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新一代無線通信技術---OFDM技術

發布時間:2007/4/23 0:00:00 訪問次數:470

隨著通信技術的不斷成熟和發展,如今的通信傳輸方式可以說多種多樣,變化日新月異,從最初的有線通信到無線通信,再到現在的光纖通信。然而,從通信技術的實質來看,上面所述基本上都是傳輸介質和信道的變化,突破性的進展并不多。近年來,隨著DSP芯片技術的發展,傅立葉變換/反變換、高速Modem采用的64/128/256QAM技術、柵格編碼技術、軟判決技術、信道自適應技術、插入保護時段、減少均衡計算量等成熟技術的逐步引入,OFDM作為一種可以有效對抗信號波形間干擾的高速傳輸技術,引起了廣泛關注。人們開始集中越來越多的精力開發OFDM技術在移動通信領域的應用,預計第三代以后的移動通信的主流技術將是OFDM技術。

那么什么是OFDM技術呢? 
OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency Division Multiplexing,中文含義為正交頻分復用技術。這種技術是HPA聯盟(HomePlug Powerline Alliance)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外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。


其實,OFDM并不是如今發展起來的新技術,OFDM技術的應用已有近40年的歷史,主要用于軍用的無線高頻通信系統。但是,一個OFDM系統的結構非常復雜,從而限制了其進一步推廣。直到70年代,人們提出了采用離散傅立葉變換來實現多個載波的調制,簡化了系統結構,使得OFDM技術更趨于實用化。八十年代,人們研究如何將OFDM技術應用于高速MODEM。進入九十年代以來,OFDM技術的研究深入到無線調頻信道上的寬帶數據傳輸。目前OFDM技術已經被廣泛應用于廣播式的音頻和視頻領域和民用通信系統中,主要的應用包括:非對稱的數字用戶環路(ADSL)、ETSI標準的數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無線局域網( WLAN)等。

OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的,而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調制,并且各子載波并行傳輸。這樣,盡管總的信道是非平坦的,具有頻率選擇性,但是每個子信道是相對平坦的,在每個子信道上進行的是窄帶傳輸,信號帶寬小于信道的相應帶寬,因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交,于是它們的頻譜是相互重疊的,這樣不但減小了子載波間的相互干擾,同時又提高了頻譜利用率。


OFDM技術屬于多載波調制(Multi-Carrier Modulation, MCM)技術。有些文獻上將OFDM和MCM混用,實際上不夠嚴密。MCM與OFDM常用于無線信道,它們的區別在于:OFDM技術特指將信道劃分成正交的子信道,頻道利用率高;而MCM,可以是更多種信道劃分方法。

OFDM技術的推出其實是為了提高載波的頻譜利用率,或者是為了改進對多載波的調制用的,它的特點是各子載波相互正交,使擴頻調制后的頻譜可以相互重疊,從而減小了子載波間的相互干擾。在對每個載波完成調制以后,為了增加數據的吞吐量,提高數據傳輸的速度,它又采用了一種叫作HomePlug的處理技術,來對所有將要被發送數據信號位的載波進行合并處理,把眾多的單個信號合并成一個獨立的傳輸信號進行發送。 另外OFDM之所以備受關注,其中一條重要的原因是它可以利用離散傅立葉反變換/離散傅立葉變換(IDFT/DFT)代替多載波調制和解調。 

OFDM技術比較突出的地方就是:
(1) 在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據。OFDM技術能同時分開至少1000個數字信號,而且在干擾的信號周圍可以安全的運行的能力將直接威脅到目前市場上已經開始流行的CDMA技術的進一步發展壯大的態勢,正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得OFDM技術深受歐洲通信營運商以及手機生產商的喜愛和歡迎,例如加利福尼亞Cisco系統公司、紐約Flarion工學院以及朗訊工學院等開始使用,在加拿大Wi-LAN工學院也開始使用這項技術。
(2) OFDM技術能夠持續不斷地監控傳輸介質上通信特性的突然變化,由于通信路徑傳送數據的能力會隨時間發生變化,所以OFDM能動態地與之相適應,并且接通和切斷相應的載波以保證持續地進行成功的通信;
(3) 該技術可以自動地檢測到傳輸介質下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖,然后采取合適的調制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信;
(4) OFDM技術特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號撒播的地區,高速的數據傳播及播音都希望刪除多路影響的地方。 

那么OFDM技術有什么優點?

