正交頻分複用技術(OFDM)技術前景廣闊


正交頻分複用技術(OFDM)的應用已有近 40 年的歷史,第一個 OFDM 技術的實際應用是軍用的無線高頻通信鏈路。但這種多載波傳輸技術在雙向無線資料方面的應用卻是近十年來的新趨勢。經過多年的發展,該技術在廣播式的音頻和視頻領域已得到廣泛的應用。主要的應用包括:非對稱的數位用戶環路(ADSL)、ETSI 標準的音頻廣播(DAB)、數位視頻廣播(DVB)等。OFDM 由於其頻譜利用率高、成本低等原因越來越受到人們的關注。隨著人們對通信資料化、寬頻化、個人化和移動化的需求,OFDM 技術在綜合無線接入領域將越來越得到廣泛的應用。正交頻分複用技術(OFDM)是一種多載波數位調製技術,雖然 OFDM 的概念已經存在了很長時間,但是直到最近隨著多媒體業務的發展,它才被人們認識到是一種實現高速雙向無線資料通信的良好方法。隨著 DSP 晶片技術的發展,傅立葉變換/反變換、高速 Modem 採用的 64/128/256 QAM 技術、柵格編碼技術、軟判決技術、通道自適應技術、插入保護時段、減少均衡計算量等成熟技術的逐步引入,人們開始集中越來越多的精力開發 OFDM 技術在移動通信領域的應用,預計第三代以後的移動通信的主流技術將是 OFDM 技術。
 

OFDM:在干擾中傳送信號的技術
住宅輸電線是世界上分佈最廣泛的網路。但是,由於線路雜波干擾非常大,在交流輸電線上進行通信則非常困難。現在一些公司致力於發展一種在雜波干擾下傳送信號的技術,而不是試圖消除雜波干擾。其中之一就是採用正交頻分多路技術(OFDM)。OFDM 是 HPA 聯盟(HomePlug Powerline Alliance)工業規範的基礎。它是一種不連續的多音調技術,將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合併成單一的信號,從而完成信號傳送。
在儘量加大資料位元的同時儘量縮短傳送的時間,這樣可以增加資料的吞吐量。當對每個載波完成調製以後,OFDM 引擎將包含所有待發送資料信號位元的載波合併為一個信號,然後進行發送。例如:HomePlug 技術將資料信號位元調製到介於 4 MHz 和 21 MHz 的 84 個獨立的頻率上。
HomePlug 技術通過對獨立的調製載波和輸電線傳輸介質的特性進行比較,來提高 OFDM 的基本應用性能。然後,確定在此傳輸介質下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈衝,而這樣的衰減或脈衝會影響載波成功傳送資料的能力。HomePlug 技術據此自動地確定一個能保證成功通信的門限,以便與傳輸介質的特性相適應。如果衰減或雜波干擾非常大,使得某個頻率不能進行成功的通信,HomePlug 將不會使用此頻率的載波。
HomePlug 技術不間斷地監控輸電線介質上通信特性的突然變化。由於通信路徑傳送資料的能力會隨時間發生變化,所以 HomePlug 動態地與之相適應,並且接通和切斷相應的載波以保證持續地進行成功的通信。
除了變化的輸電線傳輸特性,隨時可能出現的、一般僅持續約一毫秒的雜波脈衝也會破壞資料流程。由於其隨機特點,簡單地適應不能夠及時地減輕此問題,因此,使用了快速糾錯功能。通過綜合使用多種糾錯法,此技術能夠重建所有在傳送過程中遭到破壞的信號資料位元。
 

