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OFDM技术背景发展及现状

1背景及意义

正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）多载波系统采用了正交频分信道，能够在不需要复杂的均衡技术情况下支持高速无线数据传输，并具有很强的抗衰落和抗符号间干扰的能力，现在OFDM已经在欧洲的数字音视频广播，欧洲和北美的高速无线局域网系统，高比特数字用户线以及电力载波通信中得到了广泛应用。

由于OFDM信号在时域上是由N个子载波信号叠加而成，当这些子载波信号相位一致时峰值叠加会产生最大峰值，导致较高的峰均功率比（Peak–to-AveragepowerRatio，PAPR），当放大器以及A/D转换器的线性动态范围不能满足信号的变化，就会引起信号失真，产生子载波之间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波间的正交性，降低系统效率。

为此，降低信号的峰均比值显得尤为重要[1]。

2OFDM技术的发展及现状

正交频分复用是一种把高速率的串行数据通过频分复用来实现并行传输的多载波传输技术，其思想早在20世纪60年代就己经提出了，但由于并行传输系统需要基带成形捧波器阵列，正弦波载波发生器阵列及相干解调阵列，采用传统的模拟的方法实现是相当复杂的、昂贵的，因而早期并没有得到实际应用。

1971年，Weistein和Ebert提出了用离散傅立叶变换（DFT）来实现多载波调制，人们开始研究并行传输的多载波系统的数字化实现方法，将DFT运用到OFDM的调制解调中，为OFDM的实用化奠定了基础，大大简化了多载波技术的实现。

运用DFT实现的OFDM系统的发送端不需要多套的正弦发生器，而接收端也不需要用多个带通滤波器来检测各路子载波，但由于当时的数字信号处理技术的限制，OFDM技术并没有得到广泛应用。

80年代，人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，L.J.Cimini首先分析了OFDM在移动通信中应用中存在的问题和解决方法，从此以后，OFDM在无线移动通信领域中的应用得到了迅猛的发展。

近年来，由于数字信号处理技术（DigitalSignalProcessing,DSP）和大规模集成电路CPLD技术的飞速发展，使得当载波数目高达几千时也可以通过专用芯片来实现其DFT变换，大大推动了OFDM技术在无线通信环境中的实用化，OFDM技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注。

OFDM已经成功的应用于数字音频广播系统（DigitalAudioBroadcasting,DAB）、数字视频广播系统（DigitalVideoBroadcasting,DVB）、无线电局域网（WirelessLocalAreaNetwork,WLAN），非对称数字用户环路ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine）等系统中。

1995年，欧洲电信标准协会（ETSI）首次提出DAB标准，这是第一个采用OFDM的标准[5]。

1999年12月，IEEE802.lla一个工作在5GHz的无线局域网标准，其中采用了OFDM调制技术作为其物理层（PRY）标准，欧洲电信标准协会的宽带射频接入网（BroadRadioAccessNetwork,BRAN）的局域网标准也采用OFDM技术。

在我国，信息产业部无线电管理局也于2001年8月31日批准了中国网通开展OFDM固定无线接入系统CelerFlex的试验，该系统目前己经开通，并进行了必要的测试和业务演示。

目前，人们开始集中精力研究和开发OFDM在无线移动通信领域的应用，并将OFDM技术与多种多址技术相结合。

此外，OFDM技术还易于结合空时编码以及智能天线等技术，最大程度提高物理层信息传输的可靠性。

新一代移动通信的核心技术OFDM调制技术

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2011-9-5|作者:

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wanghuixiang|查看:

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lOFDM的发展状况OFDM的历史要追溯到20世纪60年代中期，当时R．w．Chang发表了关于带限信号多信道传输合成的论文。

他描述了发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道问干扰（ICI）和符号间干扰（。

ISI）的原理。

此后不久，Saltzberg完成了性能分析。

他提出"设计一个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰（crosstalk）而不是完成单个信道，因为前者的影响是决定性的。

"1970年，OFDM的专利发表，其基本思想

lOFDM的发展状况

OFDM的历史要追溯到20世纪60年代中期，当时R．w．Chang发表了关于带限信号多信道传输合成的论文。

他描述了发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道问干扰（ICI）和符号间干扰（。

ISI）的原理。

此后不久，Saltzberg完成了性能分析。

他提出"设计一个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰（crosstalk）而不是完成单个信道，因为前者的影响是决定性的。

"

