频分复用技术及应用

tange

<p>本文专题：<a title="《2006年6月专题索引——OFDM与MIMO技术》
作者：tange
发表于：2006-6-7 10:48:54
最后发贴：本期资料较多，..." href="http://forum.anywlan.com/dispbbs.asp?boardID=2&amp;ID=2418&amp;page=1">2006年6月专题索引——OFDM与MIMO技术</a>
        </p><p><font color="#000000">频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。 频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延。频分复用技术除传统意义上的频分复用(FDM)外，还有一种是正交频分复用(OFDM)，本文主要介绍正交频分复用(OFDM ，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)。 <br/><br/>　　传统的频分复用（FDM）的优点是简单、直接。但是频谱的利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且在频分路数N较大时多个滤波器的实现使系统复杂化。 <br/><br/>　　正交频分复用（OFDM）技术的基本思想就是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每一个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道并非平坦的，也就是说，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽，因此可以大大消除符号间干扰。 <br/><br/>　　OFDM实际是一种多载波数字调制技术。OFDM全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍，正交指各个载波的信号频谱是正交的。 <br/><br/>　　OFDM系统比传统FDM系统要求的带宽要小得多。由于OFDM使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道中的数据，为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。 <br/><br/>　　目前OFDM技术已被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及通信系统中。 <br/><br/>1 OFDM技术的优点 <br/><br/>　　（1）OFDM技术实现了多载波调制（MCM），克服了多径接收，提高了系统的传输码率。 <br/><br/>　　（2）OFDM技术将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，大大消除信号波形间的干扰，也提高了频谱效率。 <br/><br/>　　（3）OFDM技术可适应不同设计需求，灵活分配数据容量和功率，便于提供灵活的高速和变速综合数据传输。 <br/><br/>　　（4）OFDM技术能提供较大的系统容量，且具有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力，适应多径和移动信道传播条件。 <br/><br/>　　（5）OFDM技术可以实现较高的安全传输性能，它允许数据在高速的射频上编码。 <br/><br/>　　（6）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化。能动态地接通或切断相应的载波，以保证持续地进行成功的通信。</font></p>

[此贴子已经被作者于2006-6-9 11:45:59编辑过]

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2 OFDM技术的缺点 <br/><br/>　　尽管OFDM有很大的优点，在技术上也还存在两个缺点： <br/><br/>　　(1) OFDM的基础是子载波必须满足正交，如果正交性恶化，则整个系统的性能会严重下降，产生OFDM特有的子载波间串扰。在实际工作中由于无线衰落信道的时变性，往往会造成频率弥散，引起多普勒频移效应，从而影响载波频率正交性。如何实现子载波的精确同步是OFDM技术中的一个难点。 <br/><br/>　　(2) OFDM信号呈现很大的峰值平均功率比（PAPR），比单载波系统需要更宽的线性范围。由于采用 DFT实现调制和解调，故对载波频率偏移、相位噪声和非线性放大更为敏感。若要避免信号失真和频谱扩展，则需要动态范围很大的线性放大器。如何降低信号的峰值平均功率比是OFDM技术中的另一个难点。 <br/><br/>　　由于上述原因，OFDM要求昂贵的、高精度的无线电器件。 <br/><br/>3 OFDM在ADSL中的应用 <br/><br/>　　ADSL使用了正交频分复用技术将话音与数据分开，虽然话音与数据在同一条电话线上，但是话音和数据分别在不同的频带上运行，所以互不干扰。即使边打电话边上网，也不会发生上网速率下降，通话质量下降的情况。 <br/><br/>　　FLASH－OFDM是Flarion为了在主网上实现使用IP网络的永久接入服务而开发的传输技术。由于用户在高速互联网接入服务中可以无线方式永久接入，因此还被称为“无线版ADSL”。Nextel从2002年便开始对FLASH－OFDM进行技术检测和传输试验，韩国也有多家通信运营商进行试验服务。 <br/><br/>4 OFDM在电力线通信中的应用 <br/><br/>　　电力线通信技术简称PLC (Power Line Communication)是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。目前只需通过连接在电脑上的“电力猫”，再插入家中任何一个电源插座，就可以实现最高14M的速度上网冲浪，这一速度比ADSL目前最高限速512k快20多倍，而且使用成本低廉。 <br/><br/>　　然而，电力线作为通信信道，存在着高噪声、多径效应和衰落的特点。OFDM技术能够在抗多径干扰、信号衰减的同时保持较高的数据传输速率，在具体实现中还能够利用离散傅立叶变换简化调制解调模块的复杂度。OFDM技术用于提高电力线网络的传输质量，即使在配电网受到严重干扰时，OFDM仍可提供带宽并且保证带宽传输效率。因此它在电力线高速通信系统中的应用有着非常乐观的前景。 <br/><br/>5 OFDM在有线电视网络中的应用 <br/><br/>　　目前，为了提供上行回传信道，HFC接入网可采用SDM(空分复用法)、TDM(时分复用法)、WDM(波分复用法)和OFDM(正交频分复用法)等方式。但目前解决同轴电缆分配网双向传输的主要手段还是正交频分复用法。 <br/><br/>　　空分复用法是采用双电缆线完成光节点以下信号的上下行传输，对于有线电视网来说，铺设双同轴电缆来完成双向传输，成本太高。<br/><br/>　　时分复用法是在相同的传输介质上，对上行和下行信号进行时分复用，由于其技术较复杂，成本也较高，所以实际应用也不很广泛。 <br/><br/>　　波分复用法是采用单根光纤异波长双工工作方式，使上下行信号采用不同的光波长传送，波分复用法可用于光纤干线传输网部分。 <br/><br/>　　正交频分复用法是将光节点以下的电缆的工作频率作频率分割，利用不同的频段实现上下行信号的同时传输，一般低频段用于上行信道，高频段用于下行信道，上下行频段的分割点频率的高低，主要取决于HFC接入网要实现的功能和所需传输的信息量。 <br/><br/>　　另外，在HFC的共享设施上，数据的上行面临噪音对信号的干扰问题。信号抗干扰的能力取决于系统所采用的信号复用技术。宽带网络可以采用两种信号复用技术：TDM（时分复用）和OFDM（正交频分复用）。

