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OFDM的基本原理和基本模型,OFDM通讯模型的讲解

  OFDM的基本原理和基本模型

  OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM(MultiCarrierModulation),多载波调制的一种。

  OFDM技术由MCM(Multi-CarrierModulation,多载波调制)发展而来。OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一,它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的,是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。

  OFDM技术是HPA联盟(HomePlugPowerlineAlliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

  通常的数字调制都是在单个载波上进行,如PSK、QAM等。这种单载波的调制方法易发生码间干扰而增加误码率,而且在多径传播的环境中因受瑞利衰落的影响而会造成突发误码。若将高速率的串行数据转换为若干低速率数据流,每个低速数据流对应一个载波进行调制,组成一个多载波的同时调制的并行传输系统。这样将总的信号带宽划分为N个互不重叠的子通道(频带小于Δf),N个子通道进行正交频分多重调制,就可克服上述单载波串行数据系统的缺陷。

  在向B3G/4G演进的过程中,OFDM是关键的技术之一,可以结合分集,时空编码,干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术,最大限度的提高了系统性能。包括以下类型:V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多带-OFDM。

  OFDM中的各个载波是相互正交的,每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期,每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠,这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠,所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。

  OFDM系统频谱

  在OFDM传播过程中,高速信息数据流通过串并变换,分配到速率相对较低的若干子信道中传输,每个子信道中的符号周期相对增加,这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外,由于引入保护间隔,在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下,可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔,还可避免多径带来的信道间干扰。

  在过去的频分复用(FDM)系统中,整个带宽分成N个子频带,子频带之间不重叠,为了避免子频带间相互干扰,频带间通常加保护带宽,但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点,OFDM采用N个重叠的子频带,子频带间正交,因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。

  OFDM系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换(FFT/IFFT)实现调制和解调。对于N点的IFFT运算,需要实施N^2次复数乘法,而采用常见的基于2的IFFT算法,其复数乘法仅为(N/2)log2N,可显著降低运算复杂度。

  在OFDM系统的发射端加入保护间隔,主要是为了消除多径所造成的ISI。其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀,以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI。由于OFDM技术有较强的抗ISI能力以及高频谱效率,2001年开始应用于光通信中,相当多的研究表明了该技术在光通信中的可行性。

  OFDM是一种多载波调制方式,通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落,其基本原理是将信号分割为N个子信号,然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠,因而可以得到较高的频谱效率。下图是OFDM基带信号处理原理图。其中,(a)是发射机工作原理,(b)是接收机工作原理。

  当调制信号通过无线信道到达接收端时,由于信道多径效应带来的码间串扰的作用,子载波之间不再保持良好的正交状态,因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展,则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间,从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时,为减小ISI的影响,需要采用多级均衡器,这会遇到收敛和复杂性高等问题。

  在发射端,首先对比特流进行QAM或QPSK调制,然后依次经过串并变换和IFFT变换,再将并行数据转化为串行数据,加上保护间隔(又称“循环前缀”),形成OFDM码元。在组帧时,须加入同步序列和信道估计序列,以便接收端进行突发检测、同步和信道估计,最后输出正交的基带信号。

  当接收机检测到信号到达时,首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后,经过FFT变换,进行整数倍频偏估计和纠正,此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调,就可得到比特流

  FDM/FDMA(频分复用/多址)技术其实是传统的技术,将较宽的频带分成若干较窄的子带(子载波)进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰,不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔(图(a)所示),大大降低了频谱效率。因此,频谱效率更高的TDM/TDMA(时分复用/多址)和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。近几年由于数字调制技术FFT的发展,使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列,同时保持子载波之间的正交性(以避免子载波之间干扰)。如图(b)所示,部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率,因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。

  通信模型

  在通信系统中,例如我们用手机打电话的时候,通话数据被采样后,会形成D0、D1、D2、D3、D4、D5……这样连续的数据流。

  FDM就是把这个序列中的元素依次地调制到指定的频率后发送出去。

  OFDM就是先把序列划分为D0、D4、D8……D1、D5、D9……D2、D6、D10……D3、D7、D11……这样4个子序列(此处子序列个数仅为举例,不代表实际个数),然后将第一个子序列的元素依次调制到频率F1上并发送出去,第二个子序列的元素依次调制到频率F2上并发送出去,第三个子序列的元素依次调制到频率F3上并发送出去,第四个子序列的元素依次调制到频率F4上并发送出去。F1、F2、F3、F4这四个频率满足两两正交的关系,如下图所示。

  

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