OFDM技术有哪些特点 OFDM技术优缺点介绍【图文】

2021-10-19 08:20 · 发布:高腾路由网 > 网络
本文《OFDM技术有哪些特点 OFDM技术优缺点介绍【图文】》,介绍的  OFDM,OFDM是什么意思  基本原理  OFDM —— OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。其主要思想是:将信道分成...,感兴趣的小伙伴们可以参考一下。

  OFDM,OFDM是什么意思

  基本原理

  OFDM —— OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。其主要思想是: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,调制到在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可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。在向B3G/4G演进的过程中,OFDM是关键的技术之一,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技术,最大限度的提高了系统性能。包括以下类型:V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多带-OFDM。

  发展历史

  上个世纪70年代,韦斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人应用离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶方法(FFT)研制了一个完整的多载波传输系统,叫做正交频分复用(OFDM)系统。

  OFDM是正交频分复用的英文缩写。正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案。OFDM应用离散傅里叶变换(DFT)和其逆变换(IDFT)方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题。应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低。从此OFDM技术开始走向实用。但是应用OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程,而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件,因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。

  近些年来,集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展,以及对无线通信高速率要求的日趋迫切,OFDM技术再次受到了重视。

  在上个世纪60年代已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念。1970年,美国发明和申请了一个专利,其思想是采用平行的数据和子信道相互重叠的频分复用来消除对高速均衡的依赖,用于抵制冲激噪声和多径失真,而能充分利用带宽。这项技术最初主要用于军事通信系统。但在以后相当长的一段时间,OFDM理论迈向实践的脚步放缓了。由于OFDM各个子载波之间相互正交,采用FFT实现这种调制,但在实际应用中,实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素部成为OFDM技术实现的制约条件。在二十世纪80年代,MCM获得了突破性进展,大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍,一些其它难以实现的困难也部得到了解决,自此,OFDM走上了通信的舞台,逐步迈向高速数字移动通信的领域[1]。

  应用情况

  由于技术的可实现性,在二十世纪90年代,OFDM广泛用干各种数字传输和通信中,如移动无线FM信道,高比特率数字用户线系统(HDSL),不对称数字用户线系统(ADSL),甚高比特率数字用户线系统娜HDSI〕,数字音频广播(DAB)系统,数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统。1999年,IEEE802.lla通过了一个SGHz的无线局域网标准,其中OFDM调制技术被采用为物理层标准,使得传输速率可以达54MbPs。这样,可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口,并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信组织(ETsl)的宽带射频接入网的局域网标准Hiperi耐2也把OFDM定为它的调制标准技术。

  2001年,IEEE802.16通过了无线城域网标准,该标准根据使用频段的不同,具体可分为视距和非视距两种。其中,使用2一11GHz许可和免许可频段,由于在该频段波长较长,适合非视距传播,此时系统会存在较强的多径效应,而在免许可频段还存在干扰问题,所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM调制,多址方式为OFDMA。而后,IEEE802.16的标准每年都在发展,2006年2月,IEEE802.16e(移动宽带无线城域网接入空中接口标准)形成了最终的出版物。当然,采用的调制方式仍然是OFDM。

  2004年11月,根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求,3GPP通过被称为LongTermEvolution(LTE)即“3G长期演进”的立项工作。项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合,终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术,即下行OFDM,上行SC(单载波关FDMA。OFDM由于技术的成熟性,被选用为下行标准很快就达成了共识。而上行技术的选择上,由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗,限制终端的使用时间,一些则认为可以通过滤波,削峰等方法限制峰均比。不过,经过讨论后,最后上行还是采用了SC一FDMA方式。拥有我国自主知识产权的3G标准一一TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD一CDM一OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目标,并希望在2010年予以实现。B3G/4G的目标是在高速移动环境下支持高达100Mb/S的下行数据传输速率,在室内和静止环境下支持高达IGb/S的下行数据传输速率。而OFDM技术也将扮演重要的角色[2]。

