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COFDM正交频分复用技术和应用
作者:深圳安视源    发布于:2013-01-04 11:08:59    文字:【】【】【
COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing),即编码正交频分复用的简称,是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。它的实用价值就在于支持突破视距限制的应用,是一种在无线电频谱资源方面充分利用的技术, 可以对噪声和干扰有着很好的免疫力。其基本原理就是将高速数据流通过串并转换,分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。
编码(C)是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式,以适应不同重要性数据的保护要求;正交频分(OFD)指使用大量的载波(副载波),它们有相等的频率间隔,都是一个基本震荡频率的整数倍;复用(M)指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上,形成一个频道。
波形图如下:

COFDM(编码正交频分多路复用)是ETSI欧洲电信标准协会关于DVB-T数字视频地面广播及DAB数字音频广播的标准。 早期是用于军事无线电传输安全性之目的。近年来,基于COFDM技术的廉价的数字信号处理芯片已成为众多公司发展产品之首选。
上个世纪中期,人们提出了频带混叠的多载波通信方案,选择相互之间正交的载波频率作子载波,也就是我们所说的OFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想,OFDM既能充分利用信道带宽,也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案,单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流,每个码流都用一个子载波发送。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波,而是通过快速傅立叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。
OFDM技术属于多载波调制(Multi-CarrierModulation,MCM)技术。有些文献上将OFDM和MCM混用,实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道,它们的区别在于:OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道,频道利用率高;而MCM,可以是更多种信道划分方法。
OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波的调制,它的特点是各子载波相互正交,使扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而减小了子载波间的相互干扰。OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式,比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。OFDM技术使用了自适应调制,根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候,发射功率不变,可以增强调制方式(如64QAM),或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。
OFDM技术是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

1、单载波系统
在FDM传统的频分复用和TDM时分复用系统中,一个单一的无线电频率可以采用振幅、频率、相位调制或采用复合调制方式以传送数据流。为防止对临近信道产生的干扰需要拿出一段频谱空间作为保护频段 ,但增加保护频段会减少整个系统的吞吐量。
射频系统的设计必须考虑到最小的信号噪声比,以保证接收信号在背景噪声下所需要的性能。在强的干扰环境下(在同频本地多发信机工作的情况下)或在强的衰落环境下(在暴雨期间或金属物内),信号通常是不能被良好的接收的。
更为重要的是在同频工作下会有多径干扰产生的影响,它会使信号在建筑物之间、人群、移动的车辆、飞机或其它的方面产生多种反射而使信号传输中断,那么如何使接收机能够正确地接收这些信号? 假设这些多径射频信号的特性可以迅速地从一个瞬间到另一个瞬间进行变化,在设计上采用复杂的算法以及昂贵的电路技术能够处理这些问题,使得在上述环境下信号也能够得以良好的接收。

2、多载波系统 – COFDM
COFDM技术不使用单载波系统而是多载波系统,在同样的调制方式下,比如采用 QPSK、16-QAM 或 64QAM ,可以使之应用于单载波系统。但无论如何,数据的传输仍然是采用时分和频分方式 ,并工作在各自的子载波上,每个子载波都在特定的正交频率上,以增加潜在的数据吞吐量。尽管这时每个子载波的数据率低于单载波系统,但各个子载波的总的数据率要高于整个系统的数据率。DVB-T 标准已被广泛应用于欧洲和世界各国, 其中“2K” 版本 (1704 载波信号)应用于较强的干扰环境,“8K” 版本 (6816 载波信号) 应用于较低些的干扰环境。DAB 标准 应用于CD品质的音频和数据在移动环境下的规划和设计。其中有4个不同的工作方式, 在整个1.5MHz的信道上具有高达 1536 个载波的间隔, 其目的是为了提高对多普勒相移和多径干扰的免疫。
COFDM技术是关于前向纠错方法和数据信号处理过程的。它对干扰具有强的抵抗力。包括抗多径干扰。这些信号相对原始信号因传播距离而被延迟,相对于最大的期望延迟,保护间隔的配置就更长。这样就可以保证接收机从反射信号中区别有用的信号以正确地接收。
值得注意的是,实际上多径信号会给COFDM系统中带来好处, 如果原始信号被封锁,仅有多径信号被接收的话,这些信号会被用于接收机去获得想得到的数据。此外,即使个别的子载波不能完全地被接收, 数据纠错方式也能够使接收机从其它的子载波中获得足够的信息去重建缺少的数据。

3、移动性和双向数据
COFDM 技术是移动环境下应用的最佳选择。例如:UBS系统的COFDM 调制器在新加坡已被广泛应用于公交车的电视信号的传送,这项技术也被用于拉斯维加斯战时流动医院的实时移动视频图象的单向传送,以诊断病人。同时该项技术也能被应用于双向广播无线接入业务。包括数据、互联网接入、话音和传真等。

4、结论
COFDM 技术标准为增强频谱资源的利用率提供了一种有效的解决途径,特别是在强的干扰环境下。它可应用于单向或双向的固定或移动的数据网络环境 。
以前采用固定无线接入方式访问互联网的用户都知道一个道理:如果他们屋顶上的天线不在几公里/几十公里外的基站天线视线范围内的话,他们就接收不到信号。 但是现在WXKD新一代的固定无线双向系统可以突破这一限制,包括树丛、饰墙、甚至是金属片都不能阻挡它与基站天线的通信。这对于使用固定无线接入技术向用户提供高速互联网接入服务的人们来说无疑是一件好事。另外,这种新系统的安装也更加方便,用户可以自行安装天线,而不是象以前那样需要工程技术人员来调整它的角度以对准远端的天线。

无线电波的传播特性
无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有自由空间波,对流层反射波,电离层波和地波
表面波传播,就是电波沿着地球表面到达接收点的传播方式,如下图中1所示。

电波在地球表面上传播,以绕射方式可以到达视线范围以外。地面对表面波有吸收作用,吸收的强弱与带电波的频率,地面的性质等因素有关。
天波传播,就是自发射天线发出的电磁波,在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式。如下图中2所示。电离层对电磁波除了具有反射作用以外,还有吸收能量与引起信号畸变等作用。其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关。
散射传播,就是利用大气层对流层和电离层的不均匀性来散射电波,使电波到达视线以外的地方。如下图中4所示。对流层在地球上方约10英里处,是异类介质,反射指数随着高度的增加而减小。
外层空间传播,就是无线电在对流层,电离层以外的外层空间中的传播方式。如下图中的5所示。这种传播方式主要用于卫星或以星际为对象的通信中,以及用于空间飞行器的搜索,定位,更踪等。自由空间波又称为直达波,沿直线传播,用于卫星和外部空间的通信,以及陆地上的视距传播。视线距离通常为50km左右。
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