淺談多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)

摘要：多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)就是OFDM技術(shù)，在高速數(shù)字通信中是一種非常有潛力的技術(shù)。它將數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后調(diào)制為射頻信號。在經(jīng)過特別計(jì)算的正交頻率上同時(shí)發(fā)送多路高速信號。它不像常規(guī)的單載波技術(shù)，只在某一時(shí)刻只用單一頻率來發(fā)送單一的信號。本文將對OFDM技術(shù)的基本原理進(jìn)行詳細(xì)分析，并闡述利用這一技術(shù)建立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，為實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用提供有價(jià)值的理論參考。

關(guān)鍵詞：OFDM多載波系統(tǒng)主流技術(shù)

中圖分類號：TN949文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1674-098x(2012)03(c)-0000-00

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，如何高速和可靠地傳輸信息、是一個(gè)極為重要的內(nèi)容。目前，數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦碚摵蛯?shí)踐己經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但這些進(jìn)展并不適應(yīng)于更廣泛的信道以獲取更高的傳輸性能。而且隨著通信的發(fā)展，特別是無線通信業(yè)務(wù)的增長，可利用的頻帶日趨緊張。除了開發(fā)新的頻譜資源外，采用新的高效抗干擾調(diào)制技術(shù)，提高頻帶的利用率一直為人們所關(guān)心，多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)則為這些問題的解決開辟了一條新的路徑。

1 OFDM技術(shù)

在各類通信過程中，由于云層、山脈，特別是城市高層建筑物遮擋和反射的影響，在接收機(jī)里會(huì)產(chǎn)生回波干擾。在以往的數(shù)字通信中，都是使用自適應(yīng)均衡器來消除回波的干擾。但在高速數(shù)字通信中，均衡器的抽頭數(shù)常常要求很大，尤其是在都市內(nèi)進(jìn)行無線通信，時(shí)延十幾微秒的回波很常見，這使得均衡器的抽頭數(shù)達(dá)幾百，從而大大增加了均衡器的復(fù)雜度和成本。因此，出現(xiàn)了一種新技術(shù)以取代復(fù)雜而昂貴的自適應(yīng)均衡器，即OFDM技術(shù)。

1.1 OFDM技術(shù)簡介

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）正交頻分復(fù)用作為一種多載波傳輸技術(shù)，主要應(yīng)用于數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)、MMDS（Multichannel Multipoint Distribution Service）多信道多點(diǎn)分布服務(wù)和WLAN服務(wù)以及下一代陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)[1]。

OFDM從60年代開始發(fā)展，應(yīng)用于一些軍用高頻通信系統(tǒng)。它是一種新型高效編碼技術(shù)，它有效地對抗多徑傳輸，使得受到干擾的信號能可靠接收。在傳統(tǒng)的多載波通信系統(tǒng)中，整個(gè)通信頻帶被劃分為若干個(gè)互相分離的子信道(載波)。各載波之間有一定的保護(hù)間隔，接收端通過濾波器把各個(gè)子信道分離之后接收所需信息。這樣雖然可以避免不同信道互相干擾，但卻是以犧牲頻帶利用率為代價(jià)。而且當(dāng)子信道數(shù)量很大的時(shí)候，大量分離各子信道信號的濾波器的設(shè)置就成了幾乎不可能的事情。上個(gè)世紀(jì)中期，人們提出了頻帶混疊的多載波通信方案，選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，這就是我們所說的OFDM。這種“正交”表示的是載波頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系。按照這種設(shè)想，OFDM既能充分利用信道帶寬，也可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯(cuò)。使得該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)更趨實(shí)際[2]。

2 多載波系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

2.1 多載波系統(tǒng)的基本原理

多載波系統(tǒng)的基本原理是將高速信道自數(shù)據(jù)編碼后分配到并行的N個(gè)相互正交的載波上，每個(gè)載波上的調(diào)制速率很低（1/N）調(diào)制符號的持續(xù)間隔遠(yuǎn)大于信道的時(shí)間擴(kuò)散，從而能夠在具有較大失真和突發(fā)性脈沖干擾環(huán)境下對傳輸?shù)臄?shù)字信號提供有效地保護(hù)。OFDM對多徑時(shí)延擴(kuò)散小敏感，若信號占用帶寬大于信道相干帶寬，則多經(jīng)效應(yīng)使信號的某些頻率分量增強(qiáng)，某些頻率分量減弱。頻率選擇性衰落OFDM的頻域編碼和交織在分散并行的數(shù)據(jù)之間建立了聯(lián)系，這樣，由部分衰落或干擾而遭到破壞的數(shù)據(jù)，可以通過頻率分量增強(qiáng)部分的接收的數(shù)據(jù)得以恢復(fù)，即實(shí)現(xiàn)頻率分集。

多載波系統(tǒng)是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而多載波系統(tǒng)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定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，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。

這種技術(shù)將無線通信傳輸信號分割成了多個(gè)子載波進(jìn)行傳輸，而每個(gè)子載波僅僅攜帶了很小一部分的數(shù)據(jù)信息，OFDM技術(shù)能夠利用更長的符號周期，使通信傳輸信號不易受到多徑傳輸?shù)母蓴_或者其他外界的特殊干擾。當(dāng)然，OFDM技術(shù)除了通過分割載波的方法來增強(qiáng)通信的抗干擾外，它還通過提高載波頻譜利用率的方法來提高通信的穩(wěn)定性。

2.2 多載波系統(tǒng)的應(yīng)用

多載波系統(tǒng)比較突出的地方就是即使在較窄的帶寬下能夠傳輸大量的數(shù)據(jù)。我國正在研發(fā)中的數(shù)字地面電視傳輸系統(tǒng)、高速無線LAN ( IEEE802 .11a)都采用這項(xiàng)新技術(shù)。另外OFDM技術(shù)能同時(shí)分開至少1000個(gè)數(shù)字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全的運(yùn)行。OFDM技術(shù)還能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，而OFDM能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信；而且該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信；在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號撒播的地區(qū)，高速的數(shù)據(jù)傳播都希望消除多徑影響，因此OFDM技術(shù)也特別適合應(yīng)用在這些地方。

3 多載波系統(tǒng)的未來發(fā)展

多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)是首選的寬帶高速傳輸技術(shù)。它要應(yīng)用到新一代的信息系統(tǒng)中，需要研究新的蜂窩體系結(jié)構(gòu)和新的頻段上信道的新特點(diǎn)。主要是時(shí)延擴(kuò)展和多譜勒頻散。以合理設(shè)計(jì)多載波系統(tǒng)參數(shù)，發(fā)揮多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢，盡量避免其缺點(diǎn)。同時(shí)要研究新興技術(shù)在多載波系統(tǒng)中的應(yīng)用，如發(fā)送分集技術(shù)、智能天線技術(shù)，這也將成為多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)。正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)因其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴(kuò)展，且有良好的抗噪聲性能和抗多徑信道干擾的能力而被普遍認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必不可少的技術(shù)。在未來它將代替現(xiàn)有的通信技術(shù)，成為第四代移動(dòng)通信中的主流技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹長川，羅濤.正交頻分復(fù)用技術(shù)[J].中興通信技術(shù)，2003，（1）.

[2] 韓湘.“基于導(dǎo)頻的OFDM信道估計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，164（21）.

[3] 徐明遠(yuǎn)，邵玉斌.MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[4] 阮沈勇.MATLAB程序設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[5] 佟學(xué)儉.OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2005.