田磊论文Word文档格式.docx
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Subject：
ElectronicInformationEngineering
Name：
TianLei
Directedby：
ProfessorJiaoShuqing
May2013
郑重声明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作
本人签名：
日期：
摘要
正交频分复用（OFDM）是通过多载波调制（MCM）发展而来。
世界上第一个MCM系统是由美国军方在五六十年代就创建的。
在七十年代衍生出了利用大规模子载波技术和频率重叠技术的OFDM系统。
但由于一些技术未能突波，使得OFDM理论的迈进放慢。
随着DSP芯片技术的快速发展，大规模集成电路可以实现FFT/IFFT技术。
正交频分复用技术由其频谱利用率高，成本低，抗多径衰落，带宽扩展性强等优点已经收到人们的强烈关注。
随着人们对数据通信数据化，快速化，个人化，宽带化和移动化的需求，OFDM技术正被广泛运用于移动通信中。
OFDM系统是在相互之间具有正交性的且传输速率低的多个并行子载波上进行传输调制的。
与此同时，在OFDM符号之间增加保护时间和循环前缀能够有效的避免由多径效应导致的符号间干扰，同时也保证了符号之间的正交性。
这说明OFDM非常适合多径无线信道环境。
本论文讨论了OFDM的基本原理，对OFDM系统的信道估计，同步技术作出了一定的阐述和分析，也讨论了OFDM与CDMA的结合问题，与此同时也对OFDM在无线通信里的应用作了一定的探讨。
关键字：
OFDM；
子载波；
无线信道；
正交性；
多径干扰;
符号间干扰
ABSTRACT
Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing（OFDM）isthemulti-carriermodulation（MCM）whichcoming.Theworld'
sfirstMCMsystemiscreatedbytheUnitedStatesArmyinthefiftyorsixty'
s.Intheseventy'
swasderivedusingtheOFDMsystemoflargescalemoldcarriertechnologyandfrequencyoverlaptechnique.Butbecauseofsometechnicalfailedtosurge,theOFDMtheorygoestheslow.WiththerapiddevelopmentofDSPchiptechnology,largescaleintegratedcircuitcanrealizetheFFT/IFFTtechnology.Orthogonalfrequencydivisionmultiplexingtechnologybyitshighspectrumefficiency,lowcost,multipathfading,bandwidthexpansionadvantageshavereceivedintenseattention.Alongwiththepeopletothedatacommunicationdata,fast,personalized,broadbandandmobiledemand,OFDMtechnologyisbeingwidelyusedinmobilecommunications.
TheOFDMsystemisorthogonalandlowtransmissionrateofmanyparallelsub-carriersfortransmissionmodulationinbetween.Sub-carrierspectrumoverlappedtransmissiondata,restoreorthogonalityendbyusingeachsubcarrierreceived.ThisOFDMsystemwillhaveaveryhighfrequencyspectrumutilization.Atthesametime,increasetheprotectiontimeandcyclicprefixinOFDMsymbolcaneffectivelyavoidcausedbymultipathinter-symbolinterference,butalsoguaranteestheorthogonalitybetweensymbols.ThisshowsthatOFDMisverysuitableformultipathwirelesschannelenvironment.
Inthispaper,throughthedevelopmentofOFDMtechnology,thebasicprincipleandtheOFDMchannelestimation,synchronizationtechnologyhasmadecertainexplanationandanalysis,alsodiscussedthecombinationofOFDMandCDMA,andyetatthesametime,theapplicationofOFDMinwirelesscommunicationhasmadethecertainanalysis.
