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韶關(guān)學(xué)院專業(yè)核心技能訓(xùn)練（論文） 通信電源的維護11115032028黃國興 計算機科學(xué)學(xué)院11通信工程2班題 目學(xué) 號學(xué)生姓名學(xué) 院專業(yè)班級OFDM技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的應(yīng)用摘 要:OFDM技術(shù)是一種高頻帶利用率的多載波調(diào)制技術(shù),它在提高頻帶利用率的同時,也能有效地抵抗字符間干擾。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)。在OFDM系統(tǒng)中引入了正交的子載波,使得它的頻帶利用率比以前任何一種調(diào)制技術(shù)都要高,第四代移動通信系統(tǒng)計劃OFDM為技術(shù)核心提供增值服務(wù),它在寬帶領(lǐng)域有很大的潛力。關(guān)鍵詞:正交頻分復(fù)用系統(tǒng); 多載波調(diào)制; 正交子載波調(diào)制; 干擾；網(wǎng)絡(luò)OFDM系統(tǒng)的英文全稱為Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing ,即正交頻分復(fù)用系統(tǒng)。OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù),它能夠同時滿足高速和抗干擾兩方面的要求，因此常常會被用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。一、OFDM的優(yōu)缺點及其發(fā)展趨勢概述OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。眾所周知，無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。另一方面，OFDM技術(shù)也存在缺陷：對頻率偏移和相位噪聲很敏感；峰值與均值功率比相對較大，這個比值的增大會降低射頻放大器的效率。OFDM具有如下的優(yōu)勢 :(1) 能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸 ;(2) OFDM 技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的變化 ;(3) 可以自動地檢測到哪一個特定的子載波存 在高的信號衰減或干擾脈沖 ,然后采取合適的調(diào)制措施避免使用這些子載波 ,實現(xiàn)成功通信 ;(4) 特別適合用于高層建筑物 ,居民密集和地 理上突出 ,信號撒播以及需要刪除多徑影響 (例如高 速的數(shù)據(jù)傳輸及播音) 的地方 ;(5) 允許子載波間相互重疊 ,從而提高了頻帶 的利用率 ;(6) 可以有效抵抗頻率選擇性衰減 ,用信道編 碼和 interleaving 可以恢復(fù)由于頻率選擇性衰減而丟失的信號 ;(7) 幾乎不需要均衡技術(shù) ,簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ; (8) 用 FFT 技術(shù)簡化了計算 ;(9) 有效抵抗 ICI 和 impulsive parasitic noise 。 OFDM在各個領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。 在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中，數(shù)字音頻廣播（DAB）標(biāo)準(zhǔn)是第一個正式使用OFDM標(biāo)準(zhǔn)的。另外，當(dāng)前國際上全數(shù)字高清晰度電視傳輸系統(tǒng)中采用的調(diào)制技術(shù)中就包括OFDM技術(shù)，在無線局域網(wǎng)中，OFDM等技術(shù)開始得到應(yīng)用，以提升WLAN的性能。80211n計劃采用MIMO與OFDM相結(jié)合，使傳輸速率成倍提高。 值得注意的是，為滿足未來無線多媒體通信需求，人們在加緊實現(xiàn)3G系統(tǒng)商業(yè)化的同時，開始了B3G的研究。從技術(shù)方面看，3G主要以CDMA技術(shù)為核心技術(shù)，而未來移動通信系統(tǒng)則以O(shè)FDM技術(shù)最受關(guān)注。