MIMO技術(四)OFDM技術

2021-10-25 18:48:06 字數 2929 閱讀 4886

學習正交頻分復用技術與mimo技術如何結合

ofdm定義如下:

「ofdm(orthogonal frequency division multiplexing)即正交頻分復用技術,其主要思想是:將通道分成若干正交子通道,將高速資料訊號轉換成並行的低速子資料流,調製到在每個子通道上進行傳輸。正交訊號可以通過在接收端採用相關技術來分開,這樣可以減少子通道之間的相互干擾 ici 。每個子通道上的訊號頻寬小於通道的相關頻寬,因此每個子通道上的可以看成平坦性衰落,從而可以消除符號間干擾。而且由於每個子通道的頻寬僅僅是原通道頻寬的一小部分,通道均衡變得相對容易。」

讀了上面的描述,我們一定還有很多的疑問:什麼叫「正交子通道」?怎麼做才能「把高速資料訊號轉換成並行的低速子資料流」?為什麼「子通道上的訊號頻寬小於通道的相關頻寬時,可以消除符號間干擾」?而「相關頻寬」、「符號間干擾」又是什麼呢?

- 符號間干擾(isi,inter-symbol interference)

既然ofdm可以消除符號間干擾(isi,inter-symbol interference),我們就來看看什麼是符號間干擾。

想象下面的場景:乙個男孩和乙個女孩隔山相望。男孩要向女孩表白,喊出那攝人心魄的三個字。在他們遠處,有另一座大山,能夠將他們的喊話形成回聲。就是說,男孩喊出的話,會經過兩條路徑傳到女孩的耳朵裡,乙個原聲,乙個回聲。當女孩聽到男孩喊出的「我」字的時候,「我」字的回音還在路上。然而下一時刻,當「愛」字的原音到達女孩那裡時,「我」字的回音恰好也到了。兩個聲音同時到達,混在了一起。我們假設「我」和「愛」兩個音混在一起會形成「討」字的音(這個假設實在是太壞了)。所以這一時刻,女孩聽到的是「討」字。同樣,再下一時刻,女孩會聽到「你」字的原音和「愛」字的回音混疊在一起的聲音,假設這次她聽到的是「厭」字。最後,女孩聽到 了「你」字的回音,轉身就走了。

好好的一句「我愛你」卻因為回聲的存在,被活生生「翻譯」成了「我討厭你」,讓相愛變成了分手。在現實無線通訊中,「符號間干擾」就扮演著「回聲」的角色。在傳送端和接收端之間,常常存在著不止一處的反射物,發出的訊號經過這些物體的反射、折射,會經過不同的路徑到達接收端,也就是我們常說的「多徑傳播」。路徑不同,傳播的距離自然不同,訊號到達接收端的時間也就不盡相同。如果這一時刻發出的符號因為多徑,延遲到了下一時刻才到達,就會與下一時刻的符號發生混疊,造成符號無法正確解出,這就是「符號間干擾」,也叫「碼間串擾」。

通過上面簡單的例子,我們已經感性的了解了「回聲」干擾「原聲」的成因。而且也能直觀的感覺到,要想避免兩個聲音的干擾,男孩只要放慢喊話的速度就好了,等乙個字的所有回聲都傳遞到了女孩耳朵裡,再喊出第二個。這樣一來,女孩聽到的就是「我,我…,愛,愛…,你,你…」,無非是多聽了幾個重複的字而已,不會因為出現字和字之間的干擾而造成誤會。但是,我們回看百科中ofdm的定義,卻發現它是這麼寫的:「當訊號頻寬小於通道的相關頻寬時,可以消除符號間干擾」。我們已經找到了從時間上避免符號間干擾的方法,那麼,它和「訊號頻寬」,「相關頻寬」之間又是什麼關係呢?

不要忘了頻寬的單位是赫茲(hz),而赫茲代表的數學含義是秒分之一(1/s),就是一秒鐘發生的次數。所以當我們說乙個訊號的頻寬是10hz,從離散域來看,可以理解為每秒有10個取樣點,換句話說,每隔0.1秒,就會到來乙個取樣符號。現在我們把頻寬的意義轉換到時間域,再來解釋碼間串擾發生的條件,就好理解許多。既然每隔0.1秒就會到來乙個符號,那麼如果多徑造成的最大時延小於這0.1秒,自然不會對下乙個符號形成干擾;但如果多徑時延大於了0.1秒,就會引起碼間串擾。碼間串擾發生的條件,就和多徑時延對應上了。而這0.1秒,就是碼間串擾發生的臨界條件。

我們不妨假設時延恰好在符號發出0.1秒後到達,這樣,時延發生的頻率,也是10hz,而「時延的頻率(準確的說是最大時延的頻率)」就是「相關頻寬」。顯而易見,當「相關頻寬」等於「訊號頻寬」時,恰好會發生碼間串擾。如果時延很短,比如0.01秒後就到達,對應的「相關頻寬」是100hz,大於「訊號頻寬」,碼間串擾就不會發生;如果時延很長,在符號發出後0.2秒才到達,「相關頻寬」是5hz,小於「訊號頻寬」,碼間串擾將不可避免。

有了這些基本概念,我們重新考慮一下之前找到的從時域上規避碼間串擾的方法。依然假設訊號的頻寬是10hz,這次假設有兩個反射體,分別將訊號延時0.1秒和0.2秒。我們可以設計這樣的傳送策略,即每隔0.2秒才發出乙個新符號,這樣,前乙個符號就不會對下乙個符號造成干擾了。而且,每發出乙個符號,我們可以在之後的0.1秒和0.2秒分別收到該符號的兩個副本,這不就相當於利用多徑做了一次「純天然」的分集麼?在這裡,原本討厭的多徑又一次幫了我們的忙,「免費的」對傳送符號進行了分集處理(注,多徑帶來的分集,從本質上講,是一種「頻率分集」)。但是別忘了,天下沒有白吃的午餐,我們來仔細盤算一下享受免費「多徑分集」的背後,付出的代價是什麼。

為了躲避碼間串擾,並且獲得多徑分集,我們每隔0.2秒(即每0.3秒)才發出乙個符號,這不就相當於把原訊號的頻寬從10hz降到了約3.33hz(1/0.3)麼。而相關頻寬是5hz(1/0.2),哦,原來這種傳送策略的實質是人為的讓訊號頻寬小於相關頻寬,來避免碼間串擾的發生啊。這麼做雖然能獲得一些分集增益,但原來每秒能傳10個符號,現在只能傳不到4個,犧牲了太多的系統速率,實在有些不划算。

看來,要想在充分利用資源的條件下,還獲得分集增益,碼間串擾是想躲也躲不掉了。我們只有一條路可以走,那就是「乾掉」碼間串擾!

接下來可以學習ofdm是如何消除碼間串擾的。

OFDM技術分析

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