淺談無線局域網(wǎng)OFDM技術(shù)

范昊博

摘要：OFDM即正交頻分復(fù)用技術(shù)，是一種多載波傳輸技術(shù)，具有能夠大大降低系統(tǒng)誤碼率、抗干擾能力強(qiáng)和頻譜利用率高等特點(diǎn)，目前在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為新一代無線通信技術(shù)的核心。本文著重對OFDM技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)及應(yīng)用前景進(jìn)行分析介紹。

關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用;無線通信;原理;特點(diǎn);應(yīng)用前景

隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)及各種移動設(shè)備的發(fā)展和普及，人們的生活方式發(fā)生了翻天覆地的變化，每時(shí)每刻都有大量的信息需求，為了滿足這一需求，各個(gè)國家投入大量資金和科研力量來發(fā)展無線移動通信技術(shù)，由此產(chǎn)生了無線局域網(wǎng)（WLAN）。無線局域網(wǎng)在無線通信的基礎(chǔ)上加入了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用信息在無線信道中的傳輸來實(shí)現(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間相互通信的目的。該方式靈活、便捷且可完成移動化、個(gè)性化及寬帶化的通信，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的作用也是日益突出，但其傳輸速度一直受多徑衰弱的限制。OFDM技術(shù)的使用能使無線局域網(wǎng)受到的多徑衰落限制大大減小，在提高信息傳輸速度的同時(shí)還能夠降低誤碼率，提高抗干擾能力和頻譜利用率，目前，該技術(shù)已成為各大無線通信聯(lián)盟新一代無線通信技術(shù)的核心。

1.OFDM技術(shù)的原理

正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)是Orthogonal Frequency Division Multiplexing的英文縮寫，它是傳統(tǒng)頻分復(fù)用（FDM）技術(shù)的改進(jìn)，其基本思路是改善碼間串?dāng)_對傳輸信號的干擾，采用的方式是用不同載波調(diào)制不同并行信道上傳送的信息，其中每一個(gè)傳送的符號前都要設(shè)置合適的保護(hù)間隔。OFDM體系中使用的基礎(chǔ)算法是IFFT/FFT，其傳輸步驟如下：

在進(jìn)行信息傳輸時(shí)，首先將輸入的傳輸信號進(jìn)行編碼、交織、映射、插入導(dǎo)頻等處理，使傳輸?shù)男盘栟D(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)流輸入到發(fā)射端。接著將轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)分成N個(gè)并行的數(shù)據(jù)流再進(jìn)行IFFT變換，使傳輸?shù)男盘栍深l域轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)域。然后將保護(hù)間隔插入到每個(gè)時(shí)域OFDM符號前，再將并行的數(shù)據(jù)流變成串行數(shù)據(jù)流，依次經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和載波調(diào)制變?yōu)榕c信道相符合的傳輸信號后，將調(diào)制好的信號由發(fā)送天線發(fā)射出去。接收端接收到信號后對其進(jìn)行相關(guān)解調(diào)以及其他處理，讓信號的時(shí)間和載波得到同步。之后的步驟與發(fā)送端相反：依次對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流、去除符號前所加的保護(hù)間隔后再對所得信號進(jìn)行FFT變換。最后再變換后的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)、并/串轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出原始的串行數(shù)據(jù)，再進(jìn)行逆映射、解交織、解碼等一系列操作恢復(fù)出原始信號，從而完成信息傳輸。

2.OFDM技術(shù)的特性

OFDM技術(shù)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送。OFDM技術(shù)可以使子載波進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制，根據(jù)信道和噪聲情況的不同采用合適的調(diào)制方式，另外該技術(shù)采用加載算法，將更多的數(shù)據(jù)集中放在通信條件好的信道上高速率傳輸，因此可實(shí)現(xiàn)高速傳送數(shù)據(jù)。

（2）應(yīng)用范圍廣泛。目前OFDM技術(shù)在非對稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）高清晰度電視（HDTV）信號傳輸、數(shù)字視頻廣播（DVB）無線局域網(wǎng)（WLAN）等領(lǐng)域都得到應(yīng)用。

（3）能夠提高頻帶利用率。相比于傳統(tǒng)的傳輸技術(shù)，OFDM技術(shù)可以將子載波進(jìn)行重疊作為子信道，這樣使得帶寬得到有效利用，從而整體提高了頻帶的利用率。

（4）能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于OFDM技術(shù)采用FFT算法，相比其他算法FFT算法更加簡單，這樣在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，整體計(jì)算過程和時(shí)間得到較大簡化，另外均衡技術(shù)在OFDM系統(tǒng)可以省去，因此可以在一定程度上簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

（5）能夠有效抵抗快衰落和碼間干擾（ISI）。碼間干擾通常是由于多徑衰落以及抽樣失真引起的，是數(shù)字通信中除噪聲外的最主要的干擾。OFDM技術(shù)利用了信道的頻率分集，使系統(tǒng)對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗能力得到大大加強(qiáng)，另外其采用了循環(huán)前綴，有較強(qiáng)的抗碼間干擾能力。

雖然OFDM技術(shù)具有以上優(yōu)點(diǎn)，但OFDM技術(shù)也存在以下的缺點(diǎn)：

（1）任何一點(diǎn)頻率偏移和相位噪聲都會對OFDM系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。由于OFDM技術(shù)是利用各個(gè)子載波之間正交性來對子信道進(jìn)行區(qū)分的，而頻率偏移和相位噪聲會使子載波間的正交性發(fā)生惡化，導(dǎo)致子信道區(qū)分困難，因此采用OFDM技術(shù)會使系統(tǒng)對頻率偏移和相位噪聲比較敏感。

（2）信號的峰均值比會因?yàn)镺FDM技術(shù)的使用變大，使射頻功率放大器的效率在很大程度上降低。OFDM技術(shù)將多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過調(diào)制的正交子載波進(jìn)行相加而得到OFDM信號，會存在較大的峰值功率，進(jìn)而會使峰均值比增大。高峰均值比會使射頻功率放大器功率效率降低。

（3）當(dāng)終端高速移動時(shí)，OFDM系統(tǒng)中的自適應(yīng)調(diào)頻技術(shù)不再適用，而且該技術(shù)會使發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的復(fù)雜度在一定程度上增加。

3.OFDM技術(shù)的應(yīng)用前景

OFDM技術(shù)從提出到現(xiàn)在已經(jīng)得到很大的完善和發(fā)展，它在將原本信道劃分為多個(gè)相互正交的子信道的同時(shí)，又使得每個(gè)子信道的頻率特性接近平坦，然后在接收機(jī)中將傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行合并，完成信號的頻率分集，這樣使得傳輸信號具有抵抗多徑衰落、碼間干擾等優(yōu)勢，從而使得OFDM技術(shù)在無線局域網(wǎng)通信中占有核心地位。OFDM不僅是IEEE的5GHz無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)也是802.11a 2GHz至11GHz的標(biāo)準(zhǔn)的物理層標(biāo)準(zhǔn)。從第一個(gè)正式應(yīng)用OFDM標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播到現(xiàn)在的無線局域網(wǎng)等眾多領(lǐng)域，OFDM技術(shù)都得到廣泛應(yīng)用。在許多移動通信方案中OFDM技術(shù)都被作為空中接口技術(shù)，如中國的未來計(jì)劃等。雖然OFDM技術(shù)提出時(shí)間較長，但其仍是目前提高移動通信傳輸速率的首選技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)、5G通信中將起著非常關(guān)鍵作用。

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