1970年，OFDM的专利发表，其基本思想就是通过采用允许子信道频谱重叠，但又相互间不影响的频分复用（FDM）的方法来并行传送数据，不仅无需高速均衡器，有很高的频谱利用率，而且有较强的抗脉冲噪声及多径衰落的能力。

OFDM早期的应用有ANIGSC-1O（KATH-RYN）高频可变速率数传调制解调器（Modem）。

该Mo-dem利用34路子信道并行传送34路低速数据，每个子信道采用相移键控（PSK）调制，且各子信道载波相互正交，间隔为84Hz。

但是在早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道

数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。

对OFDM做主要贡献的是Weinstein和Ebert在1971年的论文，Weinstein和Ebert提出使用离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform，DFT），实现OFDM系统中的全部调制和解调功能的建议。

因而简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间的严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备。

用离散傅里叶变换（DFT）完成基带调制和解调，这项工作不是集中在单个信道，而是旨在引入消除子载波间干扰的处理方法。

为了抗ISI和ICI，他们在时域的符号和升余弦窗之间用了保护时间，但在一个时间弥散信道上的子载波间不能保证良好的正交性。

另一个主要贡献是Peled和Ruiz在1980年的论文，他引入了循环前缀（CyclicPrefix，CP）的概念，解决了正交性的问题。

他们不用空保护间隔，而是用OFDM符号的循环扩展来填充，这可有效地模拟一个信道完成循环卷积，这意味着当CP大于信道的脉冲响应时就能保证子载波间的正交性，但有一个问题就是能量损失。

随着VLSI的迅速发展，已经出现了高速大阶数的FFT专用芯片及可用软件快速实现FFT的数字信号处理（DSP）的通用芯片，且价格低廉，使利用FFT来实现OFDM的技术成为可能。

1981年Hirosaki用DFT完成的OFDM调制技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kb/s的电话线Modem。

而在无线移动信道中，尽管存在着多径传播及多普勒频移所引起的频率选择性衰落和瑞利衰落，但OFDM调制还是能够减轻瑞利衰落的影响。

这是因为在高速串行传送码元时，深衰落会导致邻近的一串码元被严重破坏，造成突发性误码。

而与串行方式不同，OFDM能将高速串行码流转变成许多低速的码流进行并行传送，使得码元周期很长，即远大于深衰落的持续时间，因而当出现深衰落时，并行的码元只是轻微的受损，经过纠错就可以恢复。

另外对于多径传播引起的码间串扰问题，其解决的方案是在码元间插入保护间隙，只要保护间隙大于最大的传播时延时间，码间串扰就可以完全避免。

正基于此，1984年，Cimini提出了一种适于无线信道传送数据的OFDM方案。

其特点是调制器发送的子信道副载波调制的码型是方波，并在码元间插入了保护间隙。

虽然各子信道的频谱为sinx/x形，但由于码元周期很长，单路子信道所占的频带很窄，因而位于信道频率边缘的子信道的拖尾，对整个信道带宽影响不大，可以避免多径传播引起的码间串扰。

同时由于省去了升余弦滤波器，使实现的方案非常简单，因此后来的大多数OFDM方案都是以此为原形实现的。

20世纪90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频（FM）和单边带（SSB）信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路（HDSL）、非对称数字用户环路（ADSL）、超高速数字用户环路（VHDSL）、数字音频广播（DAB）及高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统。

1991年，Casas提出了OFDM/FM的方案，可利用现有的调频系统进行数据传输。

2OFDM的基本原理

OFDM是一种高效的数据传输方式，其基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。

这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。

OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是他允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波问相互正交，则可以从混叠的子载波上分离出数据信号。

由于OFDM允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。

OFDM最简单的调制和解调结构如图1（a），图1（b）所示。

为了表达简单，忽略了在通信系统中常用的滤波器。

OFDM最常用的低通等效信号形式可写为一组并行发射的调制载波，为：

其中：

及：

其中Cn,k是第n个信号间隔的第k个子载波的发射符号，每个周期Ts，N是OFDM子载波数，fk是第k个子载波的频率，f0是所用的最低频率。

设Fn（t）为第n个OFDM帧，Ts是符号周期，则有：

因此Fn（t）对应于符号组Cn,k（k=O，1，…，N-1），每个都是在相应子载波fk上调制发送。

解调是基于载波gk（t）的正交性，即：

因此解调器将完成以下运算：

为了使一个OFDM系统实用化，可用DFT来完成调制和解调。

通过对式

（1）和式（4）的低通等效信号用采样速率为N倍的符号速率1/Ts进行采样，并假设f0=0（即该载波频率为最低子载波频率），则OFDM帧可表示为：

这样，利用前面的关系式，我们可得：

这样，对于一个固定乘性因子N，采样OFDM帧可通过离散傅里叶反变换（InverseDiscreteFourierTrans-form，IDFT）来产生（调制过程），而原始的发送数据可通过离散傅里叶变换（DFT）恢复出来（解调功能）。