在寬帶接入系統(tǒng)中，由于OFDM系統(tǒng)具備良好的特性，將成為下一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的有力支撐。 二、OFDM的基本工作原理及其結(jié)構(gòu)框圖OFDM 的基本原理是將高速信息數(shù)據(jù)編碼后分配到并行的N個相互正交的載波上，每個載波上的調(diào)制速率很低（1/N），調(diào)制符號的持續(xù)間隔遠(yuǎn)大于信道的時間擴散，從而能夠在具有較大失真和突發(fā)性脈沖干擾環(huán)境下對傳輸?shù)臄?shù)字信號提供有效地保護。 OFDM對多徑時延擴散不敏感，若信號占用帶寬大于信道相干帶寬則多經(jīng)效應(yīng)使信號的某些頻率分量增強，某些頻率分量減弱（頻率選擇性衰落）OFDM 的頻域編碼和交織在分散并行的數(shù)據(jù)之間建立了聯(lián)系，這樣由部分衰落或干擾而遭到破壞的數(shù)據(jù)可以通過頻率分量增強部分的接收的數(shù)據(jù)得以恢復(fù)即實現(xiàn)頻率分集。OFDM克服了FDMA和TDMA的大多數(shù)問題。OFDM 把可用信道分成許多個窄帶信號（一般為1008000）。每個信道的載波都保持正交，由于它們之間可以非常接近，甚至頻譜1/2交疊，卻不需要像FDMA那樣多余的開銷，也不存在TDMA那樣的多用戶之間的切換開銷。圖1 OFDM系統(tǒng)框圖（一）OFDM的調(diào)制原理OFDM的調(diào)制原理,見圖13。速率為Rbbit/s的串行比特流,經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼器,每log2M個比特被映射為一個符號(M為符號空間的符號個數(shù)),從而產(chǎn)生速率為Rs=Rb/log2M符號/s的串行符號流,符號周期Ts=1/Rs(單位s)。將這些串行符號串并變換為N路并行符號,每一個符號調(diào)制N個正交子載波中的一個,N個調(diào)制后的子載波相加,再進(jìn)行傳輸,然后再讀入N個符號,重復(fù)以上過程。每N個子載波和被稱為一個OFDM符號(寬帶信道被劃分成N個窄帶子信道)。OFDM符號的周期Tofdm=NTs,但是因為共有N個串行速率為Rs/N的子信道并行傳輸,故總數(shù)據(jù)速率不變。圖2 OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的調(diào)制部分各子載波間的正交性是通過適當(dāng)選取f0以及子載波間隔實現(xiàn)的,取子載波間隔f=1/NTs,以及f0=k/NTs(其中k為大于或等于零的整數(shù),一般取零),fn=f0+nf,則各子載波間在一個OFDM符號周期內(nèi)可保持正交。OFDM系統(tǒng)接收端的解調(diào)部分如圖2所示,OFDM符號經(jīng)過混頻器/積分器組進(jìn)行解調(diào)和判。圖3 OFDM系統(tǒng)接收端的調(diào)制部分（二）OFDM 的調(diào)制技術(shù)OFDM系統(tǒng)的各個子載波可以根據(jù)信道的條件來 使用 不 同 的 調(diào) 制 , 例 如 BPSK , QPSK , 8PSK , 6QAM ,64QAM 等等 ,以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為準(zhǔn)則 。選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式以獲得最大頻譜效率 。多徑信道的頻率選擇性衰減會導(dǎo)致 接收信號功率大幅下降 ,達(dá)到 30dB 之多 ,信噪比也大幅下降 ,使用與信噪比相匹配的調(diào)制方式可以提高頻 譜利用率 。三、OFDM在以下各領(lǐng)域的應(yīng)用 隨著移動通信的蓬勃發(fā)展,全球無線通信呈現(xiàn)出移動化、寬帶化和IP 化的趨勢,移動通信行業(yè)競爭日趨激烈。為了和WiMAX ,Wi2Fi 等新興的無線寬帶技術(shù)競爭,提高3G在新興寬帶無線接入市場的競爭力,3GPP 開始了UMTS 技術(shù)的長期演進(jìn)(LongTerm Evolution ,LTE) 技術(shù)的研究,以實現(xiàn)3G技術(shù)向B3G和4G的平滑過渡。