¿Cuáles son los principios básicos de OFDM?
La historia del desarrollo de 1.1
En la década de 1970, Weinstein y Ebert desarrollaron un sistema completo de transmisión multiportadora utilizando la transformada discreta de Fourier (DFT) y el método rápido de Fourier (FFT). , llamado sistema de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM).
OFDM es la abreviatura de Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal. La multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) es un esquema especial de transmisión multiportadora. En OFDM, la transformada discreta de Fourier (DFT) y su transformada inversa (IDFT) se utilizan para resolver el problema de generar múltiples subportadoras ortogonales y recuperar la señal original de las subportadoras. Esto resuelve el problema de la transmisión y transmisión del sistema de transmisión multiportador. La aplicación de la transformada rápida de Fourier reduce en gran medida la complejidad de los sistemas de transmisión multiportadora. Desde entonces, la tecnología OFDM ha comenzado a volverse práctica. Sin embargo, la aplicación de sistemas OFDM todavía requiere una gran cantidad de procesos complejos de procesamiento de señales digitales, y en ese momento había pocos dispositivos con potentes funciones de procesamiento digital, por lo que la tecnología OFDM no se desarrolló rápidamente.
En los últimos años, con el rápido desarrollo de circuitos digitales integrados y dispositivos de procesamiento de señales digitales, así como la demanda cada vez más urgente de comunicaciones inalámbricas de alta velocidad, la tecnología OFDM ha vuelto a llamar la atención. En la década de 1960, se propuso el concepto de utilizar transmisión de datos en paralelo y multiplexación por división de frecuencia (FDM). En 1970, Estados Unidos solicitó e inventó una patente. La idea es utilizar la multiplexación por división de frecuencia de datos paralelos y la superposición de subcanales para eliminar la dependencia de la ecualización de alta velocidad, resistir el ruido impulsivo y la distorsión por trayectos múltiples y aprovechar al máximo. ancho de banda. Esta tecnología se utilizó inicialmente principalmente en sistemas de comunicaciones militares. Sin embargo, durante mucho tiempo, el ritmo de la teoría OFDM que se traslada a la práctica se ha ralentizado. Debido a que las subportadoras de OFDM son ortogonales entre sí, se utiliza FFT para lograr esta modulación. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, la complejidad del equipo de transformada de Fourier en tiempo real, la estabilidad de los osciladores del transmisor y del receptor y los requisitos de linealidad del amplificador de potencia de RF se convierten en limitaciones de la tecnología OFDM. En la década de 1980, MCM logró un gran avance. Los circuitos integrados a gran escala hacen que la realización de la tecnología FFT ya no sea un obstáculo insuperable, y también se han resuelto parcialmente otras dificultades que eran difíciles de realizar. Desde entonces, OFDM ha entrado en la etapa de comunicación y gradualmente ha entrado en el campo de las comunicaciones móviles digitales de alta velocidad.
Aplicaciones de 1.2
Debido a la viabilidad de la tecnología, OFDM se utilizó ampliamente en diversas transmisiones y comunicaciones digitales en la década de 1990, como canales FM inalámbricos móviles y altas velocidades de bits para abonados digitales. Line System (HDSL), sistema de línea de abonado digital asimétrica (ADSL), sistema de línea de abonado digital de muy alta velocidad de bits (HDSI), radiodifusión de audio digital (DAB), radiodifusión de vídeo digital (DVB) y sistema de transmisión terrestre HDTV. En 1999, IEEE802.lla adoptó un estándar de LAN inalámbrica, que utiliza tecnología de modulación OFDM como estándar de capa física, de modo que la velocidad de transmisión puede alcanzar los 54 MbPs. Esto puede proporcionar una interfaz ATM inalámbrica de 25 MbPs y una interfaz de estructura de trama inalámbrica Ethernet de 10MbPs para admitir servicios de voz, datos e imágenes. Esta tasa puede satisfacer completamente aplicaciones interiores y exteriores. El estándar LAN de la red de acceso por radiofrecuencia de banda ancha de la ETSl también define OFDM como su tecnología estándar de modulación.
