正交頻分復用(OFDM=Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種廣泛使用的調制方案,是4G/5G移動通信系統的基礎。在寬帶多載波方案中,信息符號在緊密間隔的正交子載波上進行多路復用。這使得數據可以在并行信道上傳輸,只要子載波的正交性不被無線信道破壞。這種數據傳輸的關鍵優勢是,其正交性屬性允許使用單抽頭均衡器來檢測接收端的傳輸數據。因此,它提供了一個低復雜度的解決方案,以在頻繁的選擇性信道(如靜態多徑無線信道)中進行可靠的通信。 為了更好地了解什么是OFDM技術,收集整理了相關資料,OFDM技術系列主要分為以下四個部分:
一、OFDM引論
OFDM優點 | 能有效對抗多徑影響; 對抗頻率選擇性衰落; 頻帶利用率高 |
OFDM缺點 | 同步實現難度大; 發射機與接收機中需要完成復雜的FFT或IFFT運算; 對載波頻偏敏感; 峰平比高 |
二、OFDM基本原理
串行 傳輸 |
傳統串行通信系統中, 符號連續串行傳輸每個數據符號占用所有可用頻帶; 數據速率很高時, 在頻率選擇性衰落信道和多徑時延擴展信道中會產生嚴重的符號間干擾。 |
并行 傳輸 |
單個數據只占用整個頻帶的一部分; 由于整個信道帶寬被分割成多個窄帶子頻帶, 單個信道的頻率響應相對較為平坦; 并行傳輸體制提供了對抗串行傳輸體制頻率選擇性衰落的可能性。 |
優點 |
能有效對抗時延擴展:(1)符號周期>>信道沖激響應時延擴展;(2)保護間隔; 能對抗頻率選擇性衰落:每個子信道均可看成是平坦衰落; 均衡簡單:每個子信道均平坦衰落, 用很簡單的均衡結構即可克服信道影響。 頻帶利用率高:子信道相互交疊且正交。 |
缺點 |
同步問題:(1)符號同步:定時誤差;載波相位噪聲。(2)頻率同步:采樣頻率同步;載波頻率同步; 發射機、 接收機需要FFT處理:復雜度較高; 對載波頻率偏差敏感:造成ICI; 峰平比PAPR高: 影響1.使AD、DA變換的復雜度大大提高。 影響2.降低了射頻功率放大器的效率。 解決方案:1.信號畸變技術:采用非線性變換降低峰值附近幅度。2.編碼技術:采用特殊設計的前向糾錯碼。3.擾碼技術: 對OFDM符號采用不同序列進行加擾處理以得到較小的峰平比。 |
在基于OFDM技術的通信系統中,FFT/IFFT起著重要作用。隨著半導體產業逐漸成熟,大規模集成電路有利支撐起復雜電路運算,以FPGA和基帶SoC芯片為代表的基帶處理器,在4G時代逐漸走向市場。 在現代無線通信中,通常還會在收發鏈路中增加信道編/解碼、加/解擾、MIMO天線預編碼等處理。同時,為了靈活適應不同通信應用場景,眾多參數需要高層配置,高速低延時的實際需求,這無疑會給基帶設計帶來巨大挑戰。
三、OFDM在AWGN信道中的性能
我們需要注意的是,在實際的通信中,通信信道并非是完全符合AWGN信道模型,可能經歷室內/室外的復雜多徑信道,同時也可能出現在高速場景中。因此,在高階調制下,復雜的信道環境,會對通信系統的性能產生巨大的影響。 高斯分布或正態分布是一種統計特性,在無線通信中可用于建立信道模型,同時對于接收機的軟解調算法具有重要的作用。 此外,我們可根據星座圖分布情況,判斷信道質量和接收機的性能。我們所希望看到的情況是,星座圖盡可能分布在標準模板上,這樣有利于信道解碼。在實際情況中,受信道環境、路損或接收功率的影響,星座圖不一定“完美”,可能出現發散、轉圈、整體旋轉等“意外”,則需要考慮是否SNR過低、存在時偏、頻偏等。
四、OFDM在經寬帶信道的傳輸特性
對于OFDM系統來說,在進行幀結構設計時,需要考慮覆蓋距離,進而確保CP的長度能夠“抵消”信道傳輸延遲。 此外,考慮到硬件實現的復雜度和資源有限,需要在性能和可實現之間折中。比如,在信道估計中,既可以在頻域做,也可以在時域做,但是,通常都選擇在頻域進行信道估計,這就是考慮了經過OFDM解調后,再次從頻域轉到時域,會多消耗資源并且處理時間增加。當然,若在時域做信道估計,估計精度可能優于頻域信道估計。 同理,在信道均衡中,采用頻頻而非時域的原因,也考慮到在MIMO信道中卷積運算量大而復雜不利于硬件實現。 對于理解并實現OFDM系統而言,僅僅依靠這幾篇圖文是遠遠不能達到目的的,我們需要經過系統性的理解和鏈路設計,并在工程化項目中長期實戰,才能掌握其中的奧妙。
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