正交頻分復用技術及其應用
加入技術交流群
OFDM的概念于20世紀50～60年代提出，1970年OFDM的專利被發表[1]，其基本思想通過采用允許子信道頻譜重疊，但相互間又不影響的頻分復用（FDM）方法來并行傳送數據。OFDM早期的應用有AN/GSC_10（KATHRYN）高頻可變速率數傳調制解調器等[1]。
在早期的OFDM系統中，發信機和相關接收機所需的副載波陣列是由正弦信號發生器產生的，系統復雜且昂貴。1971年Weinstein和Ebert提出了使用離散傅立葉變換實現OFDM系統中的全部調制和解調功能[3]的建議，簡化了振蕩器陣列以及相關接收機中本地載波之間嚴格同步的問題，為實現OFDM的全數字化方案作了理論上的準備。
80年代以后，OFDM的調制技術再一次成為研究熱點。例如在有線信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM調制技術，試驗成功了16QAM多路并行傳送19.2kbit/s的電話線MODEM[4]。
進入90年代以后，OFDM的應用又涉及到了利用移動調頻（FM）和單邊帶（SSB）信道進行高速數據通信、陸地移動通信、高速數字用戶環路（HDSL）、非對稱數字用戶環路（ADSL）、超高速數字用戶環路（VHDSL）、數字聲廣播（DAB）及高清晰度數字電視（HDTV）和陸地廣播等各種通信系統。
2 OFDM的原理
OFDM技術是一種多載波調制技術，其特點是各副載波相互正交。
設{fm}是一組載波頻率，各載波頻率的關系為：
{fm}=f0+m/T m=0,1,2,…N-1 （1）
式中，T是單元碼的持續時間，f0是發送頻率。
作為載波的單元信號組定義為[16]:
式中l的物理意義對應于“幀”（即在第l時刻有m路并行碼同時發送）。
其頻譜相互交疊，如圖1所示。
從圖1可以看出，OFDM是由一系列在頻率上等間隔的副載波構成，每個副載波數字符號調制，各載波上的信號功率形式都是相同的，都為sinf/f型，它對應于時域的方波。
Φm(t)滿足正交條件
以及
其中符號“*”表示共軛。
當以一組取自有限集的復數{Xm,l}表示的數字信號對φm調制時，則：
此S（t）即為OFDM信號，其中Sl（t）表示第l幀OFDM信號，Xm,l(m=0,1,…，N-1)
為一簇信號點，分別在第l幀OFDM的第m個副載波上傳輸。
在接收端，可通過下式解調出Xm,l
這就是OFDM的基本原理。當傳輸信道中出現多徑傳播時，在接收副載波間的正交性將被破壞，使得每個副載波上的前后傳輸符號間以及各副載波之間發生相互干擾。為解決這個問題，就在每個OFDM傳輸信號前插入一保護間隔，它是由OFDM信號進行周期擴展而來。只要多徑時延不超過保護間隔，副載波間的正交性就不會被破壞。
3 OFDM系統的實現
由上面的分析知，為了實現OFDM，需要利用一組正交的信號作為副載波。典型的正交信號是{1,cosΩt,cos2Ωt,…，cosmΩt,…，sinΩt,sin2Ωt，sinmΩt,…}。如果用這樣一組正交信號作為副載波，以碼元周期為T的不歸零方波作為基帶碼型，調制后經無線信道發送出去。在接收端也是由這樣一組正交信號在[0,T]內分別與發送信號進行相關運算實現解調，則中以恢復出原始信號。OFDM調制解調基本原理見圖2、圖3所示。
在調制端，要發送的串行二進制數據經過數據編碼器（如16QAM）形成了M個復數序列，這里D（m）=A（m）-jB(m)。此復數序列經串并變換器變換后得到碼元周期為T的M路并行碼（一幀），碼型選用不歸零方波。用這M路并行碼調制M個副載波來實現頻分復用。所得到的波形可由下式表示：
式中：ωm=2πfm，fm=f0+mΔf，Δf=1/T為各副載波間的頻率間隔；f0為1/T的整倍數。
評論