正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的解決途徑
一、OFDM的簡(jiǎn)單介紹
OFDM是正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的縮寫，OFDM是基于多路載波的新型信號(hào)調(diào)制傳輸技術(shù)，具體是將信號(hào)數(shù)據(jù)分解成多個(gè)相互獨(dú)立的子信號(hào)流，各子信號(hào)流將以相對(duì)低很多的流量傳輸，多個(gè)子信號(hào)流以較低流量并行傳輸是OFDM的典型特征，相對(duì)于傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)，多載波模式可以大幅度擴(kuò)展信道容量。上世紀(jì)60年代，關(guān)于多載波調(diào)制傳輸技術(shù)的理論工作就已經(jīng)展開(kāi)，通信技術(shù)專家論證了盡管多載波傳輸存在信號(hào)干擾，但仍可大幅度優(yōu)化信息傳輸系統(tǒng)的性能。七零年代初，OFDM首次被已專利形式確定下來(lái)，1971年Weinstein和Ebert采用離散傅氏變換實(shí)現(xiàn)了多載波調(diào)制，該方法發(fā)表在了IEEE雜志上，之后的十多年內(nèi)，雖然人們深入研究了如何在移動(dòng)通信領(lǐng)域運(yùn)用多載波調(diào)制技術(shù)，但由于當(dāng)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及高效信號(hào)調(diào)制技術(shù)沒(méi)有跟上，多載波傳輸技術(shù)并沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。這一情況直到上世紀(jì)九十年代才被改觀，從此OFDM技術(shù)受到重視并被廣泛應(yīng)用開(kāi)來(lái)。
OFDM技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)，雖然有效地?cái)U(kuò)展了信道容量，但多徑傳播各路信號(hào)難以事先關(guān)聯(lián)，不可避免出現(xiàn)子信道信號(hào)相互干擾，如何消除各種干擾稱為噪音降解。
二、噪信降解準(zhǔn)備之離散多音頻(DMT)技術(shù)
OFDM最先采用頻率不同的子路載波傳輸單個(gè)高容量信息流，而不是分別用各路徑傳輸相異子信息流，那種情況下，發(fā)射端采用并行發(fā)射，單一信道內(nèi)可將此種并行發(fā)射傳送技術(shù)與單載波高容量串行傳送進(jìn)行比較，若簡(jiǎn)單借助多組發(fā)射機(jī)和接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，成本會(huì)非常高，后來(lái)人們實(shí)現(xiàn)了將9點(diǎn)的QAM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于多載波調(diào)制系統(tǒng)上，接收端使用子信道相關(guān)性檢測(cè)，子載波間的頻率間距取決于碼元編解速率，使頻譜利用率達(dá)到了優(yōu)化。
離散傅氏變換技術(shù)是將輸入信號(hào)分組，使各組數(shù)據(jù)包含n個(gè)復(fù)數(shù)碼元，每組的一個(gè)復(fù)數(shù)碼元占用一個(gè)子信道，接收端先對(duì)輸入信號(hào)取樣，然后對(duì)每組數(shù)據(jù)實(shí)施離散傅里葉變換，復(fù)原原信號(hào)。這種模式的OFDM稱為DMT，即離散多音頻，DMT技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)是基于FFT算法的優(yōu)越性，理論上講，n碼元FFT僅耗用 nlogn次乘法運(yùn)算，直接采用DFT所需的運(yùn)算為n2量級(jí)。
近20年來(lái)，OFDM技術(shù)，特別是DMT技術(shù)，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到各種通信技術(shù)中，如今，DMT已被用作ADSL的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
三、多載波信道噪音降解
