OPDM技術(shù)研究(一)

摘要：目前人們已經(jīng)把目光越來越多地投向超3G的移動通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以容納龐大的用戶數(shù)、改善現(xiàn)有的通信質(zhì)量，達到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�求。從技術(shù)層面上來看，3G系統(tǒng)主要是一CDMA為核心技術(shù)，而在3G以后的移動通信系統(tǒng)中正交頻分復用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）最受矚目。OFDM的提出已經(jīng)有近40年的歷史，第一個實際應用是軍用的無線高頻通信鏈路。但在這種多載波傳輸技術(shù)在雙向無線數(shù)據(jù)方面的應用卻是近10幾年來的新趨勢。經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)在廣播方式下的音頻和視頻領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應用。近年來，由于數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM作為一種可以有效對抗ISI的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛的關(guān)注。OFDM技術(shù)已經(jīng)成功地應用與非對稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、無限本地環(huán)路（WLL）、數(shù)字音頻廣播（DAB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等系統(tǒng)中，它可以有效地消除信號多徑傳播造成的ISI現(xiàn)象。1999年IEEE802.11a通過了一個5GHz的無線局域網(wǎng)標準，其中采用了OFDM調(diào)制技術(shù)并將其作為他的物理層標準。歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）的寬帶射頻接入網(wǎng)（BRAN，Broad Radio Access Network）的局域網(wǎng)標準也把OFDM定為它的標準調(diào)制技術(shù)。為了實現(xiàn)一個真正意義上的 OFDM 系統(tǒng) ,同步是一個關(guān)鍵的問題。因為在接收端對發(fā)送機到接收機的傳播延時一般是未知的 ,為了對解調(diào)器輸出步抽樣 ,必須從接收信號導出符號定時。OFDM 同步的主要任務是進行精確的符號定時和糾正載波頻偏。
關(guān)鍵詞：OFDM系統(tǒng)，同步，無線局域網(wǎng)，MATLAB仿真
一、緒論
(一)、OFDM系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
OFDM技術(shù)是高速率無線通信系統(tǒng)中有廣闊應用前景的多載波數(shù)據(jù)通信技術(shù)，它是將高速的數(shù)據(jù)流分成并行低速數(shù)據(jù)流，用它們?nèi)フ{(diào)制相互正交的子載波，從而形成多個并行發(fā)送的低速率數(shù)據(jù)流傳輸系統(tǒng)。此外，OFDM@還易于實現(xiàn)多用戶接收機的分集技術(shù)，并且運用多用戶檢測技術(shù)有助于通過消除干擾來提高系統(tǒng)容量。
OFDM技術(shù)的應用可以追溯到20世紀60年代，R．W．Chang在關(guān)于將帶限信號綜合用于多信道傳輸?shù)恼撐?221提出了一種在線性帶限信道上同時傳輸多路信息的傳輸方法，能同時避免子載波間干擾ICI和符號間干擾ISI。1967年，B．R．Saltzberg對Chang提出的方法進行了性能分析，并且得出很重要的結(jié)論，即在并行傳輸系統(tǒng)中，相鄰信道間的串擾將是信道畸變的主要原因，因此系統(tǒng)設(shè)計的重點應在于盡量減少相鄰信道間的串擾，而不是完善每一個單獨的信道。
