江蘇大學通信原理OFDM論文

1、OFDM正交頻分復用技術 班級：電信1202學號：3120503030姓名：劉歡一、簡介OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復用技術，實際上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation)，多載波調(diào)制的一種。一種調(diào)制技術，它用大量的正交子載波以并行方式發(fā)送符號塊。數(shù)據(jù)被分成多個塊，在各子載波上以并行方式發(fā)送。這樣能增加符號周期，減小延遲擴散效應。· OFDM有時候也被稱為DMT(分離多音調(diào)制), 是一種基于FDM的傳輸技術，它把數(shù)據(jù)分割成獨立的符號并通過不同的頻率傳送它們。 · OFD

2、M采用采用高速的FFT/IFFT功能 。 · OFDM需要附加的補償電路以解決多徑、多普勒以及衰落造成的干擾。 OFDM是一種多載波傳輸技術，N個子載波把整個信道分割成N個子信道，N個子信道并行傳輸信息。OFDM系統(tǒng)有許多非常引人注目的優(yōu)點。第一，OFDM具有非常高的頻譜利用率。普通的FDM系統(tǒng)為了分離開各子信道的信號，需要在相鄰的信道間設置一定的保護間隔（頻帶），以便接收端能用帶通濾波器分離出相應子信道的信號，造成了頻譜資源的浪費。OFDM系統(tǒng)各子信道間不但沒有保護頻帶，而且相鄰信道間信號的頻譜的主瓣還相互重疊但各子信道信號的頻譜在頻域上是相互正交的，各子載波在時域上是正交的，OF

3、DM系統(tǒng)的各子信道信號的分離（解調(diào)）是靠這種正交性來完成的。另外，OFDM的個子信道上還可以采用多進制調(diào)制（如頻譜效率很高的QAM），進一步提高了OFDM系統(tǒng)的頻譜效率。第二，實現(xiàn)比較簡單。當子信道上采用QAM或MPSK調(diào)制方式時，調(diào)制過程可以用IFFT完成，解調(diào)過程可以用FFT完成，既不用多組振蕩源，又不用帶通濾波器組分離信號。第三，抗多徑干擾能力強，抗衰落能力強。由于一般的OFDM系統(tǒng)均采用循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）方式，使得它在一定條件下可以完全消除信號的多徑傳播造成的碼間干擾，完全消除多徑傳播對載波間正交性的破壞，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾能力。OFDM的子

4、載波把整個信道劃分成許多窄信道，盡管整個信道是有可能是極不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落卻是近似平坦的，這使得OFDM系統(tǒng)子信道的均衡特別簡單，往往只需一個抽頭的均衡器即可。二、發(fā)展和研究現(xiàn)狀OFDM的歷史要追溯到20世紀60年代中期，當時RwChang發(fā)表了關于帶限信號多信道傳輸合成的論文。他描述了發(fā)送信息可同時經(jīng)過一個線性帶限信道而不受信道問干擾(ICI)和符號間干擾(ISI)的原理。此后不久，Saltzberg完成了性能分析。他提出"設計一個有效并行系統(tǒng)的策略應該是集中在減少相鄰信道的交叉干擾(crosstalk)而不是完成單個信道，因為前者的影響是決定性的。"

5、 1970年，OFDM的專利發(fā)表，其基本思想就是通過采用允許子信道頻譜重疊，但又相互間不影響的頻分復用(FDM)的方法來并行傳送數(shù)據(jù)，不僅無需高速均衡器，有很高的頻譜利用率，而且有較強的抗脈沖噪聲及多徑衰落的能力。OFDM早期的應用有ANIGSC-1O(KATH-RYN)高頻可變速率數(shù)傳調(diào)制解調(diào)器(Modem)。該Mo-dem利用34路子信道并行傳送34路低速數(shù)據(jù)，每個子信道采用相移鍵控(PSK)調(diào)制，且各子信道載波相互正交，間隔為84 Hz。但是在早期的OFDM系統(tǒng)中，發(fā)信機和相關接收機所需的副載波陣列是由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的，且在相關接收時各副載波需要準確地同步，因此當子信道數(shù)很大時，系統(tǒng)