图2给出基于FFT的OFDM通信系统。

3OFDM的同步问题

OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中与其他多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。

与其他数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。

在下行链路中，基站向各个移动终端广播发送同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。

在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。

基站根据各移动端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。

具体实现时，同步将分为时域和频域同步，也可以时域和频域同时进行同步。

本文主要探讨时域同步，时域同步主要有两种，即基于导频（Pilots）和基于循环前缀的同步。

一种新的MB-OFDM-UWB技术分析与应用

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2011-5-28|作者:

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hujinhao|查看:

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摘要：

实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容（OTA—C）连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。

仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为1～26MHz，阻带抑制率大于35dB，带内波纹小于0．5dB，采用1．8V电源，TSMC0．18μmCMOS工艺库仿真，功耗小于21mW，频响曲线接近理想状态。

关键词：

Butte

   1引言

超宽带（UWB）通信技术具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多径衰落、易数字化等诸多优点。

在因特网、多媒体和无线通信技术融合的今天，它是实现小范围内无缝覆盖的无线多媒体传输需求的热门技术手段，被视为新一代无线个域网物理层标准技术。

目前UWB有两大标准：

一是以Intel公司为首提交的多带正交频分复用（MB-OFDM）方案;另一个是以Freescale公司为首提交的直扩码分多址（DS-CDMA）方案。

而MB-OFDM方案已成为MBOA联盟事实上的标准。

在此基础上提出的时频交织MB-OFDM方式，与传统OFDM有很多相似之处，又符合FCC关于UWB的定义，具有UWB的特点，是一种新的UWB通信实现方式，使得MB-OFDM芯片得到了越来越多厂商的支持和应用。

2关键技术

1）多频带的划分

FCC公布UWB信号的定义是：

相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于0.2或绝对带宽大于500MHz的无线电信号。

UWB系统可在发射功率谱密度小于-41.3dBm/MHz的情况下，使用无需授权的3.1～10.6CHz频段。

这里没有限制UWB信号的实现方式，只要绝对带宽大于500MHz，并非要用脉冲无线电。

因此，MB-OFDM-UWB技术打破了传统观点。

可将这个频段分为14个带宽为528MHz的子带、5个频带组：

1组：

3168～4752MHz;2组：

4752～6336MHz;3组：

6336～7920MHz;4组：

7920～9504MHz;5组：

9504～1056MHz。

由于UWB有效带宽在3.1～5GHz，因此，只有1组中3个子带可用，其余保留备用。

2）时频交织（TFI）技术

时频交织技术示意图如图1所示。

OFDM符号在3个子带上进行时域频域交错传输，即在一个OFDM符号时间内，只有一个子带在工作。

通过交错各子带信号，UWB系统就像使用了整个带宽，这样就可在小得多的带宽上处理信息，不仅降低设计的复杂度、功耗及成本，而且还能提高频谱利用率和灵活性，有助于在全球范围内符合相关的标准。

3）循环前缀和保护间隔设计

每个子带内采用OFDM调制，用128点IFFT完成，每个子载波用QPSK实现星座映射。

OFDM符号间隔为312.5ns，3个符号为一个周期937.5ns，子载波间隔为4。

采用60.6ns循环前缀对抗多径，9.5ns保护间隔提供充足频带切换时间，IFFT周期为242.4ns，参数见表1。

通过跳频将信息比特交织到子载波上，有较好的频率分集效果和抗频率选择性衰落性能。

4）可扩展性设计

MB-TFI-OFDM技术具有良好的可扩展性，能兼顾到目前技术上的可实现性和可升级性。

信道编码采用卷积码，码率有1/3，11/32，1/2，5/8和3/4，系统支持的数据速率有55，80，110，160，200，320，480Mbit/s。

使用的频带可从3个频带组扩展到7个频带组。

3系统性能和特点

3.1性能分析

利用MATLAB软件对MB-TFI-OFDMUWB系统进行仿真，图2所示为跳频后的OFDM符号在3个子带上的功率谱密度仿真波形，可见，每个子带带宽约为528MHz，采用时频交织技术能实现在相同的时间内采用不同频段工作，而不会引起符号间干扰。