在早期的OFDM系統(tǒng)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，并且在相關(guān)接收時各副載波需要準確地同步，因此當子信道數(shù)很大時，系統(tǒng)就顯得非常復雜和昂貴。一個簡單有效的實現(xiàn)OFDM技術(shù)的方法是在1971年由Weinstei和Ebert提出，使用離散傅立葉變換(DFT，Discrete FourierTransformation)來實現(xiàn)OFDM基帶系統(tǒng)中的調(diào)制和解詞功能，從而省去了正弦信號發(fā)生器。DFT的引入使OFDM系統(tǒng)便于使用目前的數(shù)字信號處理硬件來實現(xiàn)。另外，為了抵抗ISI和ICI，在符號間加入了保護間隔(GI。Guard Interval)。另一個重要的貢獻是在1980年P(guān)eled和Ruiz使用循環(huán)前綴(CP，Cyclic Prefix)或循環(huán)后綴來解決子載波間的正交性，而不是使用空的保護間隔，他們把OFDM符號的循環(huán)擴展添加到保護間隔中，有效地將信道與傳送符號之問的線性卷積近似成循環(huán)卷積。在這種方法中，當CP比信道的脈沖響應長時，能很好地保持子載波正交性和解決符號間干擾問題。只要保護間隔大于信道的最大脈沖響應，即使在色散信道上也能獲得較好的正交性。進入90年代以后，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，它作為一種寬帶無線傳輸技術(shù)的優(yōu)勢很突出而且可以利用新技術(shù)去彌補0FDM的固有缺點，因而被廣泛的應用于民用通信系統(tǒng)中。近年來，由于數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM技術(shù)作為有效對抗信號波形間干擾的高速傳輸技術(shù)，更加引起了廣泛的關(guān)注。
自從20世紀80年代以來，OFDM技術(shù)被越來越多地使用于各種國際標準。如非對稱數(shù)字用戶環(huán)路ADSL和高速數(shù)字用戶環(huán)路HDSL，它們使用0FDM技術(shù)可以有效地消除符號間干擾。在ADSL中，OFDM被當作離散多音調(diào)制(DMT，Discrete Multitone)來使用，成功地應用于有線環(huán)境中。ADSL將原先電話線路0Hz到1．1MHZ頻段劃分成256個頻寬為4．3kHz的子頻帶，使下行信號達到8Mbps，上行信號達到lMbps，1995年，歐洲電信標準協(xié)會制定了數(shù)字音頻廣(DAB Digital Audio Broad-casting)標準，DAB是在AM和FM的模擬廣播的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它可以提供與CD相媲美的話音質(zhì)量，以及新型的數(shù)據(jù)服務。緊跟著是1997年數(shù)字視頻廣播(DVB，Digital Video Broadcasting)標準采用的編碼正交頻分復用調(diào)制。在1998年7月，IEEES02．1la標準決定選擇OFDM技術(shù)作為其無線局域網(wǎng)(WLAN．Wireless Local AreaNetwork)5GHz波段的物理層接入方案。這是OFDM技術(shù)第一次被運用于分組業(yè)務通信中。此后，日本的多媒體移動接入推進協(xié)議會(MMAC．MobileMultimedia Access communications)，歐洲的寬帶射頻接入網(wǎng)(BRAN。Broad Radio Access Network)的局域網(wǎng)標準都使用OFDM作為標準調(diào)制技術(shù)。
1999年12月，包括Ericsson,Nokia和Wi．LAN在內(nèi)的7家公司發(fā)起了國際OFDM論壇，致力策劃一個基于OFDM技術(shù)的全球性統(tǒng)一標準。2000年11月，OFDM論壇的固定無線接入工作組IEEE802．16．3的無線城域網(wǎng)委員會提交了一份建議書，提議采用OFDM技術(shù)作IEEE802．16．3城域網(wǎng)的物理層標準，隨著人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個人化和移動化的需求，OFDM技術(shù)在綜合無線接入領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用，它也成為3G以后移動通信的主流技術(shù)。此外，OFDM還易于結(jié)合時空編碼、分集、干擾抑制以及智能天線等技術(shù)。最大程度地提高物理層信息傳輸?shù)目煽啃�。如果再結(jié)合自適應調(diào)制、自適應編碼以及動態(tài)子載波分配等技術(shù)，其性能可以進一步得到提高。

