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OFDM应用

作者 :本站编辑更新时间:2014-8-23

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了OFDM相邻块之间的干扰(IBI),保持了载波间的正交性,同时循环前缀长度大于信道扩展长度,有效地抑制了符号干扰(ISI)。目前OFDM技术已在IEEE8.2.11a、ETSI BRAN HIPERLAN/2、本地多点业务分配系统(LMDS)、数字用户线路(ADSL/VDSL)、数据音频广播(DAB)、数据视频广播(DVB)、Digital Radio Mondial(DRM)中得到广泛应用。

目前正在研制的新一代并行体制调制解调器采用OFDM技术,通过加入保护间隔,可以有效消除ISI,降低均衡的复杂度。下面介绍OFDM在短波通信中的应用情况以及仍需解决的几个关键问题。

2 基于OFDM体制的几个短波通信具体应用

随着基带信号处理能力的提高和用户对带宽需求的增加,在过去几年里HF数据传输速率大幅度提高,加拿大CRC的试验工作是在3kHz带宽实现9600bps传输速率的第一个成功尝试。随后由美国的Harris公司、通用航天航空防务公司、法国的Thomson公司和德国的Daimler-Chrysler航空航天部门在高速HF数据通信领域做了许多有意义的工作,当前已能提供9600bps以上的传输速率。

提高通信速率是HF通信领域研究的一个主要方向。HIL-STD-188-110B在2400bps以上传输速率中,提供从3200、4800、6400、8000、9600、12800bps(无编码)的传输服务,STANG5066也支持高速HF数据通信业务。在并行和串行两种调制方式中寻找新的发送波形和新的编码方式是提高HF通信速率的关键。由于OFDM技术具有较强的抗多径干扰的能力,能够有效地抑制ISI和子载波干扰(ICI),已被成功应用于DRM中。值得注意的是DRM同样使用短波频段(3~30MHz)传输音频和数据信息。下面研究OFDM在短波通信领域里应用比较成功的几个例子。

2.1 英国Racal Research Limited的实现途径

在战术电台环境下,VHF(30~300MHz)通信是常采用的一种规范;但在复杂的地形条件下,VHF通信有时会出现障碍,此时可以尝试采用接近垂直入射(NVIS)的短波电台建立通信联系。英国的Racal Research Limited开发出一种适应于HF NVIS信道的并行体制调制解调器。它采用OFDM技术,子载波个数为56,信号的调制方式250QAM、64QAM、16QAM、FSK、PSK、SSB,在3kHz带宽上实现无编码最高传输速率16kbps,能够在多普勒扩展1Hz、延迟扩展5ms的HF NVIS信道条件下正常工作。该调制解调器是在快速DSP原型平台上实现的,系统采用了Motorola的定点DSP56300处理器,通过软件无线电技术使得设计复杂度大为降低。

此外,为进一步检验采用OFDM技术的调制解调器的实际性能,1999年6月,在DERA加拿大对CRC的串行调制解调器和Racal的并行体制调制解调器进行了三个星期的现场比对试验。发射机是10kW的DERA Cove电台,接收站点位于DERA的Malvern(距离140km)和Funtington(距离45km)。经过现场试验,两种调制解调器性能略有差异,在黎明OFDM比串行体制调制解调器性能好,在整个晚间误码率性能一直接低,在白天两种调制解调器工作都很好。由于两种调制解调器都没有采用FEC编码,误码率较高。

2.2 法国Thomson公司的实现途径

采用OFDM体制,子载波个数79,信道编码采用基于帧结构的turbo code编码方式,数据传输速率达9600bps。

每帧结构如下:

•每帧3个OFDM符号;

•每个OFDM符号有79个子载波;

•第1个OFDM符号有52个数据和27个导频符号;

•第2个OFDM符号有79个数据和0个导频符号;

•第3个OFDM符号有79个数据和0个导频符号;

•每个OFDM符号周期32.81ms;保护间隔6.15ms;

•子载波间隔37.5Hz,第1个子载波和最后1个子载波间隔2925Hz;

•短交织时间长度1.8s;长交织时间长度10.8s。

2.3 ARD9900调制解调器

该调制解调器是由环球无线电通信公司(Universal Radio Incorporation)推出的最新一代商用产品,具有传输数字语音、图像、数据的功能,语音编码部分采用先进的vocoder AMBE技术。主要参数如下:

•采用OFDN调制,子载波子数36,子载波间隔62.5Hz,信号调制方式OQPSK;