Keywords:
OFDM;
carrier;
wirelesschannel;
orthogonality;
multipathinterference;
inter-symbolinterference
目录
摘要……………………………………………………………
引言………………………………………………………………………1
第一章OFDM的发展历程………………………………………………2
第二章OFDM的基本原理………………………………………………4
2.1信号的生成……………………………………………………………4
2.2保护时间和时间前缀…………………………………………………6
2.3加窗技术………………………………………………………………8
第三章信道估计…………………………………………………………10
3.1导频图案的选择………………………………………………………10
3.2信道估计的算法………………………………………………………12
3.2.1最小二乘估计（LS）…………………………………………12
3.2.2最小均方差估计（MMSE）……………………………………12
第四章OFDM中的同步技术……………………………………………13
4.1频率同步误差的影响…………………………………………………13
4.2时间同步误差的影响…………………………………………………14
4.3OFDM系统中的各种同步算法…………………………………………15
第五章OFDM的应用……………………………………………………17
5.1OFDM技术的优点与不足………………………………………………17
5.1.1OFDM技术的优点……………………………………………17
5.1.2OFDM技术的不足……………………………………………18
5.2OFDM在DAB、DVB中的应用…………………………………………19
5.3OFDM与CDMA的结合以及在LTE中的应用…………………………20
5.3.1OFDM与CDMA的结合方式……………………………………21
5.3.2OFDM在LTE中的应用………………………………………23
结论………………………………………………………………………………25
致谢词…………………………………………………………………………26
参考文献………………………………………………………………………27
引言
OFDM技术的应用始于1960，主要用于军事通信，但究其复杂的结构以及复杂的算法，使得OFDM不得不放慢了脚步。
70年代，随着FFT实现多载波调制，使得OFDM技术开始走向实用化。
随着数字信号处理技术和芯片的快速发展，OFDM在DAB,DVB和HDTV等系统中得到了很大的成功，进入90年代以来，对OFDM技术的研究深入到无线信道的宽带传输，进入到21世纪，OFDM正以全新的面貌走进人们的生活。
无线信道的一个重要特点是多径传播，这会使得信号在接受处产生重叠而引起码间干扰。
当传输速率很高的时候，信号持续时间就短，相应的带宽就宽，倘若信号带宽超过信道带宽。
此时就会出现频率选择性衰落。
OFDM在频域把传播信道分解成多个相互正交的子信道，各个子信道之间保持相互正交，频谱发生重叠，这样即减小了子信道间的干扰，也提高了系统频谱使用效率，此时在各个子信道上信道带宽大于信号带宽，虽然这样整个信道不是平坦的频率选择性，但是子信道之间却相对维持平坦，这很大程度上减小了码间干扰。
这说明OFDM适合在多径环境和频率选择性衰落信道的高速数据传输中应用。
由于OFDM具有抗多径干扰能力强，频谱利用率高，成本低等优点，因此受到广泛关注，人们不但认为在宽带无线接入领域采用OFDM是一种趋势，而且在未来移动通信系统中也会扮演重要角色。
但是OFDM也有一些不足的地方，像对频偏和相位噪声比较敏感，峰均值较大等。
第一章OFDM的发展历程
OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用技术，OFDM并不是新生事物，它实际上是MCM（Multi-carrierModulation）多载波调制发展而来。