(二)、無線局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
第一代移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀80年代初，主要包括模擬蜂窩和無繩電話系統(tǒng)，其最重要的特點體現(xiàn)在移動性上，這是其他任何通信方式和系統(tǒng)不可替代的，從而結(jié)束了過去無線通信發(fā)展過程中，無線通信時常被其他通信手段替代而處于輔助地位的歷史。第一代移動通信的特點是模擬頻率調(diào)制(FM)、頻分雙工(FDD)、頻分多址(FDMA)以及基于電路的交換技術(shù)。蜂窩技術(shù)的使用解決了頻率復用問題，盡管第一代移動通信FDMA方式在小區(qū)內(nèi)的頻率利用率還不高，而且當時移動通信終端的成本很貴，但其發(fā)展速度已超出人們的預期。由于各國在開發(fā)第一代移動通信系統(tǒng)時只考慮了本國當時可用的頻率資源，彼此的頻率并不協(xié)調(diào)，標準不統(tǒng)一。
第一代移動通信系統(tǒng)對移動通信做出的最大貢獻是：使用蜂窩結(jié)構(gòu)，從而使得頻帶可重復利用，實現(xiàn)了大區(qū)域的覆蓋；支持移動終端的漫游和越區(qū)切換，實現(xiàn)移動環(huán)境下不間斷通信。
第一代移動通信系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展的原因，除了用戶要求迅速增加這一主要推動力之外，還有幾方面技術(shù)進展所提供的條件。首先，微電子技術(shù)在這一時期得到迅速發(fā)展，使得通信設(shè)備能夠小型化、微型化：其次，提出并且形成了移動通信新體制，即貝爾實驗室在70年代提出的蜂窩網(wǎng)的概念：再次，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微處理器技術(shù)日趨成熟，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展。
頻譜是不可再生的資源，是移動通信賴以生存的基礎(chǔ)，因此在第一代移動通信投入商用后的幾年，以提高頻譜利用率為目標的第二代移動通信系統(tǒng)的研究逐步展開了。這些系統(tǒng)采用了更先進的數(shù)字技術(shù)，使得通信質(zhì)量、傳輸效率和系統(tǒng)容量都有了很大提高。第二代移動通信系統(tǒng)主要是為支持話音和低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務而設(shè)計的。
1982年北歐Nordic電信和荷蘭郵電向歐洲郵電會議(CEPT)提議開發(fā)新的數(shù)字蜂窩移動通信標準以滿足歐洲移動網(wǎng)的需要，CEPT成立了移動通信特別研究組開發(fā)泛歐公共陸地移動通信系統(tǒng)，并提出了高頻譜利用率、低成本、手持終端和全球漫游等要求。1987年，GSM選定基于時分多址(TDMA)的無線傳輸技術(shù)。隨后幾年歐洲電信標準組織(ETSI)完成了GSM 900MHz和1800MHz(DCS)的規(guī)范，1992年世界上第一個GSM網(wǎng)在芬蘭投入運營。與此同時日本、美國也在開發(fā)數(shù)字移動
通信系統(tǒng)。日本1989年開發(fā)出PDC系統(tǒng)，1991年被確定為日本標準，該系統(tǒng)使用TDMA技術(shù)，工作在800MHz和1．5GHz之間，1994年實現(xiàn)商用。美國1991年開發(fā)出IS．54、IS．136(DAMPS)系統(tǒng)，也使用TDMA技術(shù)。它們的主要區(qū)別是載頻間隔和每幀時隙數(shù)，相同的特征是低比特率話音編碼，射頻為GMSK或QPSK數(shù)字調(diào)制，雙工方式仍為FDD，它們統(tǒng)稱為第二代移動通信系統(tǒng)，它們的出現(xiàn)離第一代移動系統(tǒng)整整相隔10年。
