在傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,整個信號頻段被劃分為N個相互不重疊的頻率子信道。每個子信道傳輸獨立的調(diào)制符號,然后再將N個子信道進(jìn)行頻率復(fù)用。這種避免信道頻譜重疊看起來有利于消除信道間的干擾,但是這樣又不能有效利用頻譜資源。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用,是一種能夠充分利用頻譜資源的多載波傳輸方式。常規(guī)頻分復(fù)用與OFDM的信道分配情況如下圖所示?梢钥闯OFDM至少能夠節(jié)約二分之一的頻譜資源。
OFDM的主要思想是:將信道分成若干正交子信道,將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流,調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸,如下圖所示:
OFDM利用快速傅立葉反變換(IFFT)和快速傅立葉變換(FFT)來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào),如下圖所示:
OFDM的調(diào)制解調(diào)流程如下:
1. 發(fā)射機(jī)在發(fā)射數(shù)據(jù)時,將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為低速并行,利用正交的多個子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;
2. 各個子載波使用獨立的調(diào)制器和解調(diào)器;
3. 各個子載波之間要求完全正交、各個子載波收發(fā)完全同步;
4. 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)要精確同頻、同步,準(zhǔn)確進(jìn)行位采樣;
5. 接收機(jī)在解調(diào)器的后端進(jìn)行同步采樣,獲得數(shù)據(jù),然后轉(zhuǎn)為高速串行。
在向B3G/4G演進(jìn)的過程中,OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一,可以結(jié)合分集,時空編碼,干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù),最大限度的提高系統(tǒng)性能。
20世紀(jì)50年代OFDM的概念就已經(jīng)被提出,但是受限于上面的步驟2、3,傳統(tǒng)的模擬技術(shù)很難實現(xiàn)正交的子載波,因此早期沒有得到廣泛的應(yīng)用。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,S.B.Weinstein和P.M.Ebert等人提出采用FFT實現(xiàn)正交載波調(diào)制的方法,為OFDM的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此后,為了克服通道多徑效應(yīng)和定時誤差引起的ISI符號間干擾,A.Peled和A.Ruizt提出了添加循環(huán)前綴的思想。
OFDM的優(yōu)缺點
OFDM系統(tǒng)越來越受到人們的廣泛關(guān)注,其原因在于OFDM系統(tǒng)存在如下主要優(yōu)點:
把高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換,使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加,從而可以有效地減小無線信道的時間彌散所帶愛的ISI,這樣就減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度,有時甚至可以不采用均衡器,僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法消除ISI的不利影響。
OFDM系統(tǒng)由于各個子載波之間存在正交性,允許子信道的頻譜相互重疊,因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比,OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。
各個子信道中這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用快速傅立葉變換(FFT)和快速傅立葉反變換(IFF)來實現(xiàn)。
無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對稱性,即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量,如Internet業(yè)務(wù)中的網(wǎng)頁瀏覽、FTP下載等。另一方面,移動終端功率一般小于1W,在大蜂窩環(huán)境下傳輸速率低于10kbit/s~100kbit/s;而基站發(fā)送功率可以較大,有可能提供1Mbit/s以上的傳輸速率。因此無論從用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的使用需求,還是從移動通信系統(tǒng)自身的要求考慮,都希望物理層支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸,而OFDM系統(tǒng)可以很容易地通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。
由于無線信道存在頻率選擇性,不可能所有的子載波都同時處于比較深的衰落情況中,因此可以通過動態(tài)比特分配以及動態(tài)子信道的分配方法,充分利用信噪比較高的子信道,從而提高系統(tǒng)的性能。
OFDM系統(tǒng)可以容易與其他多種接入方法相結(jié)合使用,構(gòu)成OFDMA系統(tǒng),其中包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM以及OFDM-TDMA等等,使得多個用戶可以同時利用OFDM技術(shù)進(jìn)行信息的傳遞。
因為窄帶干擾只能影響一小部分的子載波,因此OFDM系統(tǒng)可以在某種程度上抵抗這種窄帶干擾。
但是OFDM系統(tǒng)內(nèi)由于存在多個正交子載波,而去其輸出信號是多個子信道的疊加,因此與單載波系統(tǒng)相比,存在如下主要缺點:
易受頻率偏差的影響:由于子信道的頻譜相互覆蓋,這就對它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求,然而由于無線信道存在時變性,在傳輸過程中會出現(xiàn)無線信號的頻率偏移,例如多普勒頻移,或者由于發(fā)射機(jī)載波頻率與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差,都會使得OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞,從而導(dǎo)致子信道間的信號相互干擾,這種對頻率偏差敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點之一。
存在較高的峰值平均功率比:與單載波系統(tǒng)相比,由于多載波調(diào)制系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加,因此如果多個信號的香味一致時,所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號的平均功率,導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比(PAPR)。這就對發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求,如果放大器的動態(tài)范圍不能滿足信號的變化,則會為信號帶來畸變,使疊加信號的頻譜發(fā)生變化,從而導(dǎo)致各個子信道信號之間的正交性遭到破壞,產(chǎn)生相互干擾,使系統(tǒng)性能惡化。