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OFDM的基本原理和基本模型,OFDM通訊模型的講解

  OFDM的基本原理和基本模型

  OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交頻分復用技術,實際上OFDM是MCM(MultiCarrierModulation),多載波調制的一種。

  OFDM技術由MCM(Multi-CarrierModulation,多載波調制)發展而來。OFDM技術是多載波傳輸方案的實現方式之一,它的調制和解調是分別基于IFFT和FFT來實現的,是實現復雜度最低、應用最廣的一種多載波傳輸方案。

  OFDM技術是HPA聯盟(HomePlugPowerlineAlliance)工業規范的基礎,它采用一種不連續的多音調技術,將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號,從而完成信號傳送。由于這種技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力,因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。

  通常的數字調制都是在單個載波上進行,如PSK、QAM等。這種單載波的調制方法易發生碼間干擾而增加誤碼率,而且在多徑傳播的環境中因受瑞利衰落的影響而會造成突發誤碼。若將高速率的串行數據轉換為若干低速率數據流,每個低速數據流對應一個載波進行調制,組成一個多載波的同時調制的并行傳輸系統。這樣將總的信號帶寬劃分為N個互不重疊的子通道(頻帶小于Δf),N個子通道進行正交頻分多重調制,就可克服上述單載波串行數據系統的缺陷。

  在向B3G/4G演進的過程中,OFDM是關鍵的技術之一,可以結合分集,時空編碼,干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術,最大限度的提高了系統性能。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有整數個載波周期,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,所以它比傳統的FDMA提高了頻帶利用率。

  OFDM系統頻譜

  在OFDM傳播過程中,高速信息數據流通過串并變換,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生的時間彌散性對系統造成的碼間干擾。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。如果用循環前綴作為保護間隔,還可避免多徑帶來的信道間干擾。

  在過去的頻分復用(FDM)系統中,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系統的一個主要優點是正交的子載波可以利用快速傅利葉變換(FFT/IFFT)實現調制和解調。對于N點的IFFT運算,需要實施N^2次復數乘法,而采用常見的基于2的IFFT算法,其復數乘法僅為(N/2)log2N,可顯著降低運算復雜度。

  在OFDM系統的發射端加入保護間隔,主要是為了消除多徑所造成的ISI。其方法是在OFDM符號保護間隔內填入循環前綴,以保證在FFT周期內OFDM符號的時延副本內包含的波形周期個數也是整數。這樣時延小于保護間隔的信號就不會在解調過程中產生ISI。由于OFDM技術有較強的抗ISI能力以及高頻譜效率,2001年開始應用于光通信中,相當多的研究表明了該技術在光通信中的可行性。

  OFDM是一種多載波調制方式,通過減小和消除碼間串擾的影響來克服信道的頻率選擇性衰落,其基本原理是將信號分割為N個子信號,然后用N個子信號分別調制N個相互正交的子載波。由于子載波的頻譜相互重疊,因而可以得到較高的頻譜效率。下圖是OFDM基帶信號處理原理圖。其中,(a)是發射機工作原理,(b)是接收機工作原理。

  當調制信號通過無線信道到達接收端時,由于信道多徑效應帶來的碼間串擾的作用,子載波之間不再保持良好的正交狀態,因而發送前需要在碼元間插入保護間隔。如果保護間隔大于最大時延擴展,則所有時延小于保護間隔的多徑信號將不會延伸到下一個碼元期間,從而有效地消除了碼間串擾。當采用單載波調制時,為減小ISI的影響,需要采用多級均衡器,這會遇到收斂和復雜性高等問題。

  在發射端,首先對比特流進行QAM或QPSK調制,然后依次經過串并變換和IFFT變換,再將并行數據轉化為串行數據,加上保護間隔(又稱“循環前綴”),形成OFDM碼元。在組幀時,須加入同步序列和信道估計序列,以便接收端進行突發檢測、同步和信道估計,最后輸出正交的基帶信號。

  當接收機檢測到信號到達時,首先進行同步和信道估計。當完成時間同步、小數倍頻偏估計和糾正后,經過FFT變換,進行整數倍頻偏估計和糾正,此時得到的數據是QAM或QPSK的已調數據。對該數據進行相應的解調,就可得到比特流

  FDM/FDMA(頻分復用/多址)技術其實是傳統的技術,將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶(子載波)進行并行發送是最樸素的實現寬帶傳輸的方法。但是為了避免各子載波之間的干擾,不得不在相鄰的子載波之間保留較大的間隔(圖(a)所示),大大降低了頻譜效率。因此,頻譜效率更高的TDM/TDMA(時分復用/多址)和CDM/CDMA技術成為了無線通信的核心傳輸技術。近幾年由于數字調制技術FFT的發展,使FDM技術有了革命性的變化。FFT允許將FDM的各個子載波重疊排列,同時保持子載波之間的正交性(以避免子載波之間干擾)。如圖(b)所示,部分重疊的子載波排列可以大大提高頻譜效率,因為相同的帶寬內可以容納更多的子載波。

  通信模型

  在通信系統中,例如我們用手機打電話的時候,通話數據被采樣后,會形成D0、D1、D2、D3、D4、D5……這樣連續的數據流。

  FDM就是把這個序列中的元素依次地調制到指定的頻率后發送出去。

  OFDM就是先把序列劃分為D0、D4、D8……D1、D5、D9……D2、D6、D10……D3、D7、D11……這樣4個子序列(此處子序列個數僅為舉例,不代表實際個數),然后將第一個子序列的元素依次調制到頻率F1上并發送出去,第二個子序列的元素依次調制到頻率F2上并發送出去,第三個子序列的元素依次調制到頻率F3上并發送出去,第四個子序列的元素依次調制到頻率F4上并發送出去。F1、F2、F3、F4這四個頻率滿足兩兩正交的關系,如下圖所示。

  

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