隨著人們對通信業(yè)務范圍和業(yè)務速率要求的不斷提高，已有的第二代移動通信網(wǎng)將很難滿足新的業(yè)務需求。ITU TG8／1早在1985年就提出了第三代移動通信系統(tǒng)的概念，最初命名為FPLMTS(未來公共陸地移動通信系統(tǒng))，后在1996年更名為IMT．2000(Intemational Mobile Telecommunications 2000)。第三代移動通信系統(tǒng)的目標是：
1、世界范圍內(nèi)設(shè)計上的高度一致性；
2、與固定網(wǎng)絡(luò)各種業(yè)務的相互兼容，支持多媒體功能及廣泛業(yè)務的終端；
3、高服務質(zhì)量；
4、具有全球漫游能力。
為了實現(xiàn)上述目標，對第三代無線傳輸技術(shù)提出了支持高速多媒體業(yè)務、比現(xiàn)有系統(tǒng)有更高的頻譜效率等基本要求。第三代移動通信的三大標準是WCDMA，CDMA2000還有TD．SCDMA。WCDMA全名是Widebmad CDMA，在高速移動的狀態(tài)下，可提供3 84Kbps的傳輸速率；在低速或是室內(nèi)環(huán)境下，可提供高達2Mbps的傳輸速率。而GSM系統(tǒng)目前的傳輸速率是9．6Kbps，固定線路Modem也只是56Kbps。
CDMA2000由美國高通北美公司為主導提出，摩托羅拉、Lucent和韓國三星參與，韓國現(xiàn)在成為該標準的主導者。這套系統(tǒng)是從CDMA One數(shù)字標準衍生出來的，可以從原有的CDMA One結(jié)構(gòu)直接升級到3G，建設(shè)成本低廉。但目前使用CDMA的地區(qū)只有日、韓和北美，所以CDMA2000的支持者不如W．CDMA多。不過CDMA2000的研發(fā)卻是目前各標準中進度最快的，許多3G手機己經(jīng)率先問世。我國提出了TD-SCDMA RTT建議，這是對第三代移動通信做出的貢獻。TD—SCDMA技術(shù)具有較高的頻譜利用率，且成本較低。達到高性能和低成本的主要原因是TD．SCDMA使用了如下主要技術(shù)：
1、智能天線技術(shù)極大的降低了多址干擾，提高了系統(tǒng)容量和接收靈    敏度，降低了發(fā)射功率和無線基站成本；
2、上行同步技術(shù)簡化了基站硬件，降低基站成本；
3、軟件無線電技術(shù)使系統(tǒng)可以靈活地使用新技術(shù)，也降低了產(chǎn)品開 發(fā)周期和成本。
雖然第三代移動通信系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)速率己經(jīng)達到了2Mbps，但仍然不能滿足多媒體通信的要求，并且由于各標準之間不兼容，不能實現(xiàn)網(wǎng)間的互通，所以第四代移動通信系統(tǒng)的研究提上了議事日程。第四代移動通信系統(tǒng)的研究起源于本世紀初，它具有以下技術(shù)特點：
1、建立在新的頻段上，分組數(shù)據(jù)的傳輸速率在50Mbps以上，能夠承載大量的多媒體信息，具有非對稱的上傳下傳鏈路；
2、實現(xiàn)真正全球統(tǒng)一的，基于全新網(wǎng)絡(luò)體制的通信系統(tǒng)，能夠使得各類媒體、通信主機及網(wǎng)絡(luò)之間進行“無縫"連接；
3、采用多天線等技術(shù)使得通信質(zhì)量，抗干擾性能得到很大的提升，真正滿足人們對移動性、穩(wěn)定性的要求，實現(xiàn)無障礙通信；
4、將數(shù)字通信、數(shù)字音頻、數(shù)字視頻和因特網(wǎng)接入融合在一起。
第四代移動通信系統(tǒng)要求有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更好的傳輸質(zhì)量且同時能很好地克服多徑衰落、消除高速數(shù)據(jù)傳輸時嚴重的符號間干擾并大大提高頻譜利用率，正交頻分復用OFDM技術(shù)作為一種強有力的數(shù)字調(diào)制方式，以其突出的優(yōu)點成為4G移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。

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