因此，在不同频带的3个OFDM信号可并行传输，系统容量大，信道利用率高，频谱更加灵活。

可靠性是系统性能的一个重要指标，在此用误包率曲线表示。

如图3所示，误包率是随着信噪比的增加而减小的，且相同误包率下，高速率对应高信噪比，因此，采用高速率的MB-TFI-OFDM超宽带系统，抗噪声和干扰能力很强，有很大灵活性，可方便适应不同地区的频谱规范。

但高速率只能在一定距离上获得，即传输距离和速率是相互制约的，因此UWB系统具有高速率、短距离等特点。

可见，这种MB-TFI-OFDMUWB技术是满足WPAN的数据速率与误码率和传输距离的要求的。

3.2技术优点

1）抗多径、捕获多径信号的能力强。

借助循环前缀克服多径信道引入的时延扩展，用结构较简单的接收机，就能在高度多径环境中捕获到更多信号，电路简单、成本低、功耗低，电池可支持移动设备长时间连续使用。

2）频谱灵活性强、共存性好。

UWB使用无需授权频段，确保不会对授权频段设备产生干扰。

MB-OFDM-UWB信号是由A/D转换器产生，可用软件动态地打开或关闭某些特定频段，使其符合本地规定，这有助于在不同国家内采用MB-OFDM系统。

3）设计复杂度低，上市快。

传统OFDM系统较复杂，MB-TFI-OFDM系统经过专门设计，只采用QPSK调制，降低了IFFT和FFT实现复杂度以及对ADC和DAC的分辨率要求。

模拟前端电路甚至总体结构的设计，易于用90nmCMOS实现，缩短了产品投放市场的时间。

4）安全机制建立方便。

可建立一个嵌入式、始终处于“开通”状态的安全架构，在协议栈的一些层次上提供安全性和隐私机制，确保无线技术所需的强壮性和对用户的透明度。

4技术应用与展望

4.1MBOA的UWB通用平台

由于IEEE802.15.3a标准出现僵局，MBOA于2004年初成立了特别兴趣小组，着手制订和推广自己的物理层和MAC层规范，力争成为全球事实标准。

2004年5月，WiMedia联盟和1394联盟与MBOA联合，使得MBOA的物理层和MAC层规范可广泛支持各种应用层业务，成为UWB标准通用平台，如图4所示，它可支持无线USB、无线1394、通用即插即用（UPNP）、IP等多种应用。