而多载波通信系统就是将一个高速的数据流分成若干个子数据流，然后将这些低速的数据流调制到相应的子载波上去，从而构成一个由多路低速数据并行传输的系统。
在以往的多载波移动通信方案中，整个系统频域被划分为许多个相互分开的子信道。
载波之间利用保护间隔分离，各个子信道在接受端分离之后再接受所需要信息。
这样虽然能够消除不同信道互相之间的干扰，但却牺牲了频谱的使用效率。
而且当子信道个数相当大的时候，大量分离的各个子信道信号的滤波器的设置就成了完全不可能的事情。
美国军方早在五六十年代就创建了世界上第一个MCM系统。
在七十年代衍生出了采用大规模子载波和频率重叠技术的OFDM系统。
由于OFDM的各个子载波之间相互正交，可采用的FFT（快速傅里叶变换）实现这种调制，但在实践应用中，实施傅里叶变换设备的计算度、发接器件的振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都限制了OFDM技术的进一步推广。
直到80年代，MCM获得了快速的发展，大规模集成电路系统让FFT技术的完成不再是难以攻克的问题，一些其他难以攻克的困难也都被解决，自此，人们才研究如何将OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。
20世纪90年代，OFDM开始被欧洲和澳大利亚广泛应用于广播信道的宽带数据通信。
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，例如数字音频广播（DAB）、高清晰度数字电视（HDTV）和无线局域网（WLAN）。
在研究OFDM技术之前我们可以先了解一下OFDM系统结构图，如图1-1所示，从整体上了解OFDM系统的结构。
图1-1OFDM系统结构图
在此图串/并转换中，由于数据传输的典型形式是串行数据流，符号被连续传输，每一个数据符号的频谱可以占据整个可以使用的带宽。
在并行数据传输系统中，许多符号被同时传输，减少了那些串行传输系统中出现的问题。
在OFDM系统中每个传输符号速率范围是几十比特/秒至几千比特/秒。
所以必须进行串/并变换，将输入串行比特转换为可以传输的OFDM符号。
接收端则执行相反的过程。
第二章OFDM基本原理
OFDM系统的基本原理是把在很高速度传输下的数据流分解为多路并行的相对速度较低的数据流，同时传送在多个载波上。
对于并行传输的低速子载波来説，因为OFDM符号周期展宽，而让多径效应导致扩展的时延相对减小。
在每个OFDM符号内插入相应的保护间隔后，可以实现消除码间干扰。
在OFDM系统设计中，我们需要考虑一些重要的因素。
如有多少个子载波、保护间隔、载波间隔、各个载波的调制解码方式及对前向纠错编码的选定。
这些因素的选择要依靠系统的应用与传播环境的要求，如有效系统带宽、能够容忍的多径时延及多普勒频移等。
一些要求是相互矛盾的。
例如，为了容忍较高的时延扩展，则子载波数目要求提高，但这将使得系统对于多普勒效应更加敏感，反之亦然。
2.1OFDM信号的生成
正交频分复用（OFDM）是多载波调制（MCM）技术的一种，其方法是把数据流进行串/并变换为N路速率较低的子数据流，用子数据流分别分解成N路子载波后再传输。
由于N路数据流的传播速度是原来的1/N倍,即符号周期扩大为原来的N倍，比信道的延迟扩展的最大值还要大，把宽的频率选择性信道调制为N个均衡和较为简单的窄带平坦衰落信道，从而具有较强的抗多径衰落和抗脉冲干扰能力。
同时OFDM使用时域相互正交的子载波方式，子载波之间可以相互混叠，但是在接受端仍然可以被分离出来，大大提高了频谱的利用率。
OFDM系统框图如图2-1所示。
图2-1OFDM系统框图
一个OFDM符号内包含多个经过相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM）构成叠加的子载波调制信号，其通带信号可以表示为式（2-1）。
（2-1）
式中，N表示子载波数目；
表示第i路的基带复数据信号；
表示中心载波频率。
T表示符号周期；
在理论分析中，OFDM符号表达式示为式（2-2）。