OFDM 技術概念
所謂 OFDM 技術 其實是 Orthogonal Frequency Division Multiplexing 的英文縮寫,其具體意思為直角頻率多路傳輸分割複用技術。這種技術將無線通信傳輸信號分割成了多個副載波進行傳輸,而每個副載波由於僅僅攜帶了很小一部分的資料負載,這樣的話 OFDM 技術就能利用更長的符號週期,從而使通信傳輸信號更不容易受到多徑傳輸的干擾或者其他外界的特殊干擾。當然,OFDM 技術除了通過分割載波的方法來增強通信的抗干擾外,它還通過提高載波頻譜利用率的方法來提高通信的穩定性。這種技術通過對多載波的調製改進,讓各子載波相互正交,於是擴頻調製後的頻譜可以相互重疊,從而減小了子載波間的相互干擾。在對每個載波完成調製以後,為了增加資料的吞吐量,提高資料傳輸的速度,它又採用了一種叫作 HomePlug 的處理技術,來對所有將要被發送資料信號位元的載波進行合併處理,把眾多的單個信號合併成一個獨立的傳輸信號進行發送。OFDM 技術比較突出的地方就是即使在窄帶帶寬下也能夠發出大量的資料。正在籌備之中的數碼地面波電視播放以及正在開發中的高速無線 LAN"IEEE802.11a"都預定採用這項新技術。另外 OFDM 技術能同時分開至少 1000 個數位信號,而且在干擾的信號周圍可以安全的運行的能力將直接威脅到目前市場上已經開始流行的 CDMA 技術的進一步發展壯大的態勢,正是由於具有了這種特殊的信號"穿透能力"使得 OFDM 技術深受歐洲通信營運商以及手機生產商的喜愛和歡迎,例如加利福尼亞 Cisco 系統公司、紐約 Flarion 工學院以及朗訊工學院等開始使用,在加拿大 Wi-LAN 工學院也開始使用這項技術。OFDM 技術能夠持續不斷地監控傳輸介質上通信特性的突然變化。由於通信路徑傳送資料的能力會隨時間發生變化,所以 OFDM 能動態地與之相適應,並且接通和切斷相應的載波以保證持續地進行成功的通信;而且該技術可以自動地檢測到傳輸介質下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈衝,然後採取合適的調製措施來使指定頻率下的載波進行成功通信;在高層建築物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號撒播的地區,高速的資料傳播及播音都希望刪除多路影響,因此 OFDM 技術也特別適合使用在這些地方。現在 OFDM 技術作為一種能夠使運營商節省頻寬資源並提供高品質資料通信服務的技術,將與目前被炒得異常火爆的 CDMA 技術,一起競爭第三代移動通信標準的主角。由於OFDM 技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力,因此常常會被利用在容易外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中,因此這種技術在未來將是非常有前途的,實際上,如果該技術能在大範圍地被應用,它將比我們實際所想像的滲透力更強,它的優越性在於它能克服干涉造成的障礙。
 

通信特點
OFDM 的重要性不僅僅在於它是 IEEE802.11a 等其他高性能無線技術的基礎,更重要的是 OFDM 技術與傳統的相關技術相比存在下面的優勢特點:
  • OFDM 調製頻帶利用率高、抗脈衝雜訊特性好,不過該系統網路上要有數位信號處理器來提供高速資料服務,系統實現起來相對複雜一點;
  • OFDM 技術能夠應對隨時可能出現的干擾信號,它可對使用多種頻率方面存在的一些問題進行快速修正,並可以對那些在通信傳輸過程中遭到破壞的信號資料位元進行自動重建;
  • OFDM 技術通過在複數的高速的射頻上對傳送的信號進行編碼,讓被傳輸的信號在傳輸過程中不容易被竊取,從而保證信號傳送具有更高的安全性;
  • OFDM 技術對傳輸線路上的多路徑外界信號干涉有較強的抵抗力,它不僅可以克服信號傳輸的障礙,而且還能提高通信傳輸的速度,因此在一些惡劣環境中通訊它將非常有吸引力;
  • OFDM 技術每赫茲的帶寬更高,這樣無線系統的容量也就更大,而且它抗信號衰落性能更好,目前 OFDM 技術已經被採用在無線局域網環境中,在未來該技術能使無線通信速度達到 10 Mbit/s 左右;
  • OFDM 技術通過提供佇列服務,來解決了在移動傳輸高速資料時所引起的無線通道性能變差的問題,從而克服傳輸介質中外界信號的干擾,提高傳輸通道的通信品質;
  • OFDM 技術既可用於移動的無線網路,也可以用於固定的無線網路,它通過在樓層、使用者、交通工具和現場之間的信號跳換,解決其中的資訊衝突問題。