(1) OFDM技術的最大優點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統中,單個衰落或干擾能夠導致整個通信鏈路失敗,但是在多載波系統中,僅僅有很小一部分載波會

隨著通信技術的不斷成熟和發展,如今的通信傳輸方式可以說多種多樣,變化日新月異,從最初的有線通信到無線通信,再到現在的光纖通信。然而,從通信技術的實質來看,上面所述基本上都是傳輸介質和信道的變化,突破性的進展并不多。近年來,隨著DSP芯片技術的發展,傅立葉變換/反變換、高速Modem采用的64/128/256QAM技術、柵格編碼技術、軟判決技術、信道自適應技術、插入保護時段、減少均衡計算量等成熟技術的逐步引入,OFDM作為一種可以有效對抗信號波形間干擾的高速傳輸技術,引起了廣泛關注。人們開始集中越來越多的精力開發OFDM技術在移動通信領域的應用,預計第三代以后的移動通信的主流技術將是OFDM技術。

那么什么是OFDM技術呢? 
OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency Division Multiplexing,中文含義為正交頻分復用技術。這種技術是HPA聯盟(HomePlug Powerline Alliance)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外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。


其實,OFDM并不是如今發展起來的新技術,OFDM技術的應用已有近40年的歷史,主要用于軍用的無線高頻通信系統。但是,一個OFDM系統的結構非常復雜,從而限制了其進一步推廣。直到70年代,人們提出了采用離散傅立葉變換來實現多個載波的調制,簡化了系統結構,使得OFDM技術更趨于實用化。八十年代,人們研究如何將OFDM技術應用于高速MODEM。進入九十年代以來,OFDM技術的研究深入到無線調頻信道上的寬帶數據傳輸。目前OFDM技術已經被廣泛應用于廣播式的音頻和視頻領域和民用通信系統中,主要的應用包括:非對稱的數字用戶環路(ADSL)、ETSI標準的數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無線局域網( WLAN)等。

OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的,而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調制,并且各子載波并行傳輸。這樣,盡管總的信道是非平坦的,具有頻率選擇性,但是每個子信道是相對平坦的,在每個子信道上進行的是窄帶傳輸,信號帶寬小于信道的相應帶寬,因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交,于是它們的頻譜是相互重疊的,這樣不但減小了子載波間的相互干擾,同時又提高了頻譜利用率。


OFDM技術屬于多載波調制(Multi-Carrier Modulation, MCM)技術。有些文獻上將OFDM和MCM混用,實際上不夠嚴密。MCM與OFDM常用于無線信道,它們的區別在于:OFDM技術特指將信道劃分成正交的子信道,頻道利用率高;而MCM,可以是更多種信道劃分方法。

OFDM技術的推出其實是為了提高載波的頻譜利用率,或者是為了改進對多載波的調制用的,它的特點是各子載波相互正交,使擴頻調制后的頻譜可以相互重疊,從而減小了子載波間的相互干擾。在對每個載波完成調制以后,為了增加數據的吞吐量,提高數據傳輸的速度,它又采用了一種叫作HomePlug的處理技術,來對所有將要被發送數據信號位的載波進行合并處理,把眾多的單個信號合并成一個獨立的傳輸信號進行發送。 另外OFDM之所以備受關注,其中一條重要的原因是它可以利用離散傅立葉反變換/離散傅立葉變換(IDFT/DFT)代替多載波調制和解調。 

OFDM技術比較突出的地方就是:
(1) 在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據。OFDM技術能同時分開至少1000個數字信號,而且在干擾的信號周圍可以安全的運行的能力將直接威脅到目前市場上已經開始流行的CDMA技術的進一步發展壯大的態勢,正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得OFDM技術深受歐洲通信營運商以及手機生產商的喜愛和歡迎,例如加利福尼亞Cisco系統公司、紐約Flarion工學院以及朗訊工學院等開始使用,在加拿大Wi-LAN工學院也開始使用這項技術。
(2) OFDM技術能夠持續不斷地監控傳輸介質上通信特性的突然變化,由于通信路徑傳送數據的能力會隨時間發生變化,所以OFDM能動態地與之相適應,并且接通和切斷相應的載波以保證持續地進行成功的通信;
(3) 該技術可以自動地檢測到傳輸介質下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖,然后采取合適的調制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信;
(4) OFDM技術特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號撒播的地區,高速的數據傳播及播音都希望刪除多路影響的地方。 

那么OFDM技術有什么優點?

(1) OFDM技術的最大優點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統中,單個衰落或干擾能夠導致整個通信鏈路失敗,但是在多載波系統中,僅僅有很小一部分載波會

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