正交頻分復(fù)用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)在20世紀(jì)60年代中期被首次提出，主要用于軍用的無(wú)線(xiàn)高頻通信系統(tǒng)。但由于當(dāng)時(shí)遇到了很多難以解決的問(wèn)題，未形成大規(guī)模的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來(lái)，大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展解決了FFT的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，格柵編碼(Trellis Code)技術(shù)、軟判決(Soft Decision)技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)等的應(yīng)用，OFDM技術(shù)開(kāi)始更趨于實(shí)用化，得到進(jìn)一步推廣。OFDM技術(shù)憑借其固有的對(duì)時(shí)延擴(kuò)展較強(qiáng)的抵抗力和較高的頻譜效率兩大優(yōu)勢(shì)迅速成為研究的焦點(diǎn)并被多個(gè)國(guó)際規(guī)范采用作為物理層(PHY)標(biāo)準(zhǔn)。
　　傳統(tǒng)的FDM將帶寬分成幾個(gè)子信道進(jìn)行信息傳輸，中間用保護(hù)頻帶來(lái)降低干擾。頻分復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)是所有子信道傳輸?shù)男盘?hào)以并行的方式工作，每一路信號(hào)傳輸時(shí)可不考慮傳輸時(shí)延。傳統(tǒng)的FDM的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直接。但是頻譜的利用率低，子信道之間要留有保護(hù)頻帶，而且在頻分路數(shù)N較大時(shí)多個(gè)濾波器的實(shí)現(xiàn)使系統(tǒng)復(fù)雜化。
　　OFDM是一種無(wú)線(xiàn)環(huán)境下的多載波傳輸技術(shù)，也可以被看作是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)或多載波數(shù)字復(fù)用技術(shù)。OFDM系統(tǒng)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，比傳統(tǒng)的FDM系統(tǒng)要求的帶寬要小得多，因而，帶寬利用率較高。
　　1、OFDM技術(shù)的基本原理
　　OFDM技術(shù)在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道后，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)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，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾，能有效對(duì)抗頻率選擇性衰落。為消除多徑衰落的影響，在OFDM符號(hào)間加入循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，能有效地避免ISI(符號(hào)間干擾)。
　　數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)調(diào)制(一般為BPSK、QPSK或QAM)，然后經(jīng)過(guò)傅立葉反變換(IFFT)。由頻域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)域信號(hào)，傅立葉反變換的好處就在于使得各子信道上的信號(hào)相互正交，然后經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，成為OFDM基帶信號(hào)。在接收器端，則正好相反，信號(hào)要經(jīng)過(guò)快速傅立葉變換(FFT)，由時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為等同的頻譜，再經(jīng)過(guò)解調(diào)，還原成數(shù)據(jù)。
　　2、OFDM系統(tǒng)的構(gòu)成及主要功能模塊
　　OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其構(gòu)成可根據(jù)OFDM數(shù)據(jù)處理流程分為發(fā)送部分的編碼器、交織器、調(diào)制映射、串并轉(zhuǎn)換器、子載波調(diào)制器、循環(huán)前綴、數(shù)模轉(zhuǎn)換及接收部分的去除循環(huán)前綴、時(shí)間與頻率同步器、子載波解調(diào)器、并串轉(zhuǎn)換器、解調(diào)映射、解交織、VB譯碼器等功能模塊。
　　OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各部分功能簡(jiǎn)述如下。
　　(1)編碼器：信道編碼采用卷積糾錯(cuò)碼、或Reed-Solomon碼、維特比碼、TURBO碼等；
　　(2)交織器：交織器用于降低在數(shù)據(jù)信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，分散丟失的比特，達(dá)到降低誤碼率的目的；
　　(3)調(diào)制映射：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，隨之送到緩沖器存儲(chǔ)，準(zhǔn)備送到IFFT上進(jìn)行變換；
　　(4)串并轉(zhuǎn)換器：用于將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)；
　　(5)子載波調(diào)制器：IFFT快速、高效應(yīng)用離散傅立葉變換功能生成用于OFDM傳輸?shù)恼惠d波。OFDM的核心為IFFT，IFFT調(diào)制每一個(gè)子信道到高精度的正交載波上，信道化后的數(shù)據(jù)注入到一個(gè)并串緩沖器，串行數(shù)據(jù)通過(guò)加循環(huán)前綴和DAC變換為發(fā)送做準(zhǔn)備；
