浅谈OFDM技术.docx

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浅谈OFDM技术

浅谈OFDM技术

摘要

在无线信道环境中可靠、高速的传输数据是无线通信技术的目标和要求。

OFDM技术能够大幅度的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效地抵抗多经衰落、抑制干扰和噪声，因此，OFDM在无线通信系统中广泛应用。

本论文以OFDM系统为基础，介绍了OFDM系统的基本原理，以及使用OFDM技术的优势所在，展望了今后的无线移动技术的发展前景。

在简单介绍OFDM原理的同时，给出了OFDM系统模型。

关键词：

正交频分复用

1绪论

目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，然而基于支持话音业务的电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要，但是对于高速数据业务来说，单载波TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）系统和窄带CDMA系统中都存在很大的缺陷。

由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较严重的符号间干扰（ISI：

Inter-SymbolInterference），因此对单载波TDMA系统中使用的均衡器提出非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，而均衡算法的复杂度也会大大增加。

对于窄带CDMA来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。

保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就大大限制了CDMA系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量受到一定的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应的提高带宽。

此外，CDMA系统内的一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进行探测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延，因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在缺陷。

因此，人们开始关注正交频分复用（OFDM）系统，希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度。

正交频分复用（OFDM：

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）的提出已有近40年的历史，第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。

但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。

经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。

近年来，由于DSP（digitalsignalprocessing）技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。

OFDM技术已经成功地应用于数字音频广播（DAB）、高清晰度电视HDTV（High-definitionTelevision）、无线局域网WLAN（WirelessLocalAreaNetwork），它在移动通信中的运用也是大势所趋。

1999年IEEE802.11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用并作为它的物理层标准。

2OFDM基本介绍

正交频分复用（OFDM）技术与已经普遍熟知应用的频分复用（FDM：

FrequencyDivisionMultiplexing）技术十分相似，与FDM基本原理相同，OFDM把高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输，不同的是，OFDM技术利用了更好的控制方法，使频谱利用率有所提高。

OFDM与FDM的主要差别为以下几方面：

第一，在常规的广播系统中，每一个无线站在不同的频率上发送信号，有效的运用FDM来保证每个站点的分隔，广播系统中的每一个站点没有任何的同位或同步；但使用OFDM传播技术，譬如DAB，从多个无线站来的信息信号被组合成一个单独的复用数据流，这些数据是由多个子载波密集打包组成，然后将在OFDM体系中传输，在OFDM信号内的所有子载波都是在时间和频率上同步的，使子载波之间的干扰被严格控制。

这些复用的子载波在频域中交错重叠，但因为调制的正交性且采用循环前缀作为保护间隔，所以不会发生载波间干扰ICI（Inter-CarrierInterference）。

第二，对传统的频分复用（FDM）系统而言，传播的信号需要在两个信道之间存在较大的频率间隔即保护带宽来防止干扰，这降低了全部的频谱利用率；然而应用OFDM的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽，提高了频谱利用率，如图2.1所示。

在早期时候，正交频分复用（OFDM）系统中，各子载波采用正交滤波器将信道分成多个子信道，但要用很多的滤波器，尤其是当路数增多的时候。

OFDM系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调，从而大大简化系统实现的复杂度。

图2.1FDM与OFDM带宽利用率的比较

正交频分复用系统是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。

多载波传输把数据流分解成若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。

正交频分复用是对多载波调制（MCM：

Multi-CarrierModulation）的一种改进。

它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。

选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。

在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。

2.1OFDM的产生和发展

OFDM的思想早在60年代就已经提出，由于使用模拟滤波器实现起来的系统复杂度较高，所以一直没有发展起来；70年代，S.B.Weinstein提出用离散傅立叶变换（DFT）实现多载波调制，为OFDM的实用化奠定了理论基础；80年代，L.J.Cimini首先分析了OFDM在移动通信中应用存在的问题和解决方法。

从此以后，OFDM在移动通信中的应用才如火如荼地开展起来。

图2.2为OFDM系统收发端的典型框图。

发送端将被传输的数字数据转换成子载波幅度和相位的映射，并进行IDFT变换将数据的频谱表达式变到时域上。

IFFT变换与IDFT变换的作用相同，只是有更高的计算效率，所以适用于所有的应用系统。

其中，上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。

由于FFT操作类似于IFFT，因此发射机和接收机可以使用同一硬件设备。

当然，这种复杂性的节约则意味着该收发机不能同时进行发送和接收操作。

接收端进行发送端相反的操作，将RF信号与基带信号进行混频处理，并用FFT变换分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。

