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OFDM—第四代無線通信的技術(shù)核心

云知道


趙婧華 酆廣增
1 緒論
無線通信與個人通信在短短的幾十年間經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信、從FDMA到CDMA的巨大發(fā)展，目前又有新技術(shù)出現(xiàn)，比以CDMA為核心的第三代移動通信技術(shù)更加完善，我們稱之為“第四代移動通信技術(shù)” 。
縱觀移動通信的發(fā)展史，第一代模擬系統(tǒng)僅提供語音服務(wù)，不能傳輸數(shù)據(jù)；第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率也只有9.6bit/s，最高可達(dá)32kbit/s；第三代移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到2Mbit/s；而我們目前所致力研究的第四代移動通信系統(tǒng)可以達(dá)到10Mbit/s至20Mbit/s 。雖然第三代移動通信可以比現(xiàn)有傳輸速率快上千倍，但是仍無法滿足未來多媒體通信的要求，第四代移動通信系統(tǒng)的提出便是希望能滿足提供更大的頻寬需求 。
第四代移動通信系統(tǒng)計劃以O(shè)FDM(正交頻分復(fù)用)為核心技術(shù)提供增值服務(wù)，它在寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的潛力 。較之第三代移動通信系統(tǒng)，采用多種新技術(shù)的OFDM具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，它不僅僅可以增加系統(tǒng)容量，更重要的是它能更好地滿足多媒體通信要求，將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等大量信息的多媒體業(yè)務(wù)通過寬頻信道高品質(zhì)地傳送出去
2 OFDM的發(fā)展史
OFDM并不是新生事物，它由多載波調(diào)制（MCM）發(fā)展而來 。美國軍方早在上世紀(jì)的50、60年代就創(chuàng)建了世界上第一個MCM系統(tǒng)，在1970年衍生出采用大規(guī)模子載波和頻率重疊技術(shù)的OFDM系統(tǒng) 。但在以后相當(dāng)長的一段時間，OFDM理論邁向?qū)嵺`的腳步放緩了 。由于OFDM的各個子載波之間相互正交，采用FFT實現(xiàn)這種調(diào)制，但在實際應(yīng)用中，實時傅立葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素都成為OFDM技術(shù)實現(xiàn)的制約條件 。后來經(jīng)過大量研究，終于在20世紀(jì)80年代，MCM獲得了突破性進(jìn)展，大規(guī)模集成電路讓FFT技術(shù)的實現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實現(xiàn)的困難也都得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺，逐步邁入高速Modem和數(shù)字移動通信的領(lǐng)域 。20世紀(jì)90年代,OFDM開始被歐洲和澳大利亞廣泛用于廣播信道的寬帶數(shù)據(jù)通信，數(shù)字音頻廣播（DAB）、高清楚度數(shù)字電視(HDTV)和無線局域網(wǎng)（WLAN） 。隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，格柵編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)等成熟技術(shù)的應(yīng)用，OFMD技術(shù)的實現(xiàn)和完善指日可待 。
3 OFDM的基本原理
OFDM是一種非凡的多載波傳送方案，單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流（100 Hz ~ 50 kHz），每個碼流都用一條載波發(fā)送 。OFDM棄用傳統(tǒng)的用帶通濾波器來分隔子載波頻譜的方式，改用跳頻方式選用那些即便頻譜混疊也能夠保持正交的波形，因此我們說，OFDM既可以當(dāng)作調(diào)制技術(shù)，也可以當(dāng)作復(fù)用技術(shù) 。OFDM增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力 。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或者干擾可能導(dǎo)致整條鏈路不可用，但在多載波系統(tǒng)中，只會有一小部分載波受影響 。糾錯碼的應(yīng)用可以幫助其恢復(fù)一些易錯載波上的信息 。像這樣用并行數(shù)據(jù)傳送和頻分復(fù)用的思路早在20世紀(jì)60年代的中期就被提出來了 。
在傳統(tǒng)的并行通信系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)頻帶被劃分為N個互不混疊的子信道，每個子信道被一個獨立的信源符號調(diào)制，即N個子信道被頻分復(fù)用 。這種做法，雖然可以避免不同信道互相干擾但卻以犧牲頻帶利用率為代價，這在頻帶資源如此緊張的今天尤其不能忍受 。上個世紀(jì)中期，人們又提出了頻帶混疊的子信道方案，信息速率為a，并且每個信道之間距離也為a Hz，這樣可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯，同時可以充分利用信道帶寬,節(jié)省了50% 。為了減少各個子信道間的干擾，我們希望各個載波間正交 。這種“正交”表示的是載波的頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系 。如前所述，傳統(tǒng)的頻分復(fù)用的載波頻率之間有一定的保護(hù)間隔，通過濾波器接收所需信息 。在這樣的接收機下，保護(hù)頻帶分隔不同載波頻率，這樣就使頻譜的利用率低 。

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