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什么是OFDM？基本原理和應(yīng)用
2013-06-05
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。
以下一段節(jié)選自MSCBSC論壇會(huì)員bbgoal的《白話LTE關(guān)鍵技術(shù)》，對(duì)OFDM的描述非常通俗易懂：
OFDM
這個(gè)技術(shù)說的很玄乎，其實(shí)在WIMAX和WIFI里早就利用了，我以前就說過OFDM并不比CDMA的頻譜利用率更高，但是他的優(yōu)勢(shì)是大寬帶的支持更簡(jiǎn)單更合理，而且配合mimo更好。
舉個(gè)例子，CDMA是一個(gè)班級(jí)，又說中文又說英文，如果大家音量控制的好的話，雖然是一個(gè)頻率但是可以達(dá)到互不干擾，所以1.25m的帶寬可以實(shí)現(xiàn)4.9m的速率。而OFDMA則可以想象成上海的高架橋，10米寬的路，上面架設(shè)一個(gè)5米寬的高架，實(shí)際上道路的通行面積就是15米，這樣雖然我水平路面不增加但是可以通行的車輛增加了。而OFDM也是利用這個(gè)技術(shù)，利用傅里葉快速變換導(dǎo)入正交序列，相當(dāng)于在有限的帶寬里架設(shè)了N個(gè)高架橋，目前是一個(gè)ofdm信號(hào)的前半個(gè)頻率和上一個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)復(fù)用，后半個(gè)頻率和后一個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)復(fù)用。
那信號(hào)頻率重疊了怎么區(qū)分，很簡(jiǎn)單，OFDM，O就是正交的意思，正交就是能保證唯一性，舉例子，A和B重疊，但是A*a+B*b，a和b是不同的正交序列,如果我要從同一個(gè)頻率中只獲取A，那么通過計(jì)算，（A*a+B*b）*a=A*a*a+B*b*a=A+0=A（因?yàn)檎唬?/font>a*a=1，a*b=0）。所以OFDMA是允許頻率重疊的，甚至理論上可以重疊到無限，但是為了增加解調(diào)的容易性，目前LTE支持OFDM重疊波長(zhǎng)的一半。
正交頻分復(fù)用技術(shù)，多載波調(diào)制的一種。將一個(gè)寬頻信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。
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在傳統(tǒng)FDM系統(tǒng)中，為了避免各子載波間的干擾，相鄰載波之間需要較大的保護(hù)頻帶，頻譜效率較低。OFDM系統(tǒng)允許各子載波之間緊密相臨，甚至部分重合，通過正交復(fù)用方式避免頻率間干擾，降低了保護(hù)間隔的要求，從而實(shí)現(xiàn)很高的頻率效率。
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什么是正交？
正交頻分復(fù)用技術(shù)，頻分復(fù)用大家都熟悉，但什么是正交呢？以下來自論壇會(huì)員Libin的投稿：
多載波技術(shù)：多載波技術(shù)就是在原來的頻帶上劃分更多的子載波，有人會(huì)提出載波劃得太細(xì)會(huì)產(chǎn)生干擾，為了避免這種干擾，兩個(gè)子載波采用正交，每?jī)蓚�(gè)子載波是正交關(guān)系避免干擾。這就像雙絞線一樣。這樣一是避免了2個(gè)子載波間的干擾，在下一個(gè)子載波間也有了一定的間隔距離。
解釋下什么是正交就是兩個(gè)波形正好差半個(gè)周期。
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多個(gè)窄帶子載波，并使其相耳珊交，任一個(gè)子載波都可以單獨(dú)或成組地傳輸獨(dú)立的信息流;OFDMA技術(shù)則利用有效帶寬的細(xì)分在多用戶間共享子載波。
多載波的有點(diǎn)有以下幾個(gè)方面
1)可以在不改變系統(tǒng)基本參數(shù)或設(shè)備設(shè)計(jì)的情況下使用不同的頻譜帶寬。頻譜利用率高。就是一個(gè)能當(dāng)兩個(gè)用
2)可變帶寬的傳輸資源可以在頻域內(nèi)自由調(diào)度，分配給不同的用戶。
3)為軟頻率復(fù)用和小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)提供便利。
OFDM技術(shù)的發(fā)展
