OFDM基本原理及應(yīng)用

　　OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM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(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)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(duì)容易。

　　1、基本原理　

　OFDM —— OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM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(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)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(duì)容易。在向B3G/4G演進(jìn)的過(guò)程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集，時(shí)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。

　　2、發(fā)展歷史

　　第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)上個(gè)世紀(jì)70年代，韋斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人應(yīng)用離散傅里葉變換(DFT)和快速傅里葉方法(FFT)研制了一個(gè)完整的多載波傳輸系統(tǒng)，叫做正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)。

　　OFDM是正交頻分復(fù)用的英文縮寫。正交頻分復(fù)用是一種特殊的多載波傳輸方案。OFDM應(yīng)用離散傅里葉變換(DFT)和其逆變換(IDFT)方法解決了產(chǎn)生多個(gè)互相正交的子載波和從子載波中恢復(fù)原信號(hào)的問(wèn)題。這就解決了多載波傳輸系統(tǒng)發(fā)送和傳送的難題。應(yīng)用快速傅里葉變換更使多載波傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度大大降低。從此OFDM技術(shù)開(kāi)始走向?qū)嵱?。但是?yīng)用OFDM系統(tǒng)仍然需要大量繁雜的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，而當(dāng)時(shí)還缺乏數(shù)字處理功能強(qiáng)大的元器件，因此OFDM技術(shù)遲遲沒(méi)有得到迅速發(fā)展。

　　OFDM基帶收發(fā)機(jī)框圖近些年來(lái)，集成數(shù)字電路和數(shù)字信號(hào)處理器件的迅猛發(fā)展，以及對(duì)無(wú)線通信高速率要求的日趨迫切，OFDM技術(shù)再次受到了重視。

　　在上個(gè)世紀(jì)60年代已經(jīng)提出了使用平行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用(FDM)的概念。1970年，美國(guó)發(fā)明和申請(qǐng)了一個(gè)專利，其思想是采用平行的數(shù)據(jù)和子信道相互重疊的頻分復(fù)用來(lái)消除對(duì)高速均衡的依賴，用于抵制沖激噪聲和多徑失真，而能充分利用帶寬。這項(xiàng)技術(shù)最初主要用于軍事通信系統(tǒng)。但在以后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，OFDM理論邁向?qū)嵺`的腳步放緩了。由于OFDM各個(gè)子載波之間相互正交，采用FFT實(shí)現(xiàn)這種調(diào)制，但在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)時(shí)傅立葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素部成為OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的制約條件。在二十世紀(jì)80年代，MCM獲得了突破性進(jìn)展，大規(guī)模集成電路讓FFT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實(shí)現(xiàn)的困難也部得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺(tái)，逐步邁向高速數(shù)字移動(dòng)通信的領(lǐng)域[1]。

　　3、應(yīng)用情況

　　OFDM基帶信號(hào)處理原理圖由于技術(shù)的可實(shí)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(dòng)無(wú)線FM信道，高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)(HDSL)，不對(duì)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)娜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(guò)了一個(gè)SGHz的無(wú)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(dá)54MbPs。這樣，可提供25MbPs的無(wú)線ATM接口和10MbPs的以太網(wǎng)無(wú)線幀結(jié)構(gòu)接口，并支持語(yǔ)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(chǎng)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)。

　　OFDM提高頻譜效率2001年，IEEE802.16通過(guò)了無(wú)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(zhǎng)較長(zhǎng)，適合非視距傳播，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)存在較強(qiáng)的多徑效應(yīng)，而在免許可頻段還存在干擾問(wèn)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(shì)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(dòng)寬帶無(wú)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。

　　導(dǎo)頻插入方式2004年11月，根據(jù)眾多移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商、制造商和研究機(jī)構(gòu)的要求，3GPP通過(guò)被稱為L(zhǎng)ongTermEvolution(LTE)即“3G長(zhǎng)期演進(jìn)”的立項(xiàng)工作。項(xiàng)目以制定3G演進(jìn)型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范作為目標(biāo)。3GPP經(jīng)過(guò)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(dá)成了共識(shí)。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(rèn)為會(huì)增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時(shí)間，一些則認(rèn)為可以通過(guò)濾波，削峰等方法限制峰均比。不過(guò)，經(jīng)過(guò)討論后，最后上行還是采用了SC一FDMA方式。擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)一一TD-SCDMA在LTE演進(jìn)計(jì)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(shí)現(xiàn)。B3G/4G的目標(biāo)是在高速移動(dòng)環(huán)境下支持高達(dá)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(dá)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[2]。