OFDM技術(shù),OFDM技術(shù)原理是什么?

基本定義或原理：

OFDM是 Orthogonal Frequency Division Multiplexing的縮寫，即正交頻分復(fù)用，是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，也可以看作一種特殊的FDM形式。OFDM 技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。對(duì)于移動(dòng)通信，其信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道而言又是相對(duì)平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)被利用在容易外界干擾或者抵抗外界千擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。

OFDM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

在一個(gè)世紀(jì)以前，人們就在一個(gè)寬帶信道中，利用多個(gè)不同的載波頻率來傳輸許多低速率的信號(hào)(如電報(bào)信號(hào))。但是在這種情況下，載波頻率之間要相隔足夠遠(yuǎn)，還需要一些保護(hù)頻帶，以確保載波頻譜不重疊。因此該系統(tǒng)的頻譜效率很低。于是在1957年Doelz等提出了一種各個(gè)載波頻率在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)正交的FDM技術(shù)，它允許載波頻譜重疊，大大提高了系統(tǒng)的頻譜利用率.在1966年，Chang等提出了利用濾波和限制帶寬來保證子載波間的正交性。這種方法來保持OFDM子載波的正交性，實(shí)現(xiàn)起來結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，隨著子載波數(shù)的增加，復(fù)雜度也不斷增加，使其沒有受到足夠重視，從而也限制了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣。直到1971年，Weinstein等人提出了基于離散傅立葉變換(DFT)的頻域數(shù)據(jù)傳輸，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)真正被重視起來。之后，圍繞OFDM技術(shù)的研究也相應(yīng)展開。80年代，人們研究了如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM。到90年代，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。

而今，以O(shè)FDM技術(shù)為核心的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)也己制定，如歐洲1997年提出的數(shù)字視頻地面廣播(DVB-T)以及IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)系列，日本1999年提出的地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播ISDB-T等等。并且OFDM技術(shù)在這些標(biāo)準(zhǔn)的前提下，也被廣泛應(yīng)用于高速寬帶數(shù)字通信系統(tǒng)，如非對(duì)稱的數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL), ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無線局域網(wǎng)(WLAN)等。

由于人們對(duì)通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個(gè)人化和移動(dòng)化的迫切需求，OFDM 技術(shù)在綜合無線接入領(lǐng)域?qū)⒃絹碓降玫綇V泛的應(yīng)用。隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，傅立葉變換/反變換、高速M(fèi)odem采用的64/128/256QAM技術(shù)、柵格編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)、插入保護(hù)時(shí)段、減少均衡計(jì)算量等成熟技術(shù)的逐步引入，人們已開始集中越來越多的精力開發(fā)OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用.預(yù)計(jì)第三代以后的移動(dòng)通信的主流技術(shù)將是OFDM技術(shù)。

OFDM優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

OFDM 技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，如同CDMA作為第三代的核心技術(shù)一樣，OFDM也將會(huì)成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。但這之間還有很長一段路程，因?yàn)镺FDM技術(shù)盡管有很多誘人的優(yōu)勢(shì)，但它同樣也具有嚴(yán)重的缺點(diǎn)。

OFDM技術(shù)提高了系統(tǒng)的頻譜利用率，它改進(jìn)了對(duì)多載波的調(diào)制，其特點(diǎn)是各子載波相互正交，使擴(kuò)頻調(diào)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(duì)每個(gè)載波完成調(diào)制以后，為了增加數(shù)據(jù)的吞吐量，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋植捎肏omePlug處理技術(shù)，來對(duì)所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)位的載波進(jìn)行合并處理，把眾多的單個(gè)信號(hào)合并成一個(gè)獨(dú)立的傳輸信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。HomePlug技術(shù)通過對(duì)獨(dú)立的調(diào)制載波和輸電線傳輸介質(zhì)的特性進(jìn)行比較，來提高OFDM的基本應(yīng)用性能。然后，確定在此傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖，而這樣的衰減或脈沖會(huì)影響載波成功傳送數(shù)據(jù)的能力.HomePlug技術(shù)據(jù)此自動(dòng)地確定一個(gè)能保證成功通信的門限，以便與傳輸介質(zhì)的特性相適應(yīng)。如果衰減或雜波千擾非常大，使得某個(gè)頻率不能進(jìn)行成功的通信，HomePlug將不會(huì)使用此頻率的載波。HomePlug技術(shù)不間斷地監(jiān)控輸電線介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以HomePlug動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信。另外，OFDM之所以備受關(guān)注，是因?yàn)樵摱噍d波調(diào)制和解調(diào)可以IDFT和DFT來實(shí)現(xiàn)。綜上所述，我們可以歸納OFDM的優(yōu)點(diǎn)如下:

(1) OFDM的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶千擾。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅僅有很小一部分載波會(huì)受到干擾。對(duì)這些子信道可以采用糾錯(cuò)碼來進(jìn)行糾錯(cuò)。

(2) 可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。

(3) 通過各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身己經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒有必要再加時(shí)域均衡器。通過將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。

(4) OFDM技術(shù)的信道利用率很高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。

(5)OFDM調(diào)制方式可以用FFT來實(shí)現(xiàn)。基于目前成熟的DSP技術(shù)會(huì)使得OFDM的實(shí)現(xiàn)更簡單。

盡管擁有這么多的優(yōu)點(diǎn)，但OFDM技術(shù)本身仍然存在兩個(gè)嚴(yán)重缺陷:

(1)對(duì)載波頻率偏移和相位噪聲特別敏感;

(2)當(dāng)峰值與均值功率比相對(duì)較大，這個(gè)比值的增大會(huì)降低射頻放大器的功率效率。

另外，OFDM 技術(shù)在具體實(shí)現(xiàn)中，也存在一些問題需要解決，比如定時(shí)同步、采樣頻率偏移以及信道估計(jì)均衡等諸多問題。近年來，許多學(xué)者圍繞這些問題進(jìn)行了大量研究工作，并且也取得了許多進(jìn)展。