OFDM這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟（HomePlug Powerline Alliance）工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號(hào)合并成單一的信號(hào)，從而完成信號(hào)傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。
其實(shí)，OFDM并不是如今發(fā)展起來的新技術(shù)，OFDM技術(shù)的應(yīng)用已有近40年的歷史，主要用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)。但是，一個(gè)OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，從而限制了其進(jìn)一步推廣。直到上世紀(jì)70年代，人們采用離散傅立葉變換來實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)更趨于實(shí)用化。80年代，人們研究如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM。進(jìn)入90年代以來，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)，主要的應(yīng)用包括：非對(duì)稱的數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等。
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(shí)空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。包括以下類型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多帶-OFDM。OFDM中的各個(gè)載波是相互正交的，每個(gè)載波在一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)有整數(shù)個(gè)載波周期，每個(gè)載波的頻譜零點(diǎn)和相鄰載波的零點(diǎn)重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統(tǒng)的FDMA提高了頻帶利用率。
在OFDM傳播過程中，高速信息數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對(duì)較低的若干子信道中傳輸，每個(gè)子信道中的符號(hào)周期相對(duì)增加，這樣可減少因無線信道多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的碼間干擾。另外，由于引入保護(hù)間隔，在保護(hù)間隔大于最大多徑時(shí)延擴(kuò)展的情況下，可以最大限度地消除多徑帶來的符號(hào)間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，還可避免多徑帶來的信道間干擾。
（本文部分內(nèi)容來自MSCBSC論壇會(huì)員bbgoal在論壇的帖子《白話LTE關(guān)鍵技術(shù)》和會(huì)員libin的投稿，感謝他們的貢獻(xiàn)，希望廣大C友積極投稿，投稿其實(shí)也是深度學(xué)習(xí)的一種途徑，投稿信箱：luntan@mscbsc.com）
OFDM與CDMA等技術(shù)比較
2013-06-05
說到OFDM
技術(shù)，一般都會(huì)提及到CDMA
技術(shù)做比較。OFDM
技術(shù)的出現(xiàn)，其實(shí)應(yīng)該是早于CDMA
技術(shù)的，只是當(dāng)時(shí)受到了硬件的局限，讓OFDM
技術(shù)顯得有點(diǎn)不合實(shí)際，所以才會(huì)基于當(dāng)時(shí)的硬件發(fā)展?fàn)顩r，發(fā)展出CDMA
技術(shù)。
移動(dòng)通信系統(tǒng)中常見的多址技術(shù)包括頻分多址（Frequency Division Multiple Access
，、FDMA
）、時(shí)分多址（Time Division Multiple Access
，TDMA
）、碼分多址（Code Division Multiple Access
，CDMA
）、空分多址（Space Division Multiple Access
，SDMA
）。FDMA
是以不同的頻率信道實(shí)現(xiàn)通信。TDMA
是以不同的時(shí)隙實(shí)現(xiàn)通信。CDMA
是以不同的代碼序列來實(shí)現(xiàn)通信的。SDMA
是以不同方位信息實(shí)現(xiàn)多址通信。
頻分多址
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時(shí)分多址