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<p>　　举个例子，在一个频率较大的射频载波上可以分出许多个DS-0信道。而对载波中任意部分的干扰都会破坏载波所承载的信号。这种情况会对TDM用户带来严重的通信可靠性问题，原因就在于窄带干扰总是随时随机出现。 </p><p>　　在理论上，避免干扰可以采用变频技术。可是，TDM采用的通信频带的大小必须和留作用来匹配变频的频带一样大。保留这么大的频带会严重地降低本已经存在局限的上行信道的信息承载能力。 </p><p>　　OFDM技术，采用的措施则不同。它们在每个信道中可以划分出多达240个的DS-0，但同时把每一个DS-0都放在了它自己所在的窄带频率载波上。 </p><p>　　单一的频率载波容易受到窄带干扰的影响，但是，把使用QPSK（四相移键控）的大量DS-0锁定的同类干扰却只能影响一个使用OFDM的DS-0，而其他DS-0则不受影响。这样，只需要在信道上保留一个小频段专门用来给受到影响的频率进行变频，而其他几乎所有的DS-0就都可以充分利用信道上的可用带宽了。当检测出对频率载波的干扰之后，受影响的DS-0即可重新分配给保留的载波之一传输，通常情况下不会引发线路的断开。 </p><p>　　TDM承载的信号特别容易受到脉冲干扰的影响。因为每个TDM时隙都拥有完整的2MHz带宽，信号速度必须很高。因此每个信号的持续时间都很短，信号就容易被短暂的脉冲噪音所覆盖。 </p><p>　　另一方面，OFDM可以同时传输很多信号、容许更长的符号周期却并不降低信息量。所以，在符号周期比较长的前提下，通常的脉冲比它能中断的符号周期短得多。结果载波噪音比的参数值就相当高，所以信息也可以保持其完整性和准确度了。假设载波噪音比确实因为较大的脉冲干扰而降低，对信号的中断影响也是有限的，而信号错误则可以通过纠错算法得以调整。</p><p>6 OFDM在数字电视中的应用 <br/>　　目前全球共有3套国际数字电视地面传输系统标准，美国1996年高级电视系统委员会（ATSC）研发的ATSC8-VSB；欧洲1997年提出的数字视频地面广播DVB-T COFDM；日本1999年提出的地面综合业务数字广播ISDB－T OFDM。 <br/>　　欧洲DVB-T COFDM系统是欧洲数字电视广播(DVB) 开发的系列标准中的数字地面电视广播系统标准，在系列标准中DVB-T是最复杂的DVB系统。使用MPEG-2传送比特流复用，里德-索罗门(RS) 前向纠错系统，采用COFDM调制方式，把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上，用1705个载波（“2K”）或6817个载波(“8K”) 模式。“2K” 模式用于普通网，“8K” 模式用于大小单频网(SFN) ，“2K”与“8K” 系统是兼容的。 <br/>　　日本提出的“综合业务数字广播”ISDB-T OFDM系统采用MPEG-2传送比特复用，OFDM调制方式，使用的编码方式、调制、传输与DVB-T COFDM基本相同，可以说是经修改的欧洲方式，不同之处在于接收方面增加了部分接收和分层传输，将整个6MHz频带划分为13个子带，每个子带432KHz，将中间一个用于传输音频信号，并大大加长了交织深度（最长达0.5秒），增加交织深度将引入长达几百毫秒的延迟影响频道转换和双向业务。ISDB-T 概念覆盖了各种服务，因此系统不得不面对各种需求，而且一个业务可能和另一个业务是不同的。 <br/>　　我国清华大学微波与数字通信国家重点实验室提出的地面数字多媒体与电视广播系统(DMB-T)，它采用时域同步正交频分复用技术(TDS-OFDM)。 <br/>　　DMB-T传输系统既适用于地面数字多媒体电视广播系统，也适用于其它宽带传输系统。 </p><p>7 OFDM在数字音频广播中的应用 <br/>　　数字音频广播DAB（Digital Autio Broadeasting）于70年代末期开始研制，1986年列为欧共体Eurekal47计划，1988年基础性研究和初步的开路实验结果都显示它成为新一代广播系统的强大生命力，引起了世界各国的重视，我国部分发达城市也已着手进行研制开发，DAB有巨大的市场和经济效益，它在未来20年时间内最终要取代调频广播。 <br/>　　数字音频广播的三项关键技术是：即信源编码、信道编码和网络覆盖规划。而DAB的信道编码技术是一种抗回波传输的信道编码技术，在具体处理上利用OFDM技术将信号分成大量的窄带子信道传输再用卷积码和Viterbi解码算法结合。在误码的比特与传输信道有最佳匹配，能提供大于20dB增益，这种方法的特点是使源编码的比特与传输信道有最佳匹配，有足够的误码保护，在多径反射在提供极好的服务，特别是在移动和便携状态下，接收具有高的频谱效率并能适应低的发射功率。OFDM在一定程度上综合了窄分段和宽分段各自的优点，在1.5MHz带宽中，可一起传送5－6套立体声高质量节目，信噪比可达80dB以上。</p>

