OFDM(正交頻分復(fù)用)通信技術(shù)

一、OFDM基礎(chǔ)

OFDM是多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它將數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后調(diào)制為射頻信號。不像常規(guī)的單載波技術(shù)，如AM/FM（調(diào)幅/調(diào)頻）在某一時刻只用單一頻率發(fā)送單一信號，OFDM在經(jīng)過特別計算的正交頻率上同時發(fā)送多路高速信號。這一結(jié)果就如同在噪聲和其它干擾中突發(fā)通信一樣有效利用帶寬。

傳統(tǒng)的FDM（頻分復(fù)用）理論將帶寬分成幾個子信道，中間用保護頻帶來降低干擾，它們同時發(fā)送數(shù)據(jù)。例如：有線電視系統(tǒng)和模擬無線廣播等，接收機必須調(diào)諧到相應(yīng)的臺站。

OFDM系統(tǒng)比傳統(tǒng)的FDM系統(tǒng)要求的帶寬要少得多。由于使用無干擾正交載波技術(shù)，單個載波間無需保護頻帶。這樣使得可用頻譜的使用效率更高。另外，OFDM技術(shù)可動態(tài)分配在子信道上的數(shù)據(jù)。為獲得最大的數(shù)據(jù)吞吐量，多載波調(diào)制器可以智能地分配更多的數(shù)據(jù)到噪聲小的子信道上。
應(yīng)用OFDM來克服碼間串?dāng)_和鄰頻干擾技術(shù)可以追溯到上世紀(jì)60年代中期。然而，長久以來OFDM的實際應(yīng)用受限于快速富里葉變換器的速度和效率。如今，高性能PLD（可編程邏輯器件）技術(shù)的成熟造就了OFDM現(xiàn)階段的應(yīng)用。

現(xiàn)代單載波調(diào)制方式如積分幅度調(diào)制（QAM）或積分移相鍵控調(diào)制（QPSK），結(jié)合了基本的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相技術(shù)來提供更高的噪聲抑制和更好的系統(tǒng)吞吐量。利用增加的復(fù)雜調(diào)制技術(shù)要求有高性能的數(shù)字邏輯，但也允許系統(tǒng)構(gòu)造者獲得更高的信噪比和接近先農(nóng)限制的頻譜有效性。

二、OFDM的應(yīng)用

最近，OFDM已于幾例歐洲無線通信應(yīng)用中被采用，如ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播（DAB）、陸地數(shù)字視頻廣播（DVB-T）。在美國，OFDM應(yīng)用于MMDS(多點多信道分布式服務(wù))。WLAN應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11a和ETSI(歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)委員會)的HiperLAN/2標(biāo)準(zhǔn)同樣采用OFDM作為調(diào)制方式。有線應(yīng)用也同樣采用了基于OFDM的系統(tǒng)，如在xDSL中的離散多音頻系統(tǒng)和有線調(diào)制器應(yīng)用。

基于OFDM的AT&T固定無線寬帶用戶服務(wù)到2002年底計劃達到1500萬戶。AT&T和北電網(wǎng)絡(luò)正在考慮第四代無線網(wǎng)絡(luò)的可行性，以EDGE(全球演進的增強數(shù)據(jù))作為上行，OFDM作為下行。

對這些應(yīng)用在物理層采用OFDM的優(yōu)勢在于對窄帶信道簡化均等，高的系統(tǒng)吞吐量，和噪聲抑制。
三、OFDM結(jié)構(gòu)

OFDM結(jié)構(gòu)可根據(jù)OFDM數(shù)據(jù)處理流程分為發(fā)送部分的前向糾錯編碼器、交錯器、星座圖映射、串并轉(zhuǎn)換器及接收部分的反向快速富里葉變換器、并串轉(zhuǎn)換器、循環(huán)前綴插入、整形有限激勵響應(yīng)過濾器、數(shù)模轉(zhuǎn)換等模塊。

OFDM調(diào)制采用信道編碼來抑制多徑效應(yīng)，數(shù)據(jù)符號映射到一個相應(yīng)的星座圖上(如同QPSK，QAM)，結(jié)果I和Q值存儲在緩沖中，并應(yīng)用了快速富里葉反變換(IFFT)。IFFT在正交載波上進行調(diào)制。數(shù)據(jù)被準(zhǔn)備發(fā)送并被串行化另外為抵抗多徑效應(yīng)加上一個循環(huán)前綴。經(jīng)過處理的信號被送到天線上被發(fā)送出去。

1．功能模塊

（1）前向糾錯(ForwardErrorCorrection)

信道編碼采用Reed-Solomon碼、卷積糾錯碼、維特比碼或TURBO碼。

（2）交錯器

交錯器用于降低在數(shù)據(jù)信道中的突發(fā)錯誤，交錯后的數(shù)據(jù)通過一個串并行轉(zhuǎn)換器，將IQ映射到一個相應(yīng)的星座圖上。

（3）星座圖（略）

多載波OFDM被認為優(yōu)于N個獨立的由單載波調(diào)制的子頻帶。星座圖將符號映射到相應(yīng)的星座點上。這一過程產(chǎn)生IQ值，它們被過濾并送到IFFT上進行變換。
（4）緩沖

用于存儲送到IFFT前的IQ值。IFFT可快速、高效應(yīng)用離散富里葉變換功能并數(shù)學(xué)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)注入到一個并串緩沖器，串行數(shù)據(jù)通過DAC變換為發(fā)送做準(zhǔn)備。

（5）并串轉(zhuǎn)換器

用于將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。

（6）循環(huán)前綴

循環(huán)前綴為單個的OFDM符號個體創(chuàng)建一個保護帶，在信噪比邊緣損耗中被丟掉以極大的減少ISI。整形有限激勵響應(yīng)過濾器(ShaperFIRFilter)用于整形信號。

2．OFDM技術(shù)優(yōu)點

（1）在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)能同時分開至少1000個數(shù)字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運行的能力將直接威脅到目前市場上已經(jīng)開始流行的CDMA技術(shù)的進一步發(fā)展壯大的態(tài)勢，正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得OFDM技術(shù)深受歐洲通信營運商以及手機生產(chǎn)商的喜愛和歡迎，例如加利福尼亞Cisco系統(tǒng)公司、紐約Flarion工學(xué)院以及朗訊工學(xué)院等開始使用，在加拿大Wi-LAN工學(xué)院也開始使用這項技術(shù)。