正交频分复用技术是什么?关于正交频分复用技术的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:47:10

OFDM,是Orthogonal Frequency Division Multiplexing的简称,中文含义就是正交频分复用技术,是一种多载波调制技术。OFDM技术原理是在频域内将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,并分别调制到每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的传输可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰(ISI)。由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,降低了信道均衡的难度。

发展历史

正交频分复用(OFDM)是一种多载波传输技术,通过频分复用实现高速串行数据的并行传输,具有较好的抗多径衰弱的能力,能够支持多用户接入。这种技术的前身可以追溯到 70 年前,由 G.A.Doelz 等人为了能够在严重多径衰弱中实现数据的传输,设计了 Kineplex 系统,使用了差分 QPSK 调制,这种实现方法和现代的 OFDM 技术非常类似,但是这个系统的子载波频谱并没有经过滤波。于是,R.W.Chang 在 1966 年研究了如何在多载波通信系统中让将经过滤波的子载波保持正交。

在 20 世纪 70 年代初期 S.B.Weistein 和P.M.Ebert 等人实现了将离散傅立叶变换应用在 OFDM 调制中的方法,大大降低了多载波技术的实现的复杂度,这也加快了 OFDM 技术走向实际应用的步伐。

80 年代末期,人们更深入的研究了数字移动通信这一领域的相关技术,如多载波调制技术等, L.J.Cimini 首次将 OFDM 技术带到蜂窝移动通信系统中,发现 OFDM 在移动通信中存在问题,并且提出了解决方案,从此 OFDM 在无线移动通信领域的应用迅速发展。

近年来,由于数字信号处理技术和大规模集成电路(LSI)的迅速发展,在载流子数高达几千个的情况下,离散傅里叶变换(DWT)也可以通过专用芯片实现。OFDM 技术在高速数据传输领域,也起到重要的作用。国际电工电子工程学会的IEEE802.11 和欧洲电信标准会 Hiper -LAN2 两大无线局域网标准将正交频分复用作为其物理层关键技术,正交频分复用(OFDM)目前主流的第四代移动通信系统(4G)中,也发挥着不可忽略的重要作用。

OFDM技术简介

OFDM 技术由于其自身的诸多优势,得到广泛关注并被看作 4G 移动通信的关键技术之一。OFDM技术可以结合分集,时空编码,干扰和信道间干扰抑制以及智能天线等技术,从而使系统性能得到最大化的提高,包括V-OFDM, W-OFDM, F-OFDM, MIMO-OFDM,多带-OFDM等诸多类型。OFDM技术具有较高的频谱利用率、功率利用率、优良的抗窄带干扰和抗多径衰落能力等特点,这些技术特性使得基于OFDM 的无线系统有更高的频谱效率,并且可以更好地抵抗无线信道的频率选择性衰落。此外,大规模集成电路的发展也使得基于IFFT/FFT 的 OFDM 调制 / 解调在物理上更加容易实现。

基本原理

OFDM 将给定信道分成多个较窄的子载波, 各子载波之间相互正交, 互不干扰, 同时 OFDM 系统中子载波能够消除载波间干扰。 在传输过程中子载波主要有放置在频带边缘以防止泄露且可与有效子载波结合起来进行多普勒估计和噪声方差估计的空子载波、 用于进行信道估计的导频子载波和携带信息符号的数据子载波。

实现方法

在发送端,串行的数据流经过编码、调制以及串并转换之后,送入运算单元进行快速傅立叶逆变换(IFFT),将频域上的基带信号生成等效的时域上的基带信号为(式中 k、t分别对应为频域上和时域上的离散点,N 代表总载波数量):

在实际应用中,为了抑制码间干扰(ISI)的影响, 还要在符号之前插入大于最大时延扩展的保护间隔(GI),同时可以保证符号之间的多径分量不会相互干扰。然后再放入信道进行传送。

在接收端,在去掉保护间隔时间内添加的循环前缀(CP)、串并转换之后,然后再对剩余的信号进行傅立叶变化(FFT),同时进行信计,再对 FFT 的解调值和信道估计值进行相干检测,恢复出原始比特流。去除循环前缀(CP)之后,然后再经 FFT 变换,最后信号表现为:

OFDM 多址接入技术

OFDM 技术能够与多种多址接入技术结合, 例如频分多址、时分多址和码分多址这三种接入技术。CDMA 与 OFDM 的结合能够使多用户共享频率资源,降低码间干扰,有效提升了系统的性能。

OFDM-FDMA

OFDM-FDMA 的多址接入方式能够将传输的带宽划分为正交的子载波集,这些不同的子载波集分配给不同的用户,实现了带宽资源在不同移动终端的共享,有效避免了码间干扰。OFDM-FDMA 的接入方式以频率来对不同用户进行区分 ,只将具有高信噪比的子载波分配给每一个用户, 每一个用户就可以经历不同的无线信道干扰。

OFDM-TDMA

OFDM-TDMA 多址接入能够实现一段时间内将全部带宽资源分配给一个用户, 某一个用户能够独占在 TDMA 帧几个时隙内的所有子载波。 采用 TDD 模式进行传输,根据业务的需求能够对上行链路和下行链路之间的转换点进行调整 ,从而实现了双向业务。 如果上行链路的数据大于下行链路的数据,则可以通过子帧中转换点的调整来增加可用时隙,从而增加用户 的 OFDM 符 号 数 , 实 现 数 据 的 高 速 率 传 输 。 OFDMTDMA 方案通过 OFDM 符号数的改变能够对不同数据传输速率的多种业务进行支持。

OFDM-CDMA

OFDM 与 CDMA 技术的结合能够取长补短, 提升传输效果。 OFDM-CDMA 下,用户能够共享一个频率,且地址码并不能够完全正交,这就对用户数量提出了一定的限制要求,同时要加强功率的控制来降低多用户的干扰。

OFDM技术应用

OFDM 技术已广泛运用于多种无线通信中, 例如: 第四代蜂窝通信、 音频和视频、 非对称数字用户线、 MagicWand、 Wi-Fi 等, 由于 OFDM 可以将时域中的长多径信道转换为频域中的多个并行的单抽头信号, 这一特点极大程度上简化了接收机的设计, 也使得 OFDM 技术能应用于水声通信领域, 同时在海水中应用 OFDM 技术实现通信也面临着诸多挑战。

OFDM技术发展趋势

随着5G时代的来临,OFDM技术也将继续发展创新,结合新的技术为通信事业创造更大的价值。例如5G 关键技术的重要组成部分OQAM-OFDM 技术具有更低带外频谱泄露的特点。由于OQAM-OFDM 技术对各载波之间不需要同步,因此具有更好的兼容性,从而能适应更多的业务需求。此外,5G 统一空中接口技术 F-OFDM 也是以OFDM 技术为核心,F-OFDM 的子带滤波器能抑制子带带外频谱泄露。可见OFDM技术的应用前景是十分广泛的。