OFDM基本原理及應用

　　1、基本原理　

　OFDM ―― OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復用技術(shù)，實(shí)際上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多載波調制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過(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，可以結合分集，時(shí)空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線(xiàn)技術(shù)，最大限度的提高了系統性能。包括以下類(lèi)型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多帶-OFDM。

　　2、發(fā)展歷史

　　第四代移動(dòng)通信系統上個(gè)世紀70年代，韋斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人應用離散傅里葉變換(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，叫做正交頻分復用(OFDM)系統。

　　OFDM是正交頻分復用的英文縮寫(xiě)。正交頻分復用是一種特殊的多載波傳輸方案。OFDM應用離散傅里葉變換(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原信號的問(wèn)題。這就解決了多載波傳輸系統發(fā)送和傳送的難題。應用快速傅里葉變換更使多載波傳輸系統的復雜度大大降低。從此OFDM技術(shù)開(kāi)始走向實(shí)用。但是應用OFDM系統仍然需要大量繁雜的數字信號處理過(guò)程，而當時(shí)還缺乏數字處理功能強大的元器件，因此OFDM技術(shù)遲遲沒(méi)有得到迅速發(fā)展。

　　OFDM基帶收發(fā)機框圖近些年來(lái)，集成數字電路和數字信號處理器件的迅猛發(fā)展，以及對無(wú)線(xiàn)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60年代已經(jīng)提出了使用平行數據傳輸和頻分復用(FDM)的概念。1970年，美國發(fā)明和申請了一個(gè)專(zhuān)利，其思想是采用平行的數據和子信道相互重疊的頻分復用來(lái)消除對高速均衡的依賴(lài)，用于抵制沖激噪聲和多徑失真，而能充分利用帶寬。這項技術(shù)最初主要用于軍事通信系統。但在以后相當長(cháng)的一段時(shí)間，OFDM理論邁向實(shí)踐的腳步放緩了。由于OFDM各個(gè)子載波之間相互正交，采用FFT實(shí)現這種調制，但在實(shí)際應用中，實(shí)時(shí)傅立葉變換設備的復雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩定性以及射頻功率放大器的線(xiàn)性要求等因素部成為OFDM技術(shù)實(shí)現的制約條件。在二十世紀80年代，MCM獲得了突破性進(jìn)展，大規模集成電路讓FFT技術(shù)的實(shí)現不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實(shí)現的困難也部得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺，逐步邁向高速數字移動(dòng)通信的領(lǐng)域[1]。

　　3、應用情況

　　OFDM基帶信號處理原理圖由于技術(shù)的可實(shí)現性，在二十世紀90年代，OFDM廣泛用干各種數字傳輸和通信中，如移動(dòng)無(wú)線(xiàn)FM信道，高比特率數字用戶(hù)線(xiàn)系統(HDSL)，不對稱(chēng)數字用戶(hù)線(xiàn)系統(ADSL)，甚高比特率數字用戶(hù)線(xiàn)系統娜HDSI〕，數字音頻廣播(DAB)系統，數字視頻廣播(DVB)和HDTV地面傳播系統。1999年，IEEE802.lla通過(guò)了一個(gè)SGHz的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準，其中OFDM調制技術(shù)被采用為物理層標準，使得傳輸速率可以達54MbPs。這樣，可提供25MbPs的無(wú)線(xiàn)ATM接口和10MbPs的以太網(wǎng)無(wú)線(xiàn)幀結構接口，并支持語(yǔ)音、數據、圖像業(yè)務(wù)。這樣的速率完全能滿(mǎn)足室內、室外的各種應用場(chǎng)合。歐洲電信組織(ETsl)的寬帶射頻接入網(wǎng)的局域網(wǎng)標準HiperiLAN2也把OFDM定為它的調制標準技術(shù)。

　　OFDM提高頻譜效率2001年，IEEE802.16通過(guò)了無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)標準，該標準根據使用頻段的不同，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(cháng)較長(cháng)，適合非視距傳播，此時(shí)系統會(huì )存在較強的多徑效應，而在免許可頻段還存在干擾問(wèn)題，所以系統采用了抵抗多徑效應、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上有明顯優(yōu)勢的OFDM調制，多址方式為OFDMA。而后，IEEE802.16的標準每年都在發(fā)展，2006年2月，IEEE802.16e(移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)接入空中接口標準)形成了最終的出版物。當然，采用的調制方式仍然是OFDM。

　　導頻插入方式2004年11月，根據眾多移動(dòng)通信運營(yíng)商、制造商和研究機構的要求，3GPP通過(guò)被稱(chēng)為L(cháng)ongTermEvolution(LTE)即“3G長(cháng)期演進(jìn)”的立項工作。項目以制定3G演進(jìn)型系統技術(shù)規范作為目標。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，被選用為下行標準很快就達成了共識。而上行技術(shù)的選擇上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些設備商認為會(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。擁有我國自主知識產(chǎn)權的3G標準一一TD-SCDMA在LTE演進(jìn)計劃中也提出了TD一CDM一OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目標，并希望在2010年予以實(shí)現。B3G/4G的目標是在高速移動(dòng)環(huán)境下支持高達100Mb/S的下行數據傳輸速率，在室內和靜止環(huán)境下支持高達IGb/S的下行數據傳輸速率。而OFDM技術(shù)也將扮演重要的角色[2]。