3GPP 長期演進(jìn)項目是關(guān)于UTRA和UTRAN 改進(jìn)的項目,是近兩年來3GPP 啟動的最大的新技術(shù)研發(fā)項目,它的目標(biāo)是更高的數(shù)據(jù)速率、更低的時延、改進(jìn)的系統(tǒng)容量和覆蓋范圍,以及較低的成本。(1) 支持1. 25MHz20MHz 的帶寬配置,并且支持對稱和不對稱的頻譜分配。(2) 提高小區(qū)邊緣的比特率,增強3GPP LTE 系統(tǒng)的覆蓋性能。 (3) 系統(tǒng)性能方面3 : 實現(xiàn)峰值數(shù)據(jù)率上行50Mbps ,下行100Mbps。下行鏈路頻譜效率(bitPsPHzPsite) 達(dá)到3GPP R6 中HSDPA 的34倍,上行鏈路頻譜效率為HSUPA 的23 倍。 (4) 取消電路交換,采用基于全分組的包交換。(5) 支持與現(xiàn)有3GPP 和非3GPP 系統(tǒng)的互操作且追求后向兼容。（一）OFDM在無線通信網(wǎng)路中的應(yīng)用WiMAX寬帶技術(shù)發(fā)展十分迅速，已經(jīng)以O(shè)FDMAWMAN TDD的名義被國際電信聯(lián)盟（ITU）批準(zhǔn)成為移動設(shè)備的全球標(biāo)準(zhǔn)之一，將可能成為3G高速無線網(wǎng)絡(luò)接入的首選技術(shù)。移動W i M A X的空中接口標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.16e-2005，采用OFDM技術(shù)，增加了數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量工作在低于6G H z適宜于移動性的許可頻段，使終端能夠在不同基站間進(jìn)行切換和漫游。 O F D M作為W i M A X物理層技術(shù)，主要有兩種實現(xiàn)方式：O F DM物理層和O F D MA物理層。O F D M物理層采用256載波的O F D M調(diào)制方式（正交頻分多路復(fù)用）。正交載波集為單一用戶并行傳輸數(shù)據(jù)流，上行鏈路采用T D M A多址方式，下行采用T D M復(fù)用方式。O F D M A物理層采用O F D M A（正交頻分多址接入），可以支持2048點、1024點、512點、128點的F F T點數(shù)，以適應(yīng)不同地理區(qū)域從20M H z到1.25M H z的不同載波帶寬的需要。這種接口通過給每個接收機分配載波子集提供多路訪問。O F D M調(diào)制技術(shù)提供了靈活的子載波分配調(diào)度能力，從而可以充分利用寬帶多載波傳輸技術(shù)的頻率選擇特性。O F D M A支持子信道化。在下行中，一個子信道可以指定給不同的接收機；上行中，一個發(fā)信機可分配一個或多個子信道，多個發(fā)信機可同時發(fā)射。對于每一個子信道，編碼和調(diào)制是獨立自適應(yīng)的，以便在更小的范圍內(nèi)優(yōu)化信道（而不是在整個信道范圍內(nèi)優(yōu)化）。組成一個子信道的多個子載波可以相鄰也可以不相鄰。協(xié)議規(guī)定了兩種基本的子載波分配方式：集中式和分布式，如圖2所示。集中式即將若干連續(xù)子載波分配給一個子信道，這種方式下系統(tǒng)可以通過頻率選擇性調(diào)度充分利用多用戶之間的分集增益。集中方式也可以降低信道估計的難度，但這種方式獲得的頻率分集增益較小，用戶平均性能略差。分布式系統(tǒng)將分配給一個用戶的子載波分散到整個信道，各用戶的子載波交替排列，從而可以通過離散的頻率選擇性調(diào)度充分利用頻率分集增益。但這種方式下信道估計較為復(fù)雜，無法采用頻域調(diào)度，抗頻偏能力也較差。在進(jìn)行實際系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)在這兩種方式中進(jìn)行靈活選擇。未來蜂窩移動通信將以數(shù)據(jù)和多媒體通信為主對數(shù)據(jù)速率的要求會越來越高，帶寬的需求越來越大，對時延要求也越來越苛刻，并將以互聯(lián)網(wǎng)作為承載網(wǎng)絡(luò)，以IP協(xié)議為基礎(chǔ)進(jìn)行通信等等。這就需要一些關(guān)鍵技術(shù)的支持，如為了達(dá)到高速傳輸以及滿足高QoS，必須提高頻譜利用率、增強抗碼間干擾能力，增強信號抗衰落能力，降低用戶間的干擾等。這就需要OFDM作為物理層的調(diào)制技術(shù)。