以達54MbPs。這樣，可提供25MbPs的無線ATM接口和10MbPs的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，并支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。這樣的速率完全能滿足室內(nèi)、室外的各種應(yīng)用場合。歐洲電信組織(ETsl)的寬帶射頻接入網(wǎng)的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)HiperiLAN2也把OFDM定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。2001年，IEEE802.16通過了無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)使用頻段的不同，具體可分為視距和非視距兩種。其中，使用2一11GHz許可和免許可頻段，由于在該頻段波長較長，適合非視距傳播，此時系統(tǒng)會存在較強的多徑效應(yīng)，而在免許可頻段還存在干擾問題，所以系統(tǒng)采用了抵抗多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上有明顯優(yōu)勢的OFDM調(diào)制，多址方式為OFDMA。
而后，IEEE802.16的標(biāo)準(zhǔn)每年都在發(fā)展，2006年2月，IEEE802.16e(移動寬帶無線城域網(wǎng)接入空中接口標(biāo)準(zhǔn))形成了最終的出版物。當(dāng)然，采用的調(diào)制方式仍然是OFDM。2004年11月，根據(jù)眾多移動通信運營商、制造商和研究機構(gòu)的要求，3GPP通過被稱為LongTermEvolution(LTE)即“3G長期演進”的立項工作。項目以制定3G演進型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范作為目標(biāo)。3GPP經(jīng)過激烈的討論和艱苦的融合，終于在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術(shù)，即下行OFDM，上行SC(單載波關(guān)FDMA。OFDM由于技術(shù)的成熟性，被選用為下行標(biāo)準(zhǔn)很快就達成了共識。而上行技術(shù)的選擇上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些設(shè)備商認為會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，一些則認為可以通過濾波，削峰等方法限制峰均比。不過，經(jīng)過討論后，最后上行還是采用了SC一FDMA方式。擁有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)一一TD-SCDMA在LTE演進計劃中也提出了TD一CDM一OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目標(biāo)，并希望在2010年予以實現(xiàn)。B3G/4G的目標(biāo)是在高速移動環(huán)境下支持高達100Mb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率，在室內(nèi)和靜止環(huán)境下支持高達IGb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率。而OFDM技術(shù)也將扮演重要的角色。
下載文檔