  技术比较

  CDMA与OFDM之技术比较

  频谱利用率、支持高速率多媒体服务、系统容量、抗多径信道干扰等因素是目前大多数固定宽带无线接入设备商在选择CDMA(码分多址)或OFDM(正交频分复用)作为点到多点(PMP)的关键技术时的主要出发点。而这两种技术在这些方面都各有所长,因此设备商需要根据实际情况权衡利弊,进行综合分析,从而做出最佳选择。

  CDMA技术是基于扩频通信理论的调制和多址连接技术。OFDM技术属于多载波调制技术,它的基本思想是将信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各个子载波并行传输。OFDM和CDMA技术各有利弊。CDMA具有众所周知的优点,而采用多种新技术的OFDM也表现出了良好的网络结构可扩展性、更高的频谱利用率、更灵活的调制方式和抗多径干扰能力。下面主要从调制技术、峰均功率比、抗窄带干扰能力等角度分析这两种技术在性能上的具体差异。

  ——调制技术。一般来说,无线系统中频谱效率可以通过采用16QAM(正交幅度调制)、64QAM乃至更高阶的调制方式得到提高,而且一个好的通信系统应该在频谱效率和误码率之间获得最佳平衡。

  在CDMA系统中,下行链路可支持多种调制,但每条链路的符号调制方式必须相同,而上行链路却不支持多种调制,这就使得CDMA系统丧失了一定的灵活性。并且,在这种非正交的链路中,采用高阶调制方式的用户必将会对采用低阶调制的用户产生很大的噪声干扰。

  在OFDM系统中,每条链路都可以独立调制,因而该系统不论在上行还是在下行链路上都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。这就可以引入“自适应调制”的概念。它增加了系统的灵活性,例如,在信道好的条件下终端可以采用较高阶的如64QAM调制以获得最大频谱效率,而在信道条件变差时可以选择QPSK(四相移相键控)调制等低阶调制来确保信噪比。这样,系统就可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。此外,虽然信道间干扰限制了某条特定链路的调制方式,但这一点可以通过网络频率规划和无线资源管理等手段来解决。

  ——峰均功率比(PAPR)。这也是设备商们应该考虑的一个重要因素。因为PAPR过高会使得发送端对功率放大器的线性要求很高,这就意味着要提供额外功率、电池备份和扩大设备的尺寸,进而增加基站和用户设备的成本。

  CDMA系统的PAPR一般在5~11dB,并会随着数据速率和使用码数的增加而增加。目前已有很多技术可以降低CDMA的PAPR。

  在OFDM系统中,由于信号包络的不恒定性,使得该系统对非线性很敏感。如果没有改善非线性敏感性的措施,OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统和手机等。目前有很多技术可以降低OFDM的PAPR。

  ——抗窄带干扰能力。CDMA的最大优势就表现在其抗窄带干扰能力方面。因为干扰只影响整个扩频信号的一小部分;而OFDM中窄带干扰也只影响其频段的一小部分,而且系统可以不使用受到干扰的部分频段,或者采用前向纠错和使用较低阶调制等手段来解决。

  ——抗多径干扰能力。在无线信道中,多径传播效应造成接收信号相互重叠,产生信号波形间的相互干扰,使接收端判断错误。这会严重地影响信号传输的质量。

  为了抵消这种信号自干扰,CDMA接收机采用了RAKE分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源,RAKE接收机提供一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等,试验证明,如果路径数超过7或8条,这种信号能量的分散将使得信道估计精确度降低,RAKE的接收性能下降就会很快。

  OFDM技术与RAKE接收的思路不同,它是将待发送的信息码元通过串并变换,降低速率,从而增大码元周期,以削弱多径干扰的影响。同时它使用循环前缀(CP)作为保护间隔,大大减少甚至消除了码间干扰,并且保证了各信道间的正交性,从而大大减少了信道间干扰。当然,这样做也付出了带宽的代价,并带来了能量损失:CP越长,能量损失就越大。

  ——功率控制技术。在CDMA系统中,功率控制技术是解决远近效应的重要方法,而且功率控制的有效性决定了网络的容量。相对来说功率控制不是OFDM系统的基本需求。OFDM系统引入功率控制的目的是最小化信道间干扰。