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8 OFDM在第4代(4G)移动通信系统中的应用 <br/>　　近年来移动通信技术飞速发展，已经历了3个主要发展阶段。每一代的发展都是技术的突破和观念的创新。第一代起源于20世纪80年代，主要采用模拟和频分多址(FDMA)技术。第二代(2G)起源于90年代初期，主要采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术。第三代移动通信系统(3G)可以提供更宽的频带，不仅传输话音，还能传输高速数据，从而提供快捷方便的无线应用。然而，第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统，尽管其传输速率可高达2 Mb/s，但仍无法满足多媒体通信的要求，因此，第四代移动通信系统(4G)的研究随之应运而生。 <br/>　　第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。但若从技术层面看，OFDM被认为是4G的核心技术之一。 <br/>　　移动通信信道的突出特点之一就是信道存在多径时延扩展，它限制了数据速率的提高，因为如果数据速率高于信道的相干带宽，信号将产生严重失真，信号传输质量大幅度下降。而OFDM技术由于具备频谱利用率高，有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力等特点，是对高速数据传输的一种潜在的解决方案，因此，OFDM技术已基本被公认为4G的核心技术之一。 <br/>　　业内分析人士指出，从理论上讲，OFDM技术要优于当前全球移动运营商所采用的标准技术。但问题是其成本和兼容性等问题与当前技术相比是否具有竞争力。目前，全球移动市场普遍采用的两大通信标准是GSM和CDMA技术，这二项都比传统的模拟技术快10倍左右，而OFDM技术的速度比GSM和CDMA还要快10倍左右。 <br/><br/>9 OFDM在3.5G宽带无线接入中的应用 <br/>　　3.5GHz频段无线接入具备组网灵活，前期投入较低，成本回收较快的特点。由于无需管道和电线杆的基建支持，路由限制小，因此建网比较简单，能迅速提供服务。3.5GHz无线接入设备搬迁十分方便快捷，若加以有效的频率复用，能提供全面覆盖的接入服务。 <br/>　　3.5GHz无线接入作为光纤接入的一种补充，能有效地解决了部分中小用户对高速的数据传输的需求。 <br/>　　当前，3.5G地面固定无线接入技术在我国已经迅速铺开，并表现出良好的发展势头，目前已有一些公司，如中华通信公司、中国电信、中国移动、中国联通等公司采用3.5GHz无线接入网为集团用户提供宽带业务。它将有力地带动我国的无线接入技术的发展，将为用户提供更加丰富多彩的业务和服务。而在这其中OFDM更是开始广泛应用于3.5GHz无线接入系统的设备中。一些厂商纷纷在自己原有系统的基础上应用OFDM技术，大唐就是其中之一。 <br/>　　大唐结合市场的需求，采用了当前无线通信领域的先进技术，有针对性的推出了在该频段上采用OFDM技术、基于IP的R2000 ACCESS OFDM 宽带无线接入系统，为运营商提供了一种经济、高效、实用的IP业务接入解决方案。 <br/><br/>10 OFDM在WiMAX无线城域网中的应用 <br/>　　IEEE 802.16标准是一种无线城域网络（WMAN）技术，利用该技术可以把无线热点（hotspots）连接起来，IEEE将这个新标准编号为802.16a，又称WiMAX，即全球微波接入互操作性（Worldwide Interoperability for Microwave Access），它出现于2001年12月，在2003年1月正式获得批准，是一项无线城域网（WMAN）技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。802.16a标准规范中明确定义了OFDM技术作为无线数据传输方式。 <br/>　　IEEE802.16a标准规定在特许频段，可以使用单载波调制或正交频分复用，对于非特许频段，必须使用正交频分复用调制方式。 <br/>　　IEEE802.16a标准采用了OFDM技术，大大改进了非视距性，增加了传输距离，降低了运营成本。 <br/><br/>11 OFDM在无线局域网中的应用 <br/>　　（1）OFDM在802.11a 和802.11g中的应用 <br/>　　802.11a 和802.11g使用了OFDM，不同于802.11b使用的直接排序扩展频谱（DSSS）。