正交频分复用

什么是正交频分复用

正交频分复用，英文原称Orthogonal Frequency Division Multiplexing，缩写为OFDM，实际上是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。

OFDM系统及其同步要求

OFDM系统能有效地对抗信道多径衰落；它通过将串行数据流调制到并行的子载波上，可在很大程度上提高带宽利用率；而在传输的数据流码字中插入循环前缀(CP)，则能够有效地消除码间干扰和载波间干扰。图1所示是OFDM系统的简单结构。



OFDM多载波信号s(t)可写为如下的复数形式：



式中，ωn=ω0+n△ω为第n个载波频率，dn(t)为第n个载波上的复数信号。

正交频分复用的应用

目前OFDM技术已经在众多的高速数据传输领域得到了应用，如：欧洲的数字音频和视频广播(DAB/DVB)、欧洲和北美的高速无线局域网系统(如HIPERLAN/2和IEEE 802.11a)以及高比特率数字用户线(xDSL)。当前，人们正在考虑在基于IEEE 802.16标准的无线城域网(MAN)、基于IEEE 802.15标准的个人信息网(PAN)以及未来的下一代无线蜂窝移动通信系统中使用OFDM技术。下面，以数字音频广播、非对称数字用户线以及IEEE 802.11a无线局域网为例论述OFDM在实际通信系统中的应用。



数字音频广播：数字音频广播(DAB)是在现有模拟调幅(AM)和调频(FM)广播的基础上发展起来的，它可以提供更优质的语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率，它所提供的语音质量可以与CD音质相媲美。1995年，欧洲电信标准协会(ETSI)首次提出了DAB标准，这是第一个采用OFDM的标准。DAB标准包含4种传输模式，每种模式利用不同的OFDM参数集(参见表1)。其中模式1?3适用于特定的频段，而模式4可以提供更好的覆盖范围但是更容易受到多谱勒频移的影响。

非对称数字用户线：非对称数字用户线(ADSL)是由贝尔中心的Joe Lechleider于80年代末首先提出的利用电话网用户环路中的铜双绞线传送双向不对称比特率数据的方法。ADSL由安装在电话线两端的一对高性能调制解调器组成，可提供3条信息通道：高速单工下行信道、中速双工信道和普通电话业务(POTS)信道。ADSL采用频分复用技术，利用滤波器分离不同信道的信息，ADSL设备发生故障，POTS业务将不受影响。高速下行信道的速率范围为1.5～8 Mbit/s，双工信道的速率范围为16～640 kbit/s，每条信道还可通过多路复用分割成多条低速信道。ADSL可提供符合北美或欧洲标准的数字系列速率，而且还可为ATM提供可变速率。电话公司利用ADSL设备不需要布设新的线路就可向未来的用户提供许多新的宽带业务，如电视点播(VOD)、Internet接入、远程医疗、远程教育等。

无线局域网：由于与现有的有线局域网相比，无线接入方式具有可提供便捷灵活的接入方式，并且支持移动性等优点。自上世纪90年代以来，无线局域网(WLAN)技术得到了人们的广泛关注。1997年6月，国际电气与电子工程师(IEEE)协会通过了IEEE 802.11无线局域网标准。该标准定义了媒体接入控制(MAC)层和3种不同的物理层(PHY)接口。其中的两种物理层接口工作在2.4 GHz频段，另一种物理层接口工作在红外频段。该标准支持1～2 Mbit/s的数据传输速率。为了进一步提高数据传输速率，IEEE于1999年9月通过了两种新的无线局域网物理层接口，分别是IEEE 802.11a和IEEE 802.11b标准。其中IEEE 802.11a工作在5 GHz频段，可提供6～54 Mbit/s的数据传输速率，IEEE 802.11b标准仍然工作在2.4 GHz频段，最大可提供10 Mbit/s的数据传输速率。表3中给出了IEEE 802.11a中的OFDM参数。