IFFT和FFT互为反变换，选择适当的变换将信号接收或发送。

当信号独立于系统时，FFT变换和IFFT变换可以被交替使用。

图2.2OFDM收发机框图

2.2保护间隔、循环前缀和子载波数的选择

应用OFDM的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。

通过把输入数据流串并变换到

个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的

倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降低

倍。

为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔（GuardInterval）,而且该保护间隔长度

一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。

在这段保护间隔内可以不插任何信号，即是一段空白的传输时段。

然而在这种情况下，由于多径传播的影响，则会产生载波间干扰（ICI）,即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间的产生干扰。

这种效应可见图2.3所示。

由于每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也可同时出现该OFDM符号的时延信号，图2.4给出了第一子载波和第二子载波的时延信号。

从图中可以看到，由于在FFT运算时间长度内，第一子载波和第二子载波之间的周期个数之差不在是整数，所以当接收机试图对第一个子载波进行解调时，第二子载波会对第一子载波造成干扰。

同样，当接收机对第二子载波进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。

图2.3多径情况下空闲保护间隔在子载波间造成的干扰

在系统带宽和数据传输速率都给定的情况下，OFDM信号的符号速率将远远低于单载波的传输模式。

例如在单载波BPSK调制模式下，符号速率就相当于传输的比特速率，而在OFDM中，系统带宽由

个子载波占用，符号速率则

倍低于单载波传输模式。

正是因为这种低符号速率使OFDM系统可以自然地抵抗多径传播导致的符号间干扰（ISI），另外，通过在每个符号的起始位置增加保护间隔可以进一步抵制ISI，还可以减少在接收端的定时偏移错误。

这种保护间隔是一种循环复制，增加了符号的波形长度，在符号的数据部分，每一个子载波内有一个整数倍的循环，此种符号的复制产生了一个循环的信号，即将每个OFDM符号的后

时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成前缀，在交接点没有任何的间断。

因此将一个符号的尾端复制并补充到起始点增加了符号时间的长度，保护间隔的插入如图2.4所示。

图2.4加入保护间隔的OFDM符号

符号的总长度为

=

＋

，其中

为OFDM符号的总长度，

为采样的保护间隔长度，

为FFT变换产生的无保护间隔的OFDM符号长度，则在接收端采样开始的时刻应该满足式2.1：

（2.1）

其中

是信道的最大多径时延扩展，当采样满足该式时，由于前一个符号的干扰只会在存在于[0,

]，当子载波个数比较大时，OFDM的符号周期

相对于信道的脉冲响应长度

很大，则符号间干扰（ISI）的影响很小，将会没有符号间干扰（ISI）；而如果相邻OFDM符号之间的保护间隔

满足

≧

的要求，则可以完全克服ISI的影响。

同时，由于OFDM延时副本内所包含的子载波的周期个数也为整数，时延信号就不会在解调过程中产生ICI。

OFDM系统加入保护间隔之后，会带来功率和信息速率的损失，其中功率损失可以定义为

（2.2）

从式2.2可以看到，当保护间隔占到20％时，功率损失也不到1dB。

但是带来的信息速率损失达20％。

而在传统的单载波系统中，由于升余弦滤波也会带来信息速率（带宽）的损失，这个损失与滚降系数有关。

但由于插入保护间隔可以消除ISI和多径所造成的ICI的影响，因此这个代价是值得的。

加入保护间隔之后基于IDFT（IFFT）的OFDM系统框图如图2.5。

图2.5加入保护间隔之后基于IDFT（IFFT）的OFDM系统框图

通过适当选择子载波个数N，可以使信道响应平坦，插入保护间隔还有助于保持子载波之间的正交性，因此OFDM有可能完全消除ISI和多径带来的ICI的影响。

2.3子载波调制与解调

2.3.1调制

OFDM采用四种调制方式，分别为BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。

调制方式的选择根据SIGNAL中的RATE及速率来决定。

6Mbits和9Mbits用BPSK,12Mbits和18Mbits用QPSK,24Mbits和36Mbits用16QAM,48Mbits和54Mbits用64QAM。

调制方法如下：

首先，把输入的二进制序列分成长度为

＝1，2，4，6的组，分别对应BPSK,QPSK,16QAM和64QAM。

接下来，把这些二进制序列组分别映射为星座图中对应的点的复数表示，其实是一种查表的方法。

为了所有的映射点有相同的平均功率，输出要进行归一化，所以对应BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，分别乘以归一化系数1，

。

输出的复数序列即为映射后的调制结果。

2.3.2解调

由于在通信系统中存在噪声等干扰的影响，故信息在传输过程中会产生失真，解调接收就要求最大可能的减少误差。

在本实验中，解调的方法：

首先，求出接收端信号值（复数形式表示）与星座图中各点的距离，接下来求出所有距离中的最小值，则将星座图中该点所对应的二进制值作为解调的结果输出。

与调制相对应，要除以归一化系数。

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