在802.11a 和802.11g标准中，OFDM在20 MHz频段能够提供高达54 Mb/s速率的原始数据传输。另外为了支持高水准的数据容量和抵御因受各种各样无线电波影响而产生的衰减现象，OFDM 能够非常有效地使用可以利用的频谱资源。而后面的特性在未来几年内将成为非常关键的因素，因为无线网络资源已经用完，尤其是在企业环境中。 <br/>　　（2）OFDM在802.11n中的应用 <br/>　　802.11n专注于高吞吐量的研究，计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps甚至500Mbps。这样高的速率当然要有技术支撑，而OFDM技术、MIMO(多入多出)技术等正是关键。 <br/>　　OFDM技术是MCM(多载波调制)的一种，已经在802.11g标准中采用。其核心是将信道分成许多进行窄带调制和传输正交子信道，并使每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，用以减少各个载波之间的相互干扰，同时提高频谱的利用率的技术。OFDM还通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行的非对称性传输。 <br/>　　MIMO(多入多出)技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。 <br/>　　将MIMO与OFDM技术相结合，就产生了MIMO OFDM技术，它通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，并增加了多径的容限，使无线网络的有效传输速率有质的提升。 <br/>　　（3）OFDM在HyperLAN2中的应用 <br/>　　无线局域网系列标准HiperLAN（高性能无线局域网）包括HiperLAN1和HiperLAN2，是由欧洲的欧洲通讯标准协会ETSI所制定的，在欧洲设置455MHz的频宽使用。 <br/>　　HyperLAN2的技术是采用在5GHz上传输，并可用不同速度进行，最快可达到54Mbps，由于其是采用OFDM技术，所以不仅可以在室外传送，就连在室内有许多阻碍物亦可用多重路径的方式来传送，通常室内覆盖半径可达30米，户外可达到150米。 <br/>　　在HiperLAN2的收发端使用FFT信号处理方式可以有效地实现OFDM，这样，与传统的FDM系统相比，采用OFDM的HiperLAN2系统可大大降低硬件设备的复杂度，并且有效提高频谱利用率，在时间扩散环境中尽可能的抑制因多径传输而产生的符号间干扰和码片间干扰。 <br/>　　（4）OFDM在超宽带(UWB)无线通信技术中的应用 <br/>　　UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲，这些脉冲都是经过精确计算的，每个只有几个毫微秒长，脉冲可以覆盖非常广泛的区域，它将会为无线局域网和个人区域网的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。UWB技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它开发了一个具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室内等密集场所的高速无线接入和军事通信应用中。 <br/>　　MBOA的提议将UWB频带分为最少三个频段，并采利正交频分复用(OFDM)方式将三个频段进一步分为大量的窄通道。这样做的好处是各频带可单独使用，方便从低速到高速的扩展，并保证升级后的后向兼容性；提高抗多径干扰的能力；有效地利用到FCC所规定的整个7.5GHz频宽，提高频谱利用率和能量捕获能力；提高与其它无线设备共同工作和抗外来干扰能力(即电磁兼容性)。 <br/>　　这些优势使MBOA技术在相同条件下具有更高的速率和距离，但增加了电路复杂度和成本。

linxiyun

看了～～～～

wanglingl

<p>顶。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。</p>

努力盛开的玉

<p>这个地方发帖子要没有加精华的说～</p>

kevinyang001

已经学习过程中....谢谢！！

caicaicat

<p>顶！</p><p>谢谢!</p>

moskito

学习中，支持！！