6、就顯得非常復雜和昂貴。對OFDM做主要貢獻的是Weinstein和Ebert在1971年的論文，Weinstein和Ebert提出使用離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)，實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)中的全部調(diào)制和解調(diào)功能的建議。因而簡化了振蕩器陣列以及相關接收機中本地載波之間的嚴格同步的問題，為實現(xiàn)OFDM的全數(shù)字化方案作了理論上的準備。用離散傅里葉變換(DFT)完成基帶調(diào)制和解調(diào)，這項工作不是集中在單個信道，而是旨在引入消除子載波間干擾的處理方法。為了抗ISI和ICI，他們在時域的符號和升余弦窗之間用了保護時間，但在一個時間彌散信道上的子載波間不能保證良好的正

7、交性。另一個主要貢獻是Peled和Ruiz在1980年的論文，他引入了循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)的概念，解決了正交性的問題。他們不用空保護間隔，而是用OFDM符號的循環(huán)擴展來填充，這可有效地模擬一個信道完成循環(huán)卷積，這意味著當CP大于信道的脈沖響應時就能保證子載波間的正交性，但有一個問題就是能量損失。隨著VLSI的迅速發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了高速大階數(shù)的FFT專用芯片及可用軟件快速實現(xiàn)FFT的數(shù)字信號處理(DSP)的通用芯片，且價格低廉，使利用FFT來實現(xiàn)OFDM的技術成為可能。1981年Hirosaki用DFT完成的OFDM調(diào)制技術，試驗成功了16QAM多路并行傳送19.2 kb/

8、s的電話線Modem。而在無線移動信道中，盡管存在著多徑傳播及多普勒頻移所引起的頻率選擇性衰落和瑞利衰落，但OFDM調(diào)制還是能夠減輕瑞利衰落的影響。這是因為在高速串行傳送碼元時，深衰落會導致鄰近的一串碼元被嚴重破壞，造成突發(fā)性誤碼。而與串行方式不同，OFDM能將高速串行碼流轉變成許多低速的碼流進行并行傳送，使得碼元周期很長，即遠大于深衰落的持續(xù)時間，因而當出現(xiàn)深衰落時，并行的碼元只是輕微的受損，經(jīng)過糾錯就可以恢復。另外對于多徑傳播引起的碼間串擾問題，其解決的方案是在碼元間插入保護間隙，只要保護間隙大于最大的傳播時延時間，碼間串擾就可以完全避免。正基于此，1984年，Cimini提出了一種適于無

9、線信道傳送數(shù)據(jù)的OFDM方案。其特點是調(diào)制器發(fā)送的子信道副載波調(diào)制的碼型是方波，并在碼元間插入了保護間隙。雖然各子信道的頻譜為sinx/x形，但由于碼元周期很長，單路子信道所占的頻帶很窄，因而位于信道頻率邊緣的子信道的拖尾，對整個信道帶寬影響不大，可以避免多徑傳播引起的碼間串擾。同時由于省去了升余弦濾波器，使實現(xiàn)的方案非常簡單，因此后來的大多數(shù)OFDM方案都是以此為原形實現(xiàn)的。20世紀90年代，OFDM的應用又涉及到了利用移動調(diào)頻(FM)和單邊帶(SSB)信道進行高速數(shù)據(jù)通信、陸地移動通信、高速數(shù)字用戶環(huán)路(HDSL)、非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、超高速數(shù)字用戶環(huán)路(VHDSL)、數(shù)字音頻

10、廣播(DAB)及高清晰度數(shù)字電視(HDTV)和陸地廣播等各種通信系統(tǒng)。1991年，Casas提出了OFDM/FM的方案，可利用現(xiàn)有的調(diào)頻系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸。目前，人們開始集中精力研究和開發(fā)OFDM在無線移動通信領域的應用，并將 OFDM技術與多種多址技術相結合。此外，OFDM技術還易于結合空時編碼以及智能天線等技術，最大程度提高物理層信息傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ?、基本原理眾所周知無線通信傳輸信號的路徑有很多，這就是所謂的多徑效應，OFDM的最初提出是為了解決多徑效應對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。高?shù)據(jù)傳輸速率使得符號周期非常小，如果符號傳輸出現(xiàn)多徑時延，可能會影響到后面好幾個符號。多載波調(diào)制可以把高數(shù)據(jù)流分成很多個