OFDM技術(shù)配合適當(dāng)?shù)木幋a技術(shù)及交織技術(shù)，可有效抵抗無(wú)線信道的干擾，在無(wú)線通信高速傳輸技術(shù)中，頻率響應(yīng)曲線一般不是平坦的，OFDM的主要想法是將給定信道在頻域內(nèi)分解成相互正交的子信道，每個(gè)子信道用一個(gè)子載波調(diào)制，各子載波并行傳輸。即使總信道不是平坦的，但能保證每個(gè)子信道的相對(duì)平坦性，由于子信道窄帶傳輸，信號(hào)帶寬顯著小于信道帶寬，大大消除了子信號(hào)間的干擾。
將高速率、高容量的數(shù)據(jù)流分解為多子路徑低速率、低容量數(shù)據(jù)流，各子信號(hào)流數(shù)據(jù)采用相互獨(dú)立調(diào)制并迭加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)，由于信道速率及容量降低，同時(shí)碼元周期增大，多徑干擾將較少地遺傳到下一碼元，這樣就降低了多徑時(shí)延在信號(hào)碼元中所占百分比，削弱了多徑干擾對(duì)信號(hào)傳輸系統(tǒng)的影響。實(shí)驗(yàn)顯示，依據(jù) 802.11a標(biāo)準(zhǔn)指定的編碼交織工序以及對(duì)應(yīng)的解碼解交織工序，完全恢復(fù)了原來(lái)的信息信號(hào)。下圖是示波器所顯示的雙探頭觀測(cè)結(jié)果，比較兩路波形，信號(hào)在靈敏度內(nèi)不見(jiàn)有差異。
要加快OFDM功率譜帶之外的部分下降速度，需對(duì)OFDM符號(hào)實(shí)施加窗處理，加窗處理可以使周期邊緣幅度漸變至零，升余弦窗函數(shù)表示為式(1)：
(1)Ts指加窗前的符號(hào)長(zhǎng)度，β為滾降因子，(1+β)Ts指加窗后的符號(hào)長(zhǎng)度。
下面的式(2)常用來(lái)刻畫(huà)OFDM之輸出信號(hào)的等效
由式(2)所刻畫(huà)的OFDM信號(hào)有一個(gè)缺點(diǎn)：功率譜帶外干擾衰減速度太慢，雖然增加子載波數(shù)可加快功率譜帶外干擾衰減速度，但若不采用加窗技術(shù)，效果仍不夠理想。
實(shí)際通信過(guò)程中，加窗過(guò)程如下：
(1)在n數(shù)字調(diào)制好的信號(hào)符后面補(bǔ)零，形成n個(gè)輸入樣本值序列。
(2)對(duì)樣本值序列實(shí)施IFFT運(yùn)算，將輸出信號(hào)最后的前綴分別植入對(duì)應(yīng)的OFDM符號(hào)之前，再將IFFT輸出信號(hào)最前面Tpostfix樣值植入到OFDM符號(hào)之后。
(3)將OFDM符號(hào)與式子(1)定義的升余弦窗函數(shù)棕(t)時(shí)域相乘。
(4)將經(jīng)加窗后的OFDM符延時(shí)Ts，與前一個(gè)經(jīng)加窗后的OFDM符號(hào)相加，相鄰的兩個(gè)OFDM符號(hào)之間會(huì)存在寬帶為βTs的重疊區(qū)。
多載波調(diào)制(MCM)技術(shù)是將具有某一帶寬的非線性信道分解為N個(gè)近似子信道，每個(gè)子信道是近似線性的，每個(gè)子信道以低速碼(1/N碼元速率)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，低速率傳輸數(shù)據(jù)碼元周期長(zhǎng)，只要時(shí)延值與碼元周期的比值小于某一定值，符間串?dāng)_就不會(huì)明顯。本質(zhì)上講，MCM對(duì)信道的時(shí)延擴(kuò)散不敏感，用MCM即使不采用均衡器也可獲得較好的性能。
由香農(nóng)公式可知，子信道頻率響應(yīng)為近似線性信道時(shí)，信道容量幾乎達(dá)到最大值。每個(gè)子信道中，發(fā)射功率譜密度可依據(jù)信道特性決定，各信道獨(dú)立編碼，再采用適應(yīng)于該子信道映射模式實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸———信噪比較高時(shí)采用MQAM映射模式，信噪比較低時(shí)采用BPSK或QPSK的映射模式。另外，頻率間距Δf足夠小時(shí)，C(f)幾乎為常數(shù)，接收端不必要采用均衡算法補(bǔ)償，此時(shí)符間串?dāng)_已經(jīng)可以忽略。
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