3G為了應(yīng)對其他無線通信標(biāo)準(zhǔn)的競爭，在演進(jìn)過程中發(fā)生了革命性轉(zhuǎn)變，將以O(shè) F D M技術(shù)替代3G的核心技術(shù)CDMA。3GPP LTE多址接入的下行鏈路將選用OFDMA技術(shù)。OFDMA技術(shù)的PAPR較高，對放大器的線性度要求就會很高，從而會增大U E的功耗和功放成本，降低U E的功率利用率，并會減小上行的有效覆蓋范圍，所以在上行鏈路中采用了具有較低峰均比的SC-FDMA技術(shù)。DFT-S-OFDM是SC-FDMA的頻域產(chǎn)生方式。這種技術(shù)是在O F D M的I F F T調(diào)制之前對信號進(jìn)行DFT擴展，不同終端通過調(diào)整DFT與IFFT之間的子載波映射規(guī)則調(diào)制到上行的不同頻率資源塊上， 在IFFT后面加入CP以實現(xiàn)上行用戶之間的正交性和降低接收端的頻域均衡復(fù)雜度。這樣系統(tǒng)發(fā)射的是時域信號，在某一時刻只發(fā)送一個符號，類似單載波技術(shù)，發(fā)送信號的波形幅度較小，具有較低的峰均比，并且其峰均比對放大器的影響將只取決于調(diào)制技術(shù)，從而降低了終端對功率放大器的要求。D F T-S-O F D M子載波分配具有兩種模式： 分布式與集中式。在3G P P2 U M B中，上行鏈路O F D M技術(shù)峰均比問題通過預(yù)編碼等方式解決，其上下行鏈路均采用OFDMA，同時在反向鏈路保留了CDMA數(shù)據(jù)信道，用于傳輸突發(fā)的低速率、對時延敏感的反向。（二）OFDM在移動通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用OFDM應(yīng)用于移動通信,主要是指與各種多址方式的結(jié)合。目前,引起廣泛研究興趣的是OFDM與DS-CDMA的結(jié)合,其基本動機是利用OFDM和CDMA各自的優(yōu)點,構(gòu)造一種高速傳輸?shù)挠行Х绞健Ｋ鼈兿嘟Y(jié)合的方式主要有3種:MC-CDMA、MC-DS-CDMA以及MT-CDMA,統(tǒng)稱為多載波CDMA。其中第1種屬于頻域擴頻,它將一個擴頻序列的各個碼片分配到不同的子載波上傳輸,從而可以獲得明顯的頻率分集。而后2種都是時域擴頻,它們的每一個子載波上傳輸?shù)亩际且宦稤S-CDMA信號,即當(dāng)子載波數(shù)為1時,它們都退變?yōu)槠胀―S-CDMA。下面分別討論這3種方式。MC-CDMA發(fā)射機在頻域使用給定的擴頻序列將原始數(shù)據(jù)在不同的子載波上進(jìn)行擴頻。采用BPSK調(diào)制的發(fā)射機結(jié)構(gòu)及在子載波數(shù)Nc=4和處理增益GMC=4=Nc時的功率譜示意圖。時域擴頻(DS-CDMA)是各個碼片分時占有同一段被展寬了的頻譜,而頻域擴頻則是各個碼片在不同的頻段上占有同一段時間。若采用普通的FDM則后者所占的總帶寬約等于前者,而用OFDM則使后者的頻帶利用率提高近一倍,從而僅用前者一半的帶寬就能實現(xiàn)相同的擴頻增益。(三)高清晰度電視(HDTV)由于現(xiàn)有的專用DSP芯片最快可以在100s內(nèi)完成1024點FFT，這正好能滿足8MHz帶寬以內(nèi)視頻傳輸?shù)男枰瑥亩鵀閼?yīng)用于視頻業(yè)務(wù)提供了可能。目前，歐洲已把OFDM作為發(fā)展地面數(shù)字電視的基礎(chǔ);日本也將它用于發(fā)展便攜電視和安裝在旅游車、出租車上的車載電視。（四）HFC網(wǎng)HFC(Hybrid Fiber Cable)是一種光纖/同軸混合網(wǎng)。近來，OFDM被應(yīng)用到有線電視網(wǎng)中，在干線上采用光纖傳輸，而用戶分配網(wǎng)絡(luò)仍然使用同軸電纜。這種光電混合傳輸方式，提高了圖像質(zhì)量，并且可以傳到很遠(yuǎn)的地方，擴大了有線電視的使用范圍。隨著蜂窩移動通信、寬帶無線接入技術(shù)、多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，簡單的語音業(yè)務(wù)、低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)不能滿足人們的需求，電信運營商需要開發(fā)出更多新的增值業(yè)務(wù)來吸引與保留顧客，如多媒體彩信、LBS(位置業(yè)務(wù))、游戲、移動視頻、電視業(yè)務(wù)等。由于單載波技術(shù)存在嚴(yán)重的ISI并且均衡實現(xiàn)復(fù)