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正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

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OFDM即正交頻分複用;

正交從向量的角度看,即兩個向量成直角:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

那向量的正交意味着什麼呢?

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

正交的向量意味着兩向量之間是互不相關的,其中任意一個向量無論怎麼變化,它在另一個向量上的投影始終是一個點,而如果它們不是正交,而是有一定的傾斜,那麼一個向量的變化,其在另一個向量上的投影就會不斷變化。

換句話說,就是兩向量之間有關聯。

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

上面是一種正交的定義,關于正交的定義還有如下一種:

在n維空間中,如果兩向量之間的內積為零,則稱兩向量之間是正交的。

在三維空間中,任何一個向量在三個次元上都有分量,內積指的是任意兩個向量的分量相乘後再相加:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

如果內積為零,那麼這兩個向量一定是垂直的:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

這個推廣到n維空間,也是如此。

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

如何推廣到正交編碼呢?

可以把碼組看成向量,碼組内的碼元看成分量,比如碼組X和碼組Y:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

如果碼元相加再相乘為零,那麼就說這兩個碼組是正交的。

作為例子,計算下面兩個碼組是不是正交的:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

由上面計算結果可知,二者是正交碼組。

因為在二進制碼組中,通常是用0代替1,1代替-1的,是以對于0,1為碼元的碼組,不能直接用內積為零來判斷正交與否,而要作相應的變換,這個課後了解。

能不能将正交的概念推廣到連續的情形呢?

很簡單,如下:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

對于正弦載波而言,滿足這樣的一對信号,就是正交信号:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

但從定義來看,正交函數是互相關函數為零的函數;

正交信号的好處主要是因為比較獨立,互不相關,是以不互相幹擾,便于區分和接收,很快就會看到,正交信号還有其他的好處。

在信道一講<信道>,我們知道,如果信道帶寬,小于相幹帶寬,那麼就可以認為信号的傳輸過程是沒有頻率選擇性衰落的,也就是能有效抵抗多徑衰落,可是信号帶寬小,又意味着傳輸速率低,為了既能高速傳輸資料,又能有效避免多徑衰落,人們很自然的想到,可以将高速資料,分成低速多路資料,再經過多路載波發送,到接收端再将這多路低速的資料合成一路高速資料:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

這就是頻分複用的概念。

如果這些載波是互相正交的話,就稱為正交的頻分複用。

根據前面正交的定義,如果要求載波之間互相正交,那麼必須滿足它們之間的積分為零。

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

可以驗證,這樣的一組載波信号互相正交:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

是以我們可以從這些載波裡挑一些出來,構造OFDM,

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

這樣所有子載波就滿足正交關系了。

資料進來後,先經過串并轉換,将高速資料變為多路低速資料,然後分别調制到不同的正交載波上,再相加,然後通過信道送出去,接收端采用相關接收,相關器由乘法器和積分器構成,接收子信道的載波與發送子信道是一一對應的:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

之是以要正交,是因為對應子載波的信号相乘在積分才有輸出:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

而别的子載波信号因為和它正交,輸出為0,也就是沒有輸出:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

這就是正交信号的好處之一。

根據歐拉公式指明的複指數函數與三角函數之間的關系,我們還可以把這一對對的餘弦函數和正弦函數用複指數函數表示成如下圖示:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)
正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

(注意,經過這般變換後di也就成了複信号了,這樣經過複指數信号調制後相加再取實部,才能等價于隻用餘弦函數調制調制後的信号。)

各子信道之間一樣是正交的,一般各子信道的資料波形是方波,是以它們的頻譜都是這樣的:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

經過調制後,頻譜被搬到各載波的中心頻率上:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

經過相加後,合成信号的頻譜是這樣的:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

每以子信道頻譜的最大值處,其他子信道頻譜恰好為0,這說明多個子信道頻譜之間是不存在幹擾的,

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

如果多個基帶信号之間的頻譜稍微變寬一些,零點就不會出現在最大值處,那不就産生幹擾了。

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

正是如此,要特别注意,相鄰子載波之間的頻率間隔要等于輸入碼元持續時間的倒數:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

正交信号的第二個好處是什麼呢?

對于下面的這個頻譜圖,為了便于分析,可将拖尾截掉,如下:

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

可見,每個子信道的頻譜與相鄰子信道的頻譜有二分之一的重合,

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

這比正常的頻分複用系統節省了将近一半的帶寬;

正交頻分複用(OFDM)初步(原理)

沒錯,單純這一點,就足以讓人有欲望發展OFDM,何況,它還可以有效的對抗多徑衰落。

可以根據信道情況,在不同的子信道上使用不同的調制方法,使信道的頻譜效率和誤碼率達到最佳的平衡。

OFDM早在上世紀五十年代就有所應用,知識礙于當時的技術條件,裝置的實作相當複雜,特别是子信道數目較大時,