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正交頻分復用技術(shù)及其應用
摘要:簡(jiǎn)述了正交頻分復用技術(shù)的發(fā)展及特點(diǎn),論述了其原理及實(shí)現方法,構建了OFDM系統的實(shí)現框圖,并進(jìn)行了計算機仿真。最后介紹了幾種典型應用。隨著(zhù)通信需求的不斷增長(cháng),寬帶化已成為當今通信技術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一,而網(wǎng)絡(luò )的迅速增長(cháng)使人們對無(wú)線(xiàn)通信提出了更高的要求。為有效解決無(wú)線(xiàn)信道中多徑衰落和加性噪聲等問(wèn)題,同時(shí)降低系統成本,人們采用了正交頻分復用(OFDM)技術(shù)。OFDM是一種多載波并行傳輸系統,通過(guò)延長(cháng)傳輸符號的周期,增強其抵抗回波的能力。與傳統的均衡器比較,它最大的特點(diǎn)在于結構簡(jiǎn)單,可大大降低成本,且在實(shí)際應用中非常靈活,對高速數字通信量一種非常有潛力的技術(shù)。
1 正交頻分復用(OFDM)技術(shù)的發(fā)展
OFDM的概念于20世紀50~60年代提出,1970年OFDM的專(zhuān)利被發(fā)表[1],其基本思想通過(guò)采用允許子信道頻譜重疊,但相互間又不影響的頻分復用(FDM)方法來(lái)并行傳送數據。OFDM早期的應用有AN/GSC_10(KATHRYN)高頻可變速率數傳調制解調器等[1]。
在早期的OFDM系統中,發(fā)信機和相關(guān)接收機所需的副載波陣列是由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的,系統復雜且昂貴。1971年Weinstein和Ebert提出了使用離散傅立葉變換實(shí)現OFDM系統中的全部調制和解調功能[3]的建議,簡(jiǎn)化了振蕩器陣列以及相關(guān)接收機中本地載波之間嚴格同步的問(wèn)題,為實(shí)現OFDM的全數字化方案作了理論上的準備。
80年代以后,OFDM的調制技術(shù)再一次成為研究熱點(diǎn)。例如在有線(xiàn)信道的研究中,Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM調制技術(shù),試驗成功了16QAM多路并行傳送19.2kbit/s的電話(huà)線(xiàn)MODEM[4]。
1984年,Cimini提出了一種適于無(wú)線(xiàn)信道傳送數據的OFDM方案[5]。其特點(diǎn)是調制波的碼型是方波,并在碼元間插入了保護間隙,該方案可以避免多徑傳播引起的碼間串擾。
進(jìn)入90年代以后,OFDM的應用又涉及到了利用移動(dòng)調頻(FM)和單邊帶(SSB)信道進(jìn)行高速數據通信、陸地移動(dòng)通信、高速數字用戶(hù)環(huán)路(HDSL)、非對稱(chēng)數字用戶(hù)環(huán)路(ADSL)、超高速數字用戶(hù)環(huán)路(VHDSL)、數字聲廣播(DAB)及高清晰度數字電視(HDTV)和陸地廣播等各種通信系統。
2 OFDM的原理
OFDM技術(shù)是一種多載波調制技術(shù),其特點(diǎn)是各副載波相互正交。
設{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是單元碼的持續時(shí)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的物理意義對應于“幀”(即在第l時(shí)刻有m路并行碼同時(shí)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成,每個(gè)副載波數字符號調制,各載波上的信號功率形式都是相同的,都為sinf/f型,它對應于時(shí)域的方波。
Φm(t)滿(mǎn)足正交條件
以及
其中符號“*”表示共軛。
當以一組取自有限集的復數{Xm,l}表示的數字信號對φm調制時(shí),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(gè)副載波上傳輸。
在接收端,可通過(guò)下式解調出Xm,l
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