　　(6)循環(huán)前綴：循環(huán)前綴為單個(gè)的OFDM符號(hào)個(gè)體創(chuàng)建一個(gè)保護(hù)帶，可以在信噪比邊緣損耗中極大的減少I(mǎi)SI；
　　(7)時(shí)間與頻率同步器：接收系統(tǒng)中確定OFDM塊有用數(shù)據(jù)信息的開(kāi)始時(shí)刻，使接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的采樣時(shí)鐘頻率保持一致，克服頻率偏差；
　　(8)VB譯碼器：屬于概率解碼。用來(lái)把接收到的卷積糾錯(cuò)編碼序列與所有可能的發(fā)送序列進(jìn)行比較，選擇一種距離最小的序列作為發(fā)送序列。
　　3、OFDM技術(shù)的主要特點(diǎn)
　　OFDM技術(shù)之所以越來(lái)越受關(guān)注，是因?yàn)镺FDM有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
　　(1)頻譜利用率很高。OFDM的頻譜效率比串行系統(tǒng)幾乎高一倍，這在頻譜資源有限的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中尤為重要。OFDM信號(hào)的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限；
　　(2)抗衰落能力強(qiáng)。OFDM把用戶(hù)信息通過(guò)多個(gè)子載波傳輸，在每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)很多倍，使OFDM對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力更強(qiáng)。同時(shí)，通過(guò)子載波的聯(lián)合編碼，達(dá)到了子信道間的頻率分集的作用，也增強(qiáng)了對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒(méi)有必要再添加時(shí)域均衡器；
　　(3)適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制使不同的子載波可以按照信道情況和噪聲背景的不同使用不同的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時(shí)候，采用效率高的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件差的時(shí)候，采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。因此，OFDM技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸；
　　(4)抗碼間干擾能力強(qiáng)。碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會(huì)造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環(huán)前綴，對(duì)抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。
　　OFDM也有其缺點(diǎn)。例如對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感；功率峰值與均值比(PAPR)大，導(dǎo)致射頻放大器的功率效率較低；負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度等。
　　4、OFDM技術(shù)在寬帶無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和城域網(wǎng)中的應(yīng)用
　　目前，OFDM技術(shù)良好的性能使其在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如HDSL、ADSL、VDSL、DAB和DVB，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)IEEE 802.11和HiperLAN2，以及無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)IEEE 802.16等系統(tǒng)�，F(xiàn)僅以在無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)IEEE 802.16和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)IEEE 802.11中的應(yīng)用為例分述如下。
　　4.1　802.16g中的OFDM技術(shù)
　　IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)接入方式而提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。2003年1月29日，IEEE 802.16工作組通過(guò)了802.16a標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范書(shū)，解決了2-11GHz之間頻率范圍的寬帶無(wú)線(xiàn)問(wèn)題。802.16a標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確定義了OFDM技術(shù)作為無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式。IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在特許頻段，可以使用單載波調(diào)制或正交頻分復(fù)用，對(duì)于非特許頻段，必須使用正交頻分復(fù)用調(diào)制方式。
　　4.2　802.11g中的OFDM技術(shù)
