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正交頻分復(fù)用技術(shù)及其應(yīng)用
摘要:簡述了正交頻分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展及特點(diǎn),論述了其原理及實(shí)現(xiàn)方法,構(gòu)建了OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖,并進(jìn)行了計算機(jī)仿真。最后介紹了幾種典型應(yīng)用。隨著通信需求的不斷增長,寬帶化已成為當(dāng)今通信技術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一,而網(wǎng)絡(luò)的迅速增長使人們對無線通信提出了更高的要求。為有效解決無線信道中多徑衰落和加性噪聲等問題,同時降低系統(tǒng)成本,人們采用了正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。OFDM是一種多載波并行傳輸系統(tǒng),通過延長傳輸符號的周期,增強(qiáng)其抵抗回波的能力。與傳統(tǒng)的均衡器比較,它最大的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單,可大大降低成本,且在實(shí)際應(yīng)用中非常靈活,對高速數(shù)字通信量一種非常有潛力的技術(shù)。
1 正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)的發(fā)展
OFDM的概念于20世紀(jì)50~60年代提出,1970年OFDM的專利被發(fā)表[1],其基本思想通過采用允許子信道頻譜重疊,但相互間又不影響的頻分復(fù)用(FDM)方法來并行傳送數(shù)據(jù)。OFDM早期的應(yīng)用有AN/GSC_10(KATHRYN)高頻可變速率數(shù)傳調(diào)制解調(diào)器等[1]。
在早期的OFDM系統(tǒng)中,發(fā)信機(jī)和相關(guān)接收機(jī)所需的副載波陣列是由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的,系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。1971年Weinstein和Ebert提出了使用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)中的全部調(diào)制和解調(diào)功能[3]的建議,簡化了振蕩器陣列以及相關(guān)接收機(jī)中本地載波之間嚴(yán)格同步的問題,為實(shí)現(xiàn)OFDM的全數(shù)字化方案作了理論上的準(zhǔn)備。
80年代以后,OFDM的調(diào)制技術(shù)再一次成為研究熱點(diǎn)。例如在有線信道的研究中,Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM調(diào)制技術(shù),試驗(yàn)成功了16QAM多路并行傳送19.2kbit/s的電話線MODEM[4]。
1984年,Cimini提出了一種適于無線信道傳送數(shù)據(jù)的OFDM方案[5]。其特點(diǎn)是調(diào)制波的碼型是方波,并在碼元間插入了保護(hù)間隙,該方案可以避免多徑傳播引起的碼間串?dāng)_。
進(jìn)入90年代以后,OFDM的應(yīng)用又涉及到了利用移動調(diào)頻(FM)和單邊帶(SSB)信道進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信、陸地移動通信、高速數(shù)字用戶環(huán)路(HDSL)、非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、超高速數(shù)字用戶環(huán)路(VHDSL)、數(shù)字聲廣播(DAB)及高清晰度數(shù)字電視(HDTV)和陸地廣播等各種通信系統(tǒng)。
2 OFDM的原理
OFDM技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù),其特點(diǎn)是各副載波相互正交。
設(shè){fm}是一組載波頻率,各載波頻率的關(guān)系為:
{fm}=f0 m/T m=0,1,2,…N-1 (1)
式中,T是單元碼的持續(xù)時間,f0是發(fā)送頻率。
作為載波的單元信號組定義為[16]:
式中l(wèi)的物理意義對應(yīng)于“幀”(即在第l時刻有m路并行碼同時發(fā)送)。
其頻譜相互交疊,如圖1所示。
從圖1可以看出,OFDM是由一系列在頻率上等間隔的副載波構(gòu)成,每個副載波數(shù)字符號調(diào)制,各載波上的信號功率形式都是相同的,都為sinf/f型,它對應(yīng)于時域的方波。
Φm(t)滿足正交條件
以及
其中符號“*”表示共軛。
當(dāng)以一組取自有限集的復(fù)數(shù){Xm,l}表示的數(shù)字信號對φm調(diào)制時,則:
此S(t)即為OFDM信號,其中Sl(t)表示第l幀OFDM信號,Xm,l(m=0,1,…,N-1)
為一簇信號點(diǎn),分別在第l幀OFDM的第m個副載波上傳輸。
在接收端,可通過下式解調(diào)出Xm,l
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