正交频分复用OFDM技术解决方案

首先，简单介绍OFDM

OFDM是正交频分复用的缩写。OFDM是一种基于多载波的新型信号调制传输技术。具体来说，它将信号数据分解成多个独立的子信号流，每个子信号流将以相对较低的流量传输。以相对低的流率并行传输多个子信号流是OFDM的典型特征。与传统的单载波系统相比，多载波模式可以大大扩展信道容量。多载波调制传输技术的理论研究始于20世纪60年代。通信技术专家证明，尽管多载波传输中存在信号干扰，但信息传输系统的性能可以大大优化。20世纪70年代初，OFDM首次获得专利。在1971中，Weinstein和Ebert用离散傅里叶变换实现了多载波调制，发表在IEEE杂志上。在随后的十几年里，虽然人们深入研究了如何在移动通信领域使用多载波调制技术，但由于数字信号处理技术和高效信号调制技术没有跟上，多载波传输技术并没有得到广泛应用。这种情况直到上世纪90年代才有所改变。此后，OFDM技术受到重视并得到广泛应用。

与传统的单载波系统相比，OFDM技术有效地扩展了信道容量，但是很难预先对多径传播中的信号进行相关，子信道信号之间不可避免地会相互干扰。如何消除各种干扰，称为噪声退化。

第二，离散多音(DMT)技术为噪声信号降级做准备

OFDM首先使用不同频率的子信道来传输单个大容量信息流，而不是分别传输不同的子信道。在那种情况下，发射机使用并行传输，这可以与单通道中单载波大容量串行传输相比较。如果单纯用多套发射机和接收机来实现，成本会非常高。后来，人们意识到9点QAM调制技术应用于多载波调制系统，接收机采用子信道相关检测，子载波间相关检测。

离散傅立叶变换(DFT)技术是将输入信号分组，使每组数据包含n个复数符号，每组复数符号占用一个子信道。接收机首先对输入信号进行采样，然后对每组数据进行离散傅立叶变换，以恢复原始信号。OFDM的这种模式被称为DMT，即离散多音。DMT技术的主要优点是它基于FFT算法的优点。理论上，n个符号的FFT只消耗nlogn次乘法运算，直接采用DFT所需的运算量为n2。

近20年来，OFDM技术，尤其是DMT技术，已经广泛应用于各种通信技术中。现在，DMT已经被用作ADSL的标准技术。

第三，多载波信道噪声退化

OFDM技术，结合适当的编码技术和交织技术，可以有效地抵抗无线信道的干扰。在无线通信的高速传输技术中，频率响应曲线一般不是平坦的。OFDM的主要思想是将给定的信道在频域分解成相互正交的子信道，每个子信道由一个子载波调制，每个子载波并行传输。即使总通道不平坦，也能保证每个子通道的相对平坦。由于子信道窄带传输，信号带宽明显小于信道带宽，大大消除了子信号之间的干扰。

将高速大容量数据流分解为多子路径低速小容量数据流，每个子信号流的数据相互独立地调制并叠加形成传输信号。由于信道速率和容量的降低以及符号周期的增加，多径干扰会较少地遗传到下一个符号，从而降低信号符号中多径延迟的百分比，减弱多径干扰对信号传输系统的影响。实验表明，按照802.11a标准规定的编码交织过程和相应的解码去交织过程，可以完全恢复原始信息信号。下图是示波器显示的两个探头的观察结果。比较这两个波形，信号的灵敏度没有差别。

为了加快OFDM功率谱带外部分的衰落，需要对OFDM符号进行加窗，可以使周期边沿的幅度逐渐减小到零，升余弦窗函数表示为公式(1):

(1)Ts指加窗前的符号长度，β指滚降因子，而(1+β)Ts指加窗后的符号长度。

下面的公式(2)经常用于描述OFDM输出信号的等效性。

等式(2)描述的OFDM信号有一个缺点:功率谱中带外干扰的衰减速度太慢。虽然增加子载波数可以加快功率谱带外干扰的衰减速度，但如果不采用加窗技术，效果仍然不理想。

在实际通信过程中，开窗过程如下:

(1)在N个数字调制信号符号之后填充零，以形成N个输入样本值序列。

(2)对样本值序列进行IFFT运算，将输出信号的最后一个前缀分别植入对应的OFDM符号之前，然后将IFFT输出信号的最前面的Tpostfix样本植入OFDM符号之后。

(3)在时域中将OFDM符号乘以由等式(1)定义的升余弦窗函数brown (t)。

(4)将加窗OFDM符号延迟Ts与前一个加窗OFDM符号相加，两个相邻OFDM符号之间会有一个带宽为βTs的重叠区域。

多载波调制(MCM)技术将一个具有一定带宽的非线性信道分解成N个近似的子信道，每个子信道近似线性，每个子信道以低速码(1/N符号率)传输数据。低速传输数据的符号周期较长，当延迟值与符号周期的比值小于一定值时，符号间干扰不会很明显。实质上，MCM对信道延迟扩散不敏感，即使没有均衡器，使用MCM也可以获得更好的性能。

根据香农公式，当子信道的频率响应近似线性时，信道容量几乎达到最大。在每个子信道中，可以根据信道特性确定发射功率谱密度，对每个信道进行独立编码，然后采用适合该子信道的映射方式实现信号传输——信噪比高时采用MQAM映射方式，信噪比低时采用BPSK或QPSK映射方式。此外，当频率间隔δf足够小时，C(f)几乎是常数，因此接收机没有必要使用均衡算法进行补偿，符号间串扰可以忽略。

参考

[1] Sunborg J .通用个人电信(UPT)，“概念和标准化”，埃里森评论，1993，第70-74页

[2]约翰·普罗亚基斯。，张宗成，郑宝玉译。数字通信(第三版)[M]。电子工业出版社，1999，2。，第552-560页

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王有政。无线局域网和个人通信系统。微波与数字通信国家重点实验室。2001.10.

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