11、低數(shù)據(jù)流，這樣就使符號周期增大了，從而大大減弱符號間干擾（ISI），如果在符號間加上保護間隔，可以完全消除上面提到的ISI。如果從帶寬頻域解釋OFDM解決ISI的角度，符號帶寬小于信道的相關帶寬（相關帶寬內(nèi)幅度恒定，線性相位），信號在信道內(nèi)只有平坦衰落。正交頻分復用的技術關鍵就是實現(xiàn)并保護好子載波間的正交性，接受端收到的信號x(t)與子載波相乘后通過積分器，不同頻率的載波相乘積分后為零，只有相同載波積分后得到原始符號。正是由于每個子載波的正交性，我們可以是子載波的頻譜重疊并靠近Nyquist 帶寬，從而大大提高了頻譜的利用率，所以非常適合移動場合中的高速傳輸。多徑傳輸?shù)姆柛蓴_時個頭疼的問題，

12、OFDM為解決這樣的問題在符號間加上保護間隔內(nèi)，保護間隔可以不傳輸任何信號。這樣的情況下仍然解決不了信道間干擾（ICI），子載波之間的正交性遭到破壞，接收端就不能很好的恢復出原始信號，這點是毀滅性的。OFDM的解決方法是把符號后面長度是Tg（保護間隔的長度）的部分拿到每個符號的前面當做保護間隔來傳輸，這種方法就叫做循環(huán)前綴。這樣就使得在FFT周期內(nèi)，OFDM符號的延時副本所包含的波形的周期個數(shù)是整數(shù)，從而解決了ICI。將原符號塊最后信號放到原符號塊的前部，構成新序列，時域中原來發(fā)送信號與信道響應的線性卷積變?yōu)閳A周卷積。OFDM是一種多載波傳輸技術，N個子載波把整個信道分割成N個子信道，N個子信

13、道并行傳輸信息。OFDM系統(tǒng)有許多非常引人注目的優(yōu)點。第一，OFDM具有非常高的頻譜利用率。普通的FDM系統(tǒng)為了分離開各子信道的信號，需要在相鄰的信道間設置一定的保護間隔（頻帶），以便接收端能用帶通濾波器分離出相應子信道的信號，造成了頻譜資源的浪費。OFDM系統(tǒng)各子信道間不但沒有保護頻帶，而且相鄰信道間信號的頻譜的主瓣還相互重疊，但各子信道信號的頻譜在頻域上是相互正交的，各子載波在時域上是正交的，OFDM系統(tǒng)的各子信道信號的分離（解調(diào)）是靠這種正交性來完成的。另外，OFDM的個子信道上還可以采用多進制調(diào)制（如頻譜效率很高的QAM），進一步提高了OFDM系統(tǒng)的頻譜效率。第二，實現(xiàn)比較簡單。當子信

14、道上采用QAM或MPSK調(diào)制方式時，調(diào)制過程可以用IFFT完成，解調(diào)過程可以用FFT完成，既不用多組振蕩源，又不用帶通濾波器組分離信號。第三，抗多徑干擾能力強，抗衰落能力強。由于一般的OFDM系統(tǒng)均采用循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）方式，使得它在一定條件下可以完全消除信號的多徑傳播造成的碼間干擾，完全消除多徑傳播對載波間正交性的破壞，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾能力。OFDM的子載波把整個信道劃分成許多窄信道，盡管整個信道是有可能是極不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落卻是近似平坦的，這使得OFDM系統(tǒng)子信道的均衡特別簡單，往往只需一個抽頭的均衡器即可。當然，與單載波系

15、統(tǒng)比，OFDM也有一些困難問題需要解決。這些問題主要是：第一，同步問題。理論分析和實踐都表明，OFDM系統(tǒng)對同步系統(tǒng)的精度要求更高，大的同步誤差不僅造成輸出信噪比的下降，還會破壞子載波間的正交性，造成載波間干擾，從而大大影 響系統(tǒng)的性能，甚至使系統(tǒng)無法正常工作。第二，OFDM信號的峰值平均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）往往很大，使它對放大器的線性范圍要求大，同時也降低了放大器的效率。 OFDM技術已經(jīng)或正在獲得一些應用。LTE及未來的4G的物理層關鍵技術將采用OFDM。在廣播應用中歐洲的ETSI（European Telecommunication