（2-2）
式中，
表示调制的标准正交子载波矢量，即满足关系
表示并行发送信号矢量，式中信号的实部与虚部相对应同相分量和正交分量。
因为子载波之间相互正交的特性，一般利用子载波信号中的一路对这路数据进行解调，从而解调出这一路的信号。
例如对第k路子载波进行解调，可以得到
式（2-3）。
（2-3）
假设在一个周期范围内各个子载波发送的都是矩形信号的波形被限制，则各个子载波的信号的频谱图为抽样函数。
如果数据矢量为全1矢量，则单个子载波的频谱和由9个子载波构成的OFDM符号的频谱如图2-2所示。
由此示例可以得出，OFDM系统满足奈奎斯特无载波间干扰准则。
但此时成形的符号不像普通的系统，形成的脉冲不在时域里，而是在频域完成的。
因此，根据时域频域对偶关系，通常OFDM系统中引起的符号间干扰（ISI），却变成了子载波间干扰（ICI）。
为了避免子载波间干扰，对OFDM系统的采样频率提出了更高的要求。
图2-2OFDM符号频谱结构
2.2保护时间和循环前缀
设输入的某一符号块序列为
则相应的输出用矩阵形式如下：
（2-4）
因为信道有记忆性，引起输出块的结果不仅与当前输入块有关，还与上一个块的最后M个输入有关，这样就引起了IBI（块间干扰）。
把保护间隔（GI）插入在每个OFDM符号之间,以便消除块间干扰，并且要保证保护间隔的长度要大于通信信道中的最大时延扩展，即在N个数据块后增加M个0。
如图2-3所示。
图2-3插入保护间隔图示
但此时由于多径效应的影响，子载波之间可能不能维持相互正交，从而引起子载波间干扰（ICI），即子载波之间的正交性受到破坏。
这种效应如图2-4所示。
图2-4子载波的正交性遭破坏
如图2-4所示，当OFDM接收机对子载波1的信号进行解调时，会引起子载波2对它的干扰，同理亦然。
这主要是因为在FFT积分时间里，两个子载波的周期不再保持整数倍，因而不能保证正交性。
为了消除ICI，OFDM符号可以向保护时间内插入循环扩展信号，称为循环前缀（CP）,在其中加入CP后输入输出的关系式为：
（2-5）
插入的循环扩展信号是将OFDM符号尾部的信号牵移到头部结构，因而能够保证有时延的OFDM信号在FFT积分周期内总是可以具有整倍数周期。
因此，只要保护时间大于多径时延，就不会引起载波间干扰。
由图2-5所示为多径效应影响OFDM的示意图。
假设OFDM信号经过两径衰落信道，采用BPSK调制。
图中的保护时间大于多径时延，因此，第二条径的相位跳变点正好在保护时间内，接收机接收到的是满足正交特性的多载波信号，不会引起性能损失。
倘若多径时延大于保护时间，这样相位跳变点位于积分周期内，则多载波信号之间的相互正交性遭到破坏，从而引起子载波干扰。
OFDM符号周期
图2-5两径信道中OFDM符号的传播示意图
2.3加窗技术
前面已经接受了OFDM符号的生成、采用循环前缀消除码间干扰。
但从图2-5中可以看出符号边界发生尖锐的相位跳变。
则可以看出，OFDM的带外衰减是比较慢的。
为了使ODFM信号的带外衰减更快，可以采用对单个OFDM符号加窗技术。
对OFDM符号“加窗”可以使信号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。
常用的窗函数是升余弦滚降窗，定义为：
（2-6）
表示滚降因子；
表示OFDM符号周期。
因为前后相邻的OFDM符号有一部分叠加，因此它比实际的符号持续的时间要短。
对OFDM信号加窗之后的时序图为图2-6，G为保护时间。
T
图2-6OFDM加窗后的时序结构
OFDM加窗的处理过程：
首先Nc个QAM符号填0得到N个符号进行IFFT运算，然后将IFFT输出的尾部的Tprefix个样值添加到OFDM符号的头部，将OFDM符号头部的Tpostfix样值添加到OFDM符号的尾部。
最后升余弦滚降窗函数相乘，与前一个OFDM符号
区域内的样值叠加，形成最终的信号形式。
例外，增大滚降因子，虽然可以使带外衰减更迅速，但是降低了OFDM系统对多径时延的容忍程度。
因此，在实际系统中，应当选择较小的滚降因子。
第三章OFDM信道估计