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碼分多址
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正交頻分多址
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OFDM將傳輸頻寬分割成多個(gè)窄頻寬的子通道，同時(shí)使用多個(gè)載波來載送訊息，由于訊息資料被平均分配于各個(gè)子通道同時(shí)傳送，有效降低每個(gè)子通道之實(shí)質(zhì)資料量與傳送速率，因而具有良好頻譜使用效率及絕佳多重路徑損耗(multi path fading)之免疫力。
CDMA是一種分碼多工擴(kuò)頻(Spread Spectrum) 技術(shù)，將原始窄頻訊息以擬真雜訊亂碼(Pseudo random noise code)擴(kuò)展成寬頻訊號(hào)，所有使用者資訊在同一頻道同時(shí)收送資料，因而有效的增進(jìn)頻譜使用效益。 更由于將傳送訊息隱藏于雜訊中，故具備高隱密性，不易被偵搜之特性。
對(duì)于單蜂窩或多蜂窩的環(huán)境,OFDM性能遠(yuǎn)優(yōu)于CDMA。在單蜂窩的環(huán)境下，OFDM可允許同時(shí)通話的用戶數(shù)為CDMA的2至10倍。對(duì)于多蜂窩環(huán)境，OFDM可允許同時(shí)通話的用戶數(shù)為CDMA的0.7至4倍。OFDM和CDMA在用戶容量上的差異主要在于是否使用了蜂窩分區(qū)（cell sectorization）和語音激活檢測(cè)技術(shù)（voice activity detection）。如：用1.25MHz的帶寬和19.5kbit/s的用戶數(shù)據(jù)率時(shí)，CDMA在單蜂窩系統(tǒng)中性能較差，在每個(gè)蜂窩（cell）中僅允許7～16個(gè)用戶同時(shí)通話,而對(duì)于OFDM系統(tǒng)則可以達(dá)到128個(gè)用戶。這種CDMA的低蜂窩容量是由于在反向傳輸鏈接中使用非正交碼導(dǎo)致了較高的用戶間干擾造成的。
CDMA技術(shù)是基于擴(kuò)頻通信理論的調(diào)制和多址連接技術(shù)。OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制技術(shù)，它的基本思想是將信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各個(gè)子載波并行傳輸。OFDM和CDMA技術(shù)各有利弊。CDMA具有眾所周知的優(yōu)點(diǎn)，而采用多種新技術(shù)的OFDM也表現(xiàn)出了良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性、更高的頻譜利用率、更靈活的調(diào)制方式和抗多徑干擾能力。下面主要從調(diào)制技術(shù)、峰均功率比、抗窄帶干擾能力等角度分析這兩種技術(shù)在性能上的具體差異。
——調(diào)制技術(shù)。一般來說，無線系統(tǒng)中頻譜效率可以通過采用16QAM（正交幅度調(diào)制）、64QAM乃至更高階的調(diào)制方式得到提高，而且一個(gè)好的通信系統(tǒng)應(yīng)該在頻譜效率和誤碼率之間獲得最佳平衡。
在CDMA系統(tǒng)中，下行鏈路可支持多種調(diào)制，但每條鏈路的符號(hào)調(diào)制方式必須相同，而上行鏈路卻不支持多種調(diào)制，這就使得CDMA系統(tǒng)喪失了一定的靈活性。并且，在這種非正交的鏈路中，采用高階調(diào)制方式的用戶必將會(huì)對(duì)采用低階調(diào)制的用戶產(chǎn)生很大的噪聲干擾。
在OFDM系統(tǒng)中，每條鏈路都可以獨(dú)立調(diào)制，因而該系統(tǒng)不論在上行還是在下行鏈路上都可以容易地同時(shí)容納多種混合調(diào)制方式。這就可以引入“自適應(yīng)調(diào)制”的概念。它增加了系統(tǒng)的靈活性，例如，在信道好的條件下終端可以采用較高階的如64QAM調(diào)制以獲得最大頻譜效率，而在信道條件變差時(shí)可以選擇QPSK（四相移相鍵控）調(diào)制等低階調(diào)制來確保信噪比。這樣，系統(tǒng)就可以在頻譜利用率和誤碼率之間取得最佳平衡。此外，雖然信道間干擾限制了某條特定鏈路的調(diào)制方式，但這一點(diǎn)可以通過網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃和無線資源管理等手段來解決。
