OFDM—无线通讯的基础

admin

802.11a和802.11g的数据传输优势主要归功于它们采用了正交分频复用技术(OFDM)作为其调制技术，从而可避免在家庭联网中的多径效应。
什么是多径效应？
        当传输信号在墙壁、家俱及其它室内物体上进行反射时会产生多径效应。在这种情况下，传输信号并非通过单一的直接路径到达接收器，而是经过了多个不同路径。信号从发射器到接收器所经历的每条路径长度都不同，因此每个信号的延迟都有所不同。最终接收到的信号实际上是个多次迭加而产生的信号，每个迭加信号都在不同时刻到达接收器，每个迭加信号的强度均不相同。
        假设最初与最末到达接收器的两个信号之间的最大延迟为Tmax(称为支路延迟)，如果在每个时间间隔T内发送器发送一个离散数据块(一个码)。在这种情况下，每个接收到的码便可能被混迭了多达Tmax/T次，我们把这种效应通常称为码间干扰(ISI)。对接收器来说，纠正一个较大的码间干扰的实现成本很高。支路延迟是一种环境效应，无法通过接收器来改变，唯一的方法便是增加传输码的间隔时间T。但这样会降低传输速率，这与高速传输的宗旨相驳。在这种背景下出现了正交频分多路复用技术，简称为OFDM。
        OFDM可以满足两方面要求，第一它不是在一个时间间隔内用一个频率(或载波)来传输信息，而是将传输信息分配到N个子载波传输，每个子载波的时间间隔增加了N倍(或传输信息减少为1/N)。因此尽管每个单独的子载波的数据传输率降低为1/N，但由于有N个不同的载波并行传输，因此系统总的传输速率是一样的。第二，由于分成了N个子载波，Tmax/T率也下降为Tmax/(T×N)，这意味着每个子载波所能承受的多路径和ISI为原来的N倍。

        上图显示了单一频率，频分复用和正交频分多路复用。频分复用和正交频分多路复用都可以将信息分配到N个子载波传输，但是正交频分多路复用利用了频率的正交性干扰为零的特点，在有限的频宽内增加了子载波的数量，大幅增加了传输率。

        OFDM通过确保子载波之间相互正交来解决带宽的问题，上图解释了正交方法的原理。我们看到图中有三个子载波，每个均携带有调制信号。三个子载波组成一个OFDM码，然后发送到信道内。不过在实际的OFDM系统中，由于每个波形分别采用不同的相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)，这些波形的相位或振幅将有所不同。这里为了描述方便，所显示的子载波波形相位与振幅都一致。每个子载波的频谱由一个正弦函数表示，其特性是：当中央频率时振幅达到峰值，而在此频率的整数倍时振幅为零。由于在每个函数振幅达到峰值时，其它子载波对它的影响为零，因此OFDM接收器能有效地将每个子载波进行检波。正是由于这种正交性使得子载波可以紧密交迭从而有效地利用有限的频谱，最终实现54Mbps WLAN物理链接速率。