无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约和影响。
信道描述了信号从发送端到接收端所经历的一切媒介，包括从发射机到接收机之间信号传播所进过的物理煤质，像光缆信道、电缆信道、无线信道等等。
其中无线传播信道不像有线那样固定可以预见，它具有很大的随机性，会引起传输信号的幅度、相位、频率的失真，产生符号间干扰等。
这样给接受机提出了很大的挑战，信道估计器接收机的一个重要组成部分。
常见的信道估计方法有基于导频信道和基于导频符号两种方式，但是由于多载波系统具有时频二维结构特性，使得后者的设计更灵活方便，即可以同时在时间轴和频率轴两个方向添加导频符号，在接受端用导频符号来估计信道传输函数。
在OFDM系统中信道估计器的设计理念主要涵盖两个方面：
一是导频信息的选择以及发送时机的把握，因无线信道具有时变性，使得一定要连续不断的发送导频信号；
二是在确定导频发送方式和信道估计原则后，为了使均方误差最小，需要寻找合适的信道估计器，同时在复杂度和良好的导频性能间取最佳方案。
信道估计可以定义为描述物理信道对输入信号的影响而进行数学研究的过程，是信道对输入信号影响的一种估计表示。
如果信道是线性的，那么信道估计就是对系统冲激响应进行估计。
信道估计的原则就是使某种估计误差最小化，同时还要求降低算法的复杂度，并且具有可实现性。
通过对信道的估计算法，接收机能够获得信道的冲激响应。
在当代无线通信系统中信道信息已经被充分的利用。
自适应的信道均衡器可以通过信道估计来消除ISI的影响；
分集技术通过信道估计，实现接收信号合适匹配的接收机；
最大似然检测通过信道估计能够使接收端错误概率最小化；
相关解调通过信道估计提供的信号来完成信号的检测，与非相干解调相比较，相干解调可以提高系统的整体性能。
3.1导频图案的选择
导频插入有块状导频和梳状导频两种方法。
块状导频主要在慢衰落的无线信道中使用，周期性地在时域内插入多个特定的OFDM符号，不需要在接受端进行频域内的插值，所以这种导频在时间方案下对频率选择性的选择程度不高。
梳状导频主要在快衰落的无线信道中使用，梳状导频均匀分布在每个OFDM块中，梳状导频因有更高的重传率，使得在快衰落信道下梳状导频估计的效果更好。
但是在梳状导频的条件下，只有根据对频率子载波上的信道特性的插值进行估计，才能得到非导频子载波上的信道特性，因此这种导频方式对频率选择性衰落相对敏感一些。
为了有效避免频率选择性衰落，子载波间隔被要求比信道的相关带宽要小很多。
为了保证可以使用信道的变化，导频密度能够参考二维奈奎斯特采样定理。
即无失真恢复的抽样间隔必须小于抽样信号两倍带宽的倒数。
若时频方向上导频间隔相应为It和If,
max表示最大多径时延,fdmax表示最大多普勒频移位，OFDM符号的周期是T，子载波间隔是△f，在通常情况下，导频的时域间隔要求不大于相干时间，导频的频域间隔要求不大于相干带宽，这样才能更好地估计无线信道的变化，时域和频域的导频间隔可参考式（3-1）。
（3-1）
考虑到同步误差和一些其他相关误差，我们可以参照导频间隔关系如下：
（3-2）
完成导频的信道估计需要以导频的选择与插入为基础，对于导频的选择与插入有以下结论：
（1）最优导频位置。
在把加性高斯白噪声为背景的条件下，当M个导频的位置为{I,i+N/M,……，i+（M-1）N/M},i=0,1,……，N/（M-1）时，能够得到信道信息的最小均方误差估计。
（2）导频的数量。
在无噪声的背景下，OFDM系统N个子载波中可以让任何M个作为训练导频，能够完整地解调出信道信息，N表示OFDM系统中全部的子载波数，M表示信道的最大长度。
在安排导频符号时，还应当尽量保证1帧中的第一个和最后一个OFDM符号内包含有导频符号，同时能够让第一个和最后一个子信道中也包含有导频符号，这样就能保证每帧边缘的估计值相对比较准确。
插入导频符号同样会带来资源浪费，由插入导频带来的资源浪费可以表示为
（3-3）
所以其信噪比损失为：
（3-4）
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