En 2001, IEEE802.16 aprobó el estándar de red de área metropolitana inalámbrica, que se divide en línea de visión y sin línea de visión según diferentes bandas de frecuencia.
Se utilizan bandas de frecuencia con y sin licencia porque las longitudes de onda en esta banda son más largas y adecuadas para la propagación sin línea de visión. En este momento, el sistema tendrá un fuerte efecto multitrayecto y aún existen problemas de interferencia en la banda de frecuencia sin licencia. Por lo tanto, el sistema utiliza modulación OFDM, que tiene ventajas obvias para resistir efectos multitrayecto, desvanecimiento selectivo de frecuencia o interferencia de banda estrecha y múltiples. El método de acceso es OFDMA. Luego, el estándar IEEE802.16 se desarrolla cada año. En febrero de 2006, IEEE802.16e (estándar de interfaz aérea de acceso a la red de área metropolitana inalámbrica de banda ancha móvil) formó la publicación final. Por supuesto, el método de modulación utilizado es OFDM.
En junio 5438+065438+octubre de 2004, de acuerdo con los requisitos de muchos operadores de comunicaciones móviles, fabricantes e instituciones de investigación, 3GPP aprobó un proyecto llamado Long-term Evolution (LTE), es decir, "3G a largo plazo". evolución". El objetivo de este proyecto es formular especificaciones técnicas para sistemas de evolución 3G. Después de intensas discusiones y una difícil integración, 3GPP finalmente seleccionó la tecnología de transmisión básica de LTE en junio de 2005 y febrero de 2005, a saber, OFDM de enlace descendente y SC de enlace ascendente. Debido a la madurez de la tecnología, se seleccionó OFDM como estándar posterior y rápidamente se alcanzó un entendimiento integral. Con respecto a la elección de la tecnología de enlace ascendente, debido a la relación pico-promedio (PAPR) de OFDM, algunos proveedores de equipos creen que aumentará el costo del amplificador de potencia y el consumo de energía del terminal, y limitará el tiempo de uso del terminal. se puede limitar mediante filtrado, recorte de picos, etc. El objetivo de B3G/4G es soportar velocidades de transmisión de datos de enlace descendente de hasta 100 Mb/S en entornos móviles de alta velocidad y 1 Gb/S en entornos interiores y estáticos. En 2010, la primera red experimental a gran escala TD-LTE-A del mundo se abrirá a los medios de comunicación en la Exposición Mundial de Shanghai. 4G se basa en una combinación de tecnologías OFDM y MIMO, pero la estructura general es diferente. Hay dos conjuntos de estándares basados en OFDM y MIMO, uno es IEEE802-16M y el otro es la tecnología LTE-Advanced que es una de las tecnologías centrales clave.
Ventajas y desventajas de 1.4
Ventajas: OFDM tiene muchas ventajas técnicas como las siguientes. Utilizada en 3G y 4G, tiene muchas ventajas en la comunicación:
(1) La tecnología OFDM también puede enviar una gran cantidad de datos dentro de un ancho de banda estrecho y puede separar al menos 1000 señales digitales al mismo tiempo. que gira en torno a la señal interferida. La capacidad de operar de forma segura amenazará directamente el mayor desarrollo y crecimiento de la tecnología CDMA que ya es popular en el mercado. Precisamente debido a esta "capacidad de penetración" especial de la señal, la tecnología OFDM es amada y bienvenida por los operadores de comunicaciones y fabricantes de teléfonos móviles europeos, como Cisco Systems, el Instituto de Tecnología de Nueva York y el Instituto de Tecnología Lucent en California, y el Politécnico Welland de Canadá. También han adoptado esta tecnología.
(2) La tecnología OFDM puede monitorear continuamente cambios repentinos en las características de comunicación en el medio de transmisión. Dado que la capacidad de las rutas de comunicación para transmitir datos cambia con el tiempo, OFDM puede adaptarse dinámicamente, activando y desactivando los operadores correspondientes para garantizar una comunicación continua y exitosa. Esta tecnología puede detectar automáticamente qué señal portadora específica en el medio de transmisión tiene una gran atenuación o un pulso de interferencia y luego toma las medidas de modulación apropiadas para permitir una comunicación exitosa de la portadora en la frecuencia especificada.