——峰均功率比（PAPR）。這也是設(shè)備商們應(yīng)該考慮的一個(gè)重要因素。因?yàn)镻APR過高會(huì)使得發(fā)送端對(duì)功率放大器的線性要求很高，這就意味著要提供額外功率、電池備份和擴(kuò)大設(shè)備的尺寸，進(jìn)而增加基站和用戶設(shè)備的成本。
CDMA系統(tǒng)的PAPR一般在5～11dB，并會(huì)隨著數(shù)據(jù)速率和使用碼數(shù)的增加而增加。目前已有很多技術(shù)可以降低CDMA的PAPR。
在OFDM系統(tǒng)中，由于信號(hào)包絡(luò)的不恒定性，使得該系統(tǒng)對(duì)非線性很敏感。如果沒有改善非線性敏感性的措施，OFDM技術(shù)將不能用于使用電池的傳輸系統(tǒng)和手機(jī)等。目前有很多技術(shù)可以降低OFDM的PAPR。
——抗窄帶干擾能力。CDMA的最大優(yōu)勢(shì)就表現(xiàn)在其抗窄帶干擾能力方面。因?yàn)楦蓴_只影響整個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)的一小部分；而OFDM中窄帶干擾也只影響其頻段的一小部分，而且系統(tǒng)可以不使用受到干擾的部分頻段，或者采用前向糾錯(cuò)和使用較低階調(diào)制等手段來解決。
——抗多徑干擾能力。在無線信道中，多徑傳播效應(yīng)造成接收信號(hào)相互重疊，產(chǎn)生信號(hào)波形間的相互干擾，使接收端判斷錯(cuò)誤。這會(huì)嚴(yán)重地影響信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。
為了抵消這種信號(hào)自干擾，CDMA接收機(jī)采用了RAKE分集接收技術(shù)來區(qū)分和綁定多路信號(hào)能量。為了減少干擾源，RAKE接收機(jī)提供一些分集增益。然而由于多路信號(hào)能量不相等，試驗(yàn)證明，如果路徑數(shù)超過7或8條，這種信號(hào)能量的分散將使得信道估計(jì)精確度降低，RAKE的接收性能下降就會(huì)很快。
OFDM技術(shù)與RAKE接收的思路不同，它是將待發(fā)送的信息碼元通過串并變換，降低速率，從而增大碼元周期，以削弱多徑干擾的影響。同時(shí)它使用循環(huán)前綴（CP）作為保護(hù)間隔，大大減少甚至消除了碼間干擾，并且保證了各信道間的正交性，從而大大減少了信道間干擾。當(dāng)然，這樣做也付出了帶寬的代價(jià)，并帶來了能量損失：CP越長(zhǎng)，能量損失就越大。
——功率控制技術(shù)。在CDMA系統(tǒng)中，功率控制技術(shù)是解決遠(yuǎn)近效應(yīng)的重要方法，而且功率控制的有效性決定了網(wǎng)絡(luò)的容量。相對(duì)來說功率控制不是OFDM系統(tǒng)的基本需求。OFDM系統(tǒng)引入功率控制的目的是最小化信道間干擾。
——網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。由于CDMA本身的技術(shù)特性，CDMA系統(tǒng)的頻率規(guī)劃問題不很突出，但卻面臨著碼的設(shè)計(jì)規(guī)劃問題。OFDM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的最基本目的是減少信道間的干擾。由于這種規(guī)劃是基于頻率分配的，設(shè)計(jì)者只要預(yù)留些頻段就可以解決小區(qū)分裂的問題。
——均衡技術(shù)。均衡技術(shù)可以補(bǔ)償時(shí)分信道中由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生的ISI。在CDMA系統(tǒng)中，信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道的平坦衰落帶寬。由于擴(kuò)頻碼自身良好的自相關(guān)性，使得在無線信道傳輸中的時(shí)延擴(kuò)展可以被看作只是被傳信號(hào)的再次傳送。如果這些多徑信號(hào)相互間的延時(shí)超過一個(gè)碼片的長(zhǎng)度，就可被RAKE接收端視為非相關(guān)的噪聲，而不再需要均衡。
對(duì)OFDM系統(tǒng)，在一般的衰落環(huán)境下，均衡不是改善系統(tǒng)性能的有效方法，因?yàn)榫獾膶?shí)質(zhì)是補(bǔ)償多徑信道特性。而OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，因此該系統(tǒng)一般不必再作均衡。
（本文由論壇會(huì)員lsaaa投稿，感謝他的貢獻(xiàn)，希望廣大C友積極投稿，投稿其實(shí)也是深度學(xué)習(xí)的一種途徑，投稿信箱：luntan@mscbsc.com）
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