16、Standard Institute，歐洲電信標準學會）已經(jīng)制定了采用OFDM技術的數(shù)字音頻廣播（Digital Audio Broadcasting, DVB）的標準，數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting，DVB）的標準也正在制定中；在寬帶無限接入應用中，IEEE 802.11a及IEEE 802.16都有基于OFDM技術的建議，ETSI的HiperLAN II也是一種基于OFDM技術的標準；在數(shù)字蜂窩移動通信中應用中，OFDM是目前研究的熱點技術之一；在有線寬帶接入技術中，例如xDSL（各種高速數(shù)字用戶線）技術中，OFDM的一種特殊形式DMT（Discrete

17、 Multitone）以獲得廣泛應用。當各子載波用QAM或MPSK進行調(diào)制時，如果基帶信號采用矩形波，則每個子信道上已調(diào)信號的頻譜為()Sax形狀，其主瓣寬度為2/sTHz，其中sT為OFDM符號長度（不包括CP）。由于在sT時間內(nèi)共有OFDM信號的N個抽樣，所以OFDM信號的時域抽樣周期為 /sTN。由于相鄰子載波之間的頻率間隔為/sffN，其中sf為OFDM信號的抽樣頻率， 即/ssfNT，所以 /1/ssffNT。即這些已調(diào)子載波信號頻譜函數(shù)()Sax的主瓣寬度為2/sT，間隔為1/sT。根據(jù)()Sax函數(shù)的性質(zhì)，知道它們在頻域上正交，這就是正交頻分復用（OFDM）名稱的由來。 我們知道

18、，一般的頻分復用傳輸系統(tǒng)的各子信道之間要有一定的保護頻帶，以便在接收端可以用帶通濾波器分離出各子信道的信號。保護頻帶降低了整個系統(tǒng)的頻譜利用率。 OFDM系統(tǒng)的子信道間不但沒有保護頻帶，而且各子信道的信號頻譜還相互重疊，如圖所示，這使得OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率相比普通頻分復用系統(tǒng)有很大提高，而各子載波可以采用頻譜效率高的QAM和MPSK調(diào)制方式，進一步提高了OFDM系統(tǒng)的頻譜效率。應該指出，由于循環(huán)前綴的影響，OFDM信號的頻譜結構將發(fā)生一定的變化，但這僅僅使信號的某些頻譜成份得到增強，而不會使OFDM信號增加新的頻率成份。我們知道，移動信道一般存在多徑傳播問題，使信道表現(xiàn)出明顯的衰落特性。信

19、道的多徑衰落在單載波傳輸系統(tǒng)中往往會產(chǎn)生嚴重的碼間干擾，使得接收機往往需要比較復雜的均衡濾波器，所以設計單載波高速移動通信系統(tǒng)的均衡器是一項富有挑戰(zhàn)性的工作。OFDM每個載波所使用的調(diào)制方法可以不同。各個載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。我們通過選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式就可以獲得最大頻譜效率。無線多徑信道的頻率選擇性衰落會使接收信號功率大幅下降，經(jīng)常會達到30dB之多，信噪比也隨之大幅下降。為了提高頻譜利用率，應該使用與信噪比相匹配的調(diào)制方式?？煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)正常運行的基

20、本考核指標，所以很多通信系統(tǒng)都傾向于選擇BPSK或QPSK調(diào)制，以確保在信道最壞條件下的信噪比要求，但是這兩種調(diào)制方式的頻譜效率很低。OFDM技術使用了自適應調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來選擇不同的調(diào)制方式。比如在終端靠近基站時，信道條件一般會比較好，調(diào)制方式就可以由BPSK（頻譜效率1bit/s/Hz）轉化成16QAM64QAM（頻譜效率46bit/s/Hz），整個系統(tǒng)的頻譜利用率就會得到大幅度的提高。自適應調(diào)制能夠擴大系統(tǒng)容量，但它要求信號必須包含一定的開銷比特，以告知接收端發(fā)射信號所應采用的調(diào)制方式。終端還要定期更新調(diào)制信息，這也會增加更多的開銷比特。OFDM還采用了功率控制和自適應調(diào)制相協(xié)調(diào)工作方式。信道好的時候，發(fā)射功率不變，可以增強調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制方式（如QPSK）時降低發(fā)射功率。功率控制與自適應調(diào)制要取得平衡。也就是說對于一個發(fā)射臺，如果它有良好的信道，在發(fā)送功率保持不變的情況下，可使用較高的調(diào)制方案如64QAM；如果功率減小，調(diào)制方案也就可以相應降低，使用QPSK方式等。自適應調(diào)制要求系統(tǒng)必須對信道的性能有及時和精確的了解，如果在差的信道上使用