•基带信号带宽280~2530Hz;

•数据传输速率50baud/3600bps;

•每帧有3个OFDM符号,每个OFDM符号周期20ms,保护间隔4ms;

•FEC编码:内层卷积编码1/2,结束长度7,生成多项式[133,171]8;外层Reed-Solomon编码[44,36]8;

•具有图像、语音、数据加密功能。

2.4 一种满足地面和飞机通信标准的并行调制解调器

1998年国际民事飞行组织(ICAO)建立了地面与飞机联系的短波通信标准;SARPS for HF Datalink、AMCP/5-WP172。该标准采用单载波数据,最高传输速率达1800bps。S.Zazo等人对此进行改进,提出采用OFDM调制的两套新方案。第一种方法:每帧由3个OFDM符号组成,子载波个数16,一个用于信道探测的OFDM符号后接两个连续OFDM数据符号。第二种方法:每帧由一个用于信道探测的短OFDM符号和一个长OFDM数据符号组成;短OFDM符号由16个子载波组成,长OFDM符号由32个子载波组成。系统主要参数如下:

•信道编码:Reed-Solomon编码[63,45];

•信号调制方式:QPSK;

•短交织长度1.8s;长交织4.2s;

•方案一:子载波间隔175Hz,有效OFDM符号周期5.71ms,保护间隔2.62ms;

•方案二:子载波间隔87.5Hz,有效OFDM符号周期11.43ms,保护间隔3.93ms。

仿真结果表明:两方案在误比特率(BER)方面性能改善显著,同时还有效降低了前同步信号(preamble)和信道探测信号的长度,对于提高传输速率具有重要意义。

3 OFDM在HF通信实际应用中需要解决的几个关键性问题

由于短波带宽较窄,在MIL-STD-188-141B中定义的带宽为4kHz,通常语音带宽可以压缩至3kHz,因此目前串行体制的调制解调器可以在3kHz带宽实现9600bps以上的传输速率。考虑采用OFDM体制时,由于子载波个数有限,需要降低插入导频的密度,这就给信道估计带来一定的困难。以MIL-STD-188-110A中39音调制解调器为例,OFDM符号周期Ts=22.5ms,子载波频率间隔Δf=76.92Hz,对于最大时延扩展Td=4ms,最大多普勒扩展fd=σ=2Hz,需要每隔Nk=1/2fdTs=11.1≤个OFDM符号和在NL≤1/2TdΔf=1.6个子载波间插入导频。可见插入导频的方式值得深入研究,文献提出一种在时域、频域内采用六角形插入的导频方式,比矩形插入方式更为有效。降低插入导频密度的另外途径是采用最大似然译码方法改进信道估计和解调的性能。

另外,信道编码方式也需要深入研究。采用信道编码直接降低了有效通信速率,目前短波中大多采用删除型卷积编码方式,如MIL-STD-188-141B中采用生成多项式(133,171)约束长度7,1/2码率输出的卷积码,经删除后输出码率为3/4。而其它编码方式,如网格编码(TCM)、turbo码、分组trubo码(Block Turbo Code)、多层卷积编码(Multievel Convolutional Codes)也可能是更有效的方式。

虽然OFDM对抗多径干扰具有较好的性能,但是OFDM也存在如下缺点:(1)存在较高的峰值平均功率比(PAR);(2)对载波频偏移敏感,对同步要求高,如果考虑保密通信,在保持OFDM载波同步、符号同步和采样同步的前提下,跳速通常低于100跳/秒,容易被地方跟踪上。

目前单载波短波通信传输速率已达到9.6kbps,对均衡的要求很高,若要进一步提高传输速率已经很难了,OFDM技术能够将频率选择性衰落信道转化为平衰落信道,具有较强的抗ISI能力。可以预计,在未来提高短波通信速率方面OFDM将是一个研究的主要方向。本文对OFDM技术在短波通信领域的实际应用做了一个综述性回顾,并指出在OFDM实际应用中需要解决的关键性问题。





什么是OFDM




   OFDM的英文全称为Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing,中文含义为正交频分复用技术。这种技术是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。

   其实,OFDM并不是如今发展起来的新技术,OFDM技术的应用已有近40年的历史,主要用于军用的无线高频通信系统。但是,一个OFDM系统的结构非常复杂,从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代,人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制,简化了系统结构,使得OFDM技术更趋于实用化。80年代,人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入90年代以来,OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统,主要的应用包括:非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。

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