(3) La tecnología OFDM es particularmente adecuada para edificios de gran altura, lugares densamente poblados y geográficamente prominentes, y áreas donde se propagan señales. Tanto la transmisión de datos de alta velocidad como la radiodifusión de voz digital esperan reducir el impacto de los efectos de trayectos múltiples en las señales.
(La mayor ventaja de la tecnología OFDM es su resistencia al desvanecimiento selectivo de frecuencia o a la interferencia de banda estrecha. En un sistema de una sola portadora, un solo desvanecimiento o interferencia hará que falle todo el enlace de comunicación, pero en un sistema multiportadora, solo una pequeña cantidad de La portadora será interferida. También se pueden utilizar códigos de corrección de errores para corregir estos subcanales.
(5) La tecnología OFDM puede resistir eficazmente la interferencia entre las formas de onda de la señal y. es adecuado para datos de alta velocidad en entornos de múltiples rutas y canales con desvanecimiento. Cuando el canal sufre un desvanecimiento selectivo de frecuencia debido a la transmisión de múltiples rutas, solo las subportadoras y la información que transportan, y otras subportadoras no se dañan, por lo que el bit general. El rendimiento de la tasa de error del sistema es mucho mejor.
(6) La tecnología OFDM tiene una fuerte capacidad anti-desvanecimiento a través de la codificación conjunta de cada subportadora. La propia tecnología OFDM aprovecha la diversidad de frecuencia del canal. Si el desvanecimiento no es particularmente severo, no es necesario agregar un ecualizador en el dominio del tiempo. La codificación conjunta de cada canal puede mejorar el rendimiento del sistema.
(7) La tecnología OFDM puede hacer que la tasa de utilización del canal sea muy alta, lo cual es particularmente importante en entornos inalámbricos con recursos de espectro limitados cuando el número de subportadoras es grande, la tasa de utilización del espectro del sistema tiende a aumentar; 2 baudios/hercios.
Desventajas: Aunque OFDM tiene las ventajas anteriores, su mecanismo de modulación de señal también causa algunas desventajas en el proceso de transmisión de señales OFDM:
(1) Ruido de fase y compensación de frecuencia portadora Muy sensible .
Ésta es una deficiencia fatal de la tecnología OFDM. Todo el sistema OFDM requiere estrictamente ortogonalidad entre subportadoras. Cualquier pequeño desplazamiento de frecuencia de la portadora destruirá la ortogonalidad entre las subportadoras y provocará ICI. Asimismo, el ruido de fase también puede provocar la rotación y dispersión de los puntos de la constelación de símbolos, lo que da lugar a ICI. Sin embargo, los sistemas de un solo operador no tienen este problema. El ruido de fase y el desplazamiento de la frecuencia portadora solo reducirán la relación señal-ruido de recepción y no causarán interferencia mutua.
(2) La relación pico-promedio es demasiado grande
Las señales OFDM se componen de múltiples señales subportadoras, y estas señales subportadoras se modulan de forma independiente mediante diferentes símbolos de modulación. En comparación con el método tradicional de modulación de envolvente constante, la modulación OFDM tiene un factor de cresta más alto. Debido a que la señal OFDM es la suma de muchas señales pequeñas, las fases de estas pequeñas señales están determinadas por la secuencia de datos a transmitir. Para algunos datos, estas pequeñas señales pueden estar en fase, pero sumadas en amplitud para producir una gran amplitud máxima instantánea. Sin embargo, si el PAPR es demasiado grande, aumentará la complejidad de A/D y D/A y reducirá la eficiencia del amplificador de potencia de RF. Al mismo tiempo, en el extremo del transmisor, la potencia de salida máxima del amplificador limita el valor máximo de la señal, lo que provocará interferencias dentro de la banda de frecuencia OFDM y entre bandas de frecuencia adyacentes.
(3) El rango lineal requerido es amplio
Dado que la relación de potencia pico a promedio (PAPR) del sistema OFDM es mayor y más sensible a la amplificación no lineal, el OFDM El sistema de modulación es Los requisitos de rango lineal son más altos que los de los sistemas de portadora única.