  ——网络规划。由于CDMA本身的技术特性,CDMA系统的频率规划问题不很突出,但却面临着码的设计规划问题。OFDM系统网络规划的最基本目的是减少信道间的干扰。由于这种规划是基于频率分配的,设计者只要预留些频段就可以解决小区分裂的问题。

  ——均衡技术。均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的ISI。在CDMA系统中,信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。由于扩频码自身良好的自相关性,使得在无线信道传输中的时延扩展可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过一个码片的长度,就可被RAKE接收端视为非相关的噪声,而不再需要均衡。

  对OFDM系统,在一般的衰落环境下,均衡不是改善系统性能的有效方法,因为均衡的实质是补偿多径信道特性。而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性,因此该系统一般不必再作均衡

  OFDM产生的过程

  时分多路频分多路OFDM

  时分多路-- 频分多路-- OFDM下面分析FDM系统相邻载波相互干扰大小的影响因素。

  .. 一个时域中单独的宽度为Δt的矩形脉冲对应连续频谱:

  .. 频谱不是离散谱线,而是一个连续的sin(x)/x抽样函数曲线。

  Δt的变化使得对应频域的Δf也变化:

  如果Δt趋向于0,对应的Δf趋向于无穷大;

  这对应迪拉克脉冲,其频谱为一条直线,包含所有频率分量。

  如果Δt趋向于无穷大,对应的Δf趋向于0;这对应时域中一条直

  线,其频谱为零频处的一条谱线,表示DC分量。

  二者之间存在以下的关系: Δf=1/ Δt

  一个间隔为Tp,宽度为Δt的矩形脉冲序列也对应着频域的sin(x)/x形函数,但此时只有离散谱线,谱线间隔为fp=1/Tp,谱线幅度随sin(x)/x抽样函数包络变化。

  周期矩形脉冲信号的频谱

  不同τ值时周期矩形信号的频谱 (a) τ=T/5; (b) τ=T/10

  不同T值时周期矩形信号的频谱 (a) T=5τ; (b) T=10 τ

  矩形脉冲与正交性之间有什么关系?

  载波信号都是正弦函数信号。

  一个频率为fs=1/Ts的正弦波信号对应频谱为频域中位于频率fs和-fs的两条离散谱线。

  这些正弦信号载波是通过幅度和频率变化来携带信息的(幅移键控和频移键控)。

  OFDM:

  这些正弦载波不是连续从负无穷延伸到正无穷,而是在

  特定的Δt之后幅度和相位发生变化。

  因此已调载波信号由时域中一个被矩形窗截断的正弦信

  号段组成,称为burst packets 。

  加矩形窗的Burst Packets:

  优势与不足

  优势

  OFDM存在很多技术优点见如下,在3G、4G中被运用,作为通信方面其有很多优势:

  (1) 在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号,而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势,正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎,例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约Flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用,在加拿大Wi-LAN工学院也开始使用这项技术。

  (2) OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化,由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化,所以OFDM能动态地与之相适应,并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信;

  (3) 该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲,然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信;

  (4) OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。

  (5) OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中,单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败,但是在多载波系统中,仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。

  (6) 可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多。

  (7) 通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码,则可以使系统性能得到提高。

  (8) OFDM技术抗窄带干扰性很强,因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。

  (9) 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法;

  (10) 信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要;当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。 (baud 即 波特;1 Baud = log2M (bit/s) ,其中M是信号的编码级数。)

  存在不足

  虽然OFDM有上述优点,但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势:

  (1)对相位噪声和载波频偏十分敏感

  这是OFDM技术一个非常致命的缺点,整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格,任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性,引起ICI,同样,相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散,从而形成ICI。而单载波系统就没有这个问题,相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR,而不会引起互相之间的干扰。

  (2)峰均比过大

  OFDM信号由多个子载波信号组成,这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比,OFDM调制存在一个很高的峰值因子。因为OFDM信号是很多个小信号的总和,这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。对某些数据,这些小信号可能同相,而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大,将会增加A/D和D/A的复杂性,而且会降低射频功率放大器的效率。同时,在发射端,放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值,这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。

  (3)所需线性范围宽

  由于OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)大,对非线性放大更为敏感,故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。

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