物理层规范具备了480Mbit/s的空中解码能力，可进一步升级，支持无线数字显示接口（DVI）和高清晰媒体接口（HDMI）以及Gbit/s速率的数据传输。

4.2Wisair-UWB芯片组

MBOA芯片已趋于成熟，具有代表性的产品是Wi-sair公司开发的UWB芯片组，已获得美国FCC认证。

该芯片组包括：

基于MB-OFDM方式的射频收发芯片（Wi-sair502PHYRFchip）和基带处理芯片（Wisair531MACBasebandchip）。

其中，用0.18μm硅锗biCMOS工艺生产的502收发器可替代业界第一批符合WiMedia和MBOA标准的501收发器。

它减少了UWB无线解决方案的功耗、尺寸和总成本，还支持多频带OFDMTFI和FFI模式。

占据的频谱在3.1GHz和4.8GHz之间，主要是3条528MHz宽子频带。

它可在短距离上提供高达480Mbit/s的数据传输速率。

此外，它包括一个片上带通滤波器、一个具有很宽可编程动态范围的宽带接收器、以及一个带有片上压控振荡器的超快速跳频宽带混频器。

其可编程的功率放大器可确保最大允许输出功率。

而且还支持用2个天线来实现天线分集，不需要外部匹配不平衡变压器。

Wisair531UWB基带芯片主要针对消费电子设备不断增长的对超高速视频和数据传送的需求。

它们也适用于快速实现PC外设、移动和汽车产品、以及要求在短距离上实现高速传送的其他应用。

4.3各厂商应用情况

2006年是UWB激活的一年，在全球超宽带峰会上，有12家厂商展示了UWB产品及解决方案。

2007年1月于美国消费电子展（CES）上，又有不少厂商展出了基于UWB技术的商用产品。

如美国DCREDNA研究所在梅赛德斯-奔驰R500上采用宽带技术实现高清视频播放，采用了Intel的UWB解决方案;三星SC-D365无线数字摄像机，是全球首个采用超宽带技术，以无缝方式显示了通过无线USB链路发送的视频剪辑，它不再需要取出内存或通过电线连接，而是能将家庭电影片段以无线方式传送到PC进行存储或显示;华硕公司的一款无线HDMI产品，采用UWB支持S-Video端口、HDMI信号以及A-DI的ADV202JPEG2000图像解码芯片，可用于高速影片图片传输、音乐下载、打印，以及PC外设与消费电子产品的数据同步。

2007年5月，香港应科院与深圳雅图科技演示了他们共同研发的“世界上第一台具无线超宽带视频流技术的超大屏幕投影电视”。

4.4存在问题与前景展望

UWB的应用推广有3个至关重要的问题：

一是标准问题，业界厂商要群策群力制定标准，才能带来广泛的互通和应用;二是产业链的跟进，包括芯片、系统厂商技术与产品的研发与推广;三是互联互通的网络结构和协议。

WPAN技术主要的目的就是将电子设备之间的连线替换成无线连接，使家庭或办公室中的各种设备之间的信息交换更加方便、灵活和快捷。

MB-OFDM-UWB技术又是实现WPAN的最佳选择之一，因此，在数字化无线家庭网络、数字化办公室、个人便携设备和军事等诸多领域都有着广阔的发展和应用前景。

5小结

MB-TFI-OFDM技术是UWB通信中一种新的实现方式，以它独特的优势，将会促进MB-OFDM芯片的商业化和产品化进程，使得MB-OFDM方案得到了越来越多厂商的支持与应用，从而有希望成为WPAN物理层的标准技术。

该技术仍处于起步阶段，市场潜力巨大，发展前景广阔。

我国应该抓住国际上UWB的研发热潮，积极参与国际标准化活动，根据具有自主知识产权的技术制定我国的相关标准，积极开拓UWB技术的产业化道路。

基于OFDM技术的4G通信网络应用

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发布时间：

2011/06/23|269次阅读|0次推荐|0条留言

　　引言

　　在21世纪，移动通信技术和市场飞速发展，在新技术、市场需求的共同作用下，出现了第三代移动通信系统-3G,3G中采用码分多址（CDMA）技术来处理多径问题，以获得多径分集增益。

　　然而在该体制中，多径干扰和多用户干扰始终并存，在用户数较多的情况下，实现多用户检测是非常困难的。

并且CDMA本身是一个自扰系统，所有的移动用户都占用相同的带宽和频率，所以在系统容量有限的情况下，用户数越多就越难达到较高的通信速率，因此3G系统所提供的2Mb/s带宽是共享式的，当多个用户同时使用时，平均每个用户可使用的带宽远低于2Mb/s,而这样的带宽并不能满足移动用户对一些多媒体业务的需求。

　　不同领域技术的综合与协作，伴随着全新无线宽带技术的智能化，以及定位于用户的新业务，这一切必将繁衍出新一代移动通信系统4G。

相比于3G,4G可以提供高达100Mb/s的数据传输速率，支持从语音到数据的多媒体业务，并且能达到更高的频谱利用率以及更低的成本。

　　为了达到以上目标，4G中必须采用其他相对于3G中的CDMA这样的突破性技术，尤其是要研究在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定、可靠、高效地支持高数据速率的数据传输。

因此，在4G移动通信系统中采用了OFDM技术作为其核心技术，它可以在有效提高传输速率的同时，增加系统容量、避免高速引起的各种干扰，并具有良好的抗噪声性能、抗多径信道干扰和频谱利用率高等优点。

　　本文将对OFDM的基本原理以及其调制/解调技术的实现和循环前缀技术进行介绍，并在三个主要方面将OFDM与CDMA技术进行对比分析。

　　2OFDM技术分析

　　2.1OFDM基本原理

　　正交频分复用的基本原理可以概述如下：

把一路高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输。

在频域内将信道划分为若干相互正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立地进行传输。

　　由于多径传播效应会造成接收信号相互重叠，产生信号波形间的相互干扰，形成符号间干扰，如果每个子信道的带宽被划分的足够窄，每个子信道的频率特性就可近似