　　和所有IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)一樣，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)協(xié)議802.11標(biāo)準(zhǔn)也是以O(shè)SI模型最低的兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層為中心。所有局域網(wǎng)應(yīng)用、操作系統(tǒng)或協(xié)議(包括最常見(jiàn)的TCP/IP)在符合802.11標(biāo)準(zhǔn)的WLAN上運(yùn)行都將像在以太網(wǎng)中運(yùn)行一樣。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換到無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的成本很低。
　　802.11a/b/g幾種協(xié)議中，802.11b/g都工作在2.4GHz頻率下，802.11g可以向下兼容802.11b，區(qū)別在于802.11g采用了更先進(jìn)的正交頻分復(fù)用技術(shù)，具備了和802.11a一樣54Mbit/s的物理鏈接速率。802.11a的成本較高，在國(guó)內(nèi)沒(méi)有普及，但是由于802.11a能夠容納更多的信道，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)很發(fā)達(dá)的國(guó)家，802.11a正顯示出它的優(yōu)勢(shì)。
　　802.11g使用了802.11a的信號(hào)調(diào)制技術(shù)——OFDM技術(shù)，不同于802.11b使用的直接排序擴(kuò)展頻譜(DSSS。Direct Sequence Spread Spectrum)。在802.11a標(biāo)準(zhǔn)中，OFDM在20MHz頻段能夠提供高達(dá)54Mbit/s速率的原始數(shù)據(jù)傳輸。
　　5、OFDM——未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)
　　5.1　引入OFDM技術(shù)是提高下行分組接入速率的發(fā)展趨勢(shì)
　　高速下行分組接入(HSDPA)是3GPP在R5協(xié)議中為了滿(mǎn)足上/下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不對(duì)稱(chēng)的需求而提出的一種新技術(shù)，它很好地解決了系統(tǒng)覆蓋與容量之間的矛盾，大大提升了系統(tǒng)容量，滿(mǎn)足了用戶(hù)的高速業(yè)務(wù)需求。
　　3GPP確定了HSDPA演進(jìn)的3個(gè)階段，其中第3階段仍在進(jìn)行研究。R5以上的版本主要將致力于吞吐量的進(jìn)一步提高，峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá)50Mbit/s以上。第1階段是基本HSDPA，在3GPP R5中進(jìn)行了說(shuō)明，引進(jìn)一些新的基礎(chǔ)特性以獲得10.8Mbit/s峰值數(shù)據(jù)速率。第2階段是增強(qiáng)HSDPA，在3GPP R6中進(jìn)行了說(shuō)明，將引入天線(xiàn)陣列處理技術(shù)如多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)以及快速小區(qū)選擇技術(shù)(FCS)以提高峰值數(shù)據(jù)速率至30Mbit/s。第3階段將引進(jìn)新型空中接口，增加平均比特率，OFDM技術(shù)和64QAM調(diào)制的引入將使峰值速率達(dá)到50Mbit/s以上。
　　5.2　OFDM是第四代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一
　　在高頻段進(jìn)行高速移動(dòng)通信，將面臨嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。為了提高信號(hào)性能，我們需要研究和發(fā)展智能調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，來(lái)有效抑制這種衰落。從技術(shù)上來(lái)看，第三代移動(dòng)通信主要采用的CDMA技術(shù)，而第四代移動(dòng)通信技術(shù)將采用OFDM為技術(shù)核心。
　　移動(dòng)通信信道的突出特點(diǎn)之一就是信道存在多徑時(shí)延擴(kuò)展，它限制了數(shù)據(jù)速率的提高，因?yàn)槿绻麛?shù)據(jù)速率高于信道的相干帶寬，信號(hào)將產(chǎn)生嚴(yán)重失真，信號(hào)傳輸質(zhì)量大幅度下降。而OFDM技術(shù)由于具備頻譜利用率高，有較強(qiáng)的抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落和頻率擴(kuò)散能力等特點(diǎn)，是對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N潛在的解決方案。因此要選擇OFDM作為第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。當(dāng)然，也不排除隨著OFDM技術(shù)進(jìn)步的加快，它在后3G時(shí)期就得到大范圍使用。
　　6、結(jié)束語(yǔ)
　　OFDM技術(shù)由于其抗干擾能力強(qiáng)、頻譜利用率高、成本低等原因越來(lái)越得到人們的關(guān)注，隨著人們對(duì)于通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個(gè)人化和移動(dòng)化的需求，OFDM技術(shù)在綜合無(wú)線(xiàn)接入領(lǐng)域?qū)⒌玫皆絹?lái)越廣泛的應(yīng)用。
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