江苏大学通信原理OFDM正交频分复用技术论 本文关键词：正交，复用，原理，通信，江苏大学
江苏大学通信原理OFDM正交频分复用技术论 本文简介：OFDM正交频分复用技术班级：电信1202学号：3120503030姓名：刘欢一、简介OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(MultiCarrierModulation)，多载波调制的一种。一种调制技术，
江苏大学通信原理OFDM正交频分复用技术论 本文内容：
OFDM正交频分复用技术
班级：电信1202
学号：3120503030
姓名：刘欢
一、简介
OFDM(Orthogonal
Frequency
Division
Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(Multi
Carrier
Modulation)，多载波调制的一种。一种调制技术，它用大量的正交子载波以并行方式发送符号块。数据被分成多个块，在各子载波上以并行方式发送。这样能增加符号周期，减小延迟扩散效应。·
OFDM有时候也被称为DMT(分离多音调制),是一种基于FDM的传输技术，它把数据分割成独立的符号并通过不同的频率传送它们。
·
OFDM采用采用高速的FFT/IFFT功能
。
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OFDM需要附加的补偿电路以解决多径、多普勒以及衰落造成的干扰。
OFDM是一种多载波传输技术，N个子载波把整个信道分割成N个子信道，N个子信道并行传输信息。OFDM系统有许多非常引人注目的优点。第一，OFDM具有非常高的频谱利用率。普通的FDM系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔（频带），以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。OFDM系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，OFDM系统的各子信道信号的分离（解调）是靠这种正交性来完成的。另外，OFDM的个子信道上还可以采用多进制调制（如频谱效率很高的QAM），进一步提高了OFDM系统的频谱效率。第二，实现比较简单。当子信道上采用QAM或MPSK调制方式时，调制过程可以用IFFT完成，解调过程可以用FFT完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。第三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的OFDM系统均采用循环前缀（Cyclic
Prefix，CP）方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性的破坏，因此OFDM系统具有很好的抗多径干扰能力。OFDM的子载波把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的，这使得OFDM系统子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可。
二、发展和研究现状
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84
Hz。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(Discrete
Fourier
Transform，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(Cyclic
Prefix，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19.2
kb/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。
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。
三、基本原理
众所周知无线通信传输信号的路径有很多，这就是所谓的多径效应，OFDM的最初提出是为了解决多径效应对数据传输的影响。高数据传输速率使得符号周期非常小，如果符号传输出现多径时延，可能会影响到后面好几个符号。多载波调制可以把高数据流分成很多个低数据流，这样就使符号周期增大了，从而大大减弱符号间干扰（ISI），如果在符号间加上保护间隔，可以完全消除上面提到的ISI。如果从带宽频域解释OFDM解决ISI的角度，符号带宽小于信道的相关带宽（相关带宽内幅度恒定，线性相位），信号在信道内只有平坦衰落。
正交频分复用的技术关键就是实现并保护好子载波间的正交性，接受端收到的信号x(t)与子载波相乘后通过积分器，不同频率的载波相乘积分后为零，只有相同载波积分后得到原始符号。正是由于每个子载波的正交性，我们可以是子载波的频谱重叠并靠近Nyquist
带宽，从而大大提高了频谱的利用率，所以非常适合移动场合中的高速传输。多径传输的符号干扰时个头疼的问题，OFDM为解决这样的问题在符号间加上保护间隔内，保护间隔可以不传输任何信号。这样的情况下仍然解决不了信道间干扰（ICI），子载波之间的正交性遭到破坏，接收端就不能很好的恢复出原始信号，这点是毁灭性的。OFDM的解决方法是把符号后面长度是Tg（保护间隔的长度）的部分拿到每个符号的前面当做保护间隔来传输，这种方法就叫做循环前缀。这样就使得在FFT周期内，OFDM符号的延时副本所包含的波形的周期个数是整数，从而解决了ICI。将原符号块最后信号放到原符号块的前部，构成新序列，时域中原来发送信号与信道响应的线性卷积变为圆周卷积。
OFDM是一种多载波传输技术，N个子载波把整个信道分割成N个子信道，N个子信道并行传输信息。OFDM系统有许多非常引人注目的优点。第一，OFDM具有非常高的频谱利用率。普通的FDM系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔（频带），以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。OFDM系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠，但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，OFDM系统的各子信道信号的分离（解调）是靠这种正交性来完成的。另外，OFDM的个子信道上还可以采用多进制调制（如频谱效率很高的QAM），进一步提高了OFDM系统的频谱效率。第二，实现比较简单。当子信道上采用QAM或MPSK调制方式时，调制过程可以用IFFT完成，解调过程可以用FFT完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。第三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的OFDM系统均采用循环前缀（Cyclic
Prefix，CP）方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性的破坏，因此OFDM系统具有很好的抗多径干扰能力。OFDM的子载波把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的，这使得OFDM系统子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可。
当然，与单载波系统比，OFDM也有一些困难问题需要解决。这些问题主要是：第一，同步问题。理论分析和实践都表明，OFDM系统对同步系统的精度要求更高，大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降，还会破坏子载波间的正交性，造成载波间干扰，从而大大影
响系统的性能，甚至使系统无法正常工作。第二，OFDM信号的峰值平均功率比（Peak-to-Average
Power
Ratio，PAPR）往往很大，使它对放大器的线性范围要求大，同时也降低了放大器的效率。
OFDM技术已经或正在获得一些应用。LTE及未来的4G的物理层关键技术将采用OFDM。在广播应用中欧洲的ETSI（European
Telecommunication
Standard
Institute，欧洲电信标准学会）已经制定了采用OFDM技术的数字音频广播（Digital
Audio
Broadcasting,DVB）的标准，数字视频广播（Digital
Video
Broadcasting，DVB）的标准也正在制定中；在宽带无限接入应用中，IEEE
802.11a及IEEE
802.16都有基于OFDM技术的建议，ETSI的HiperLAN
II也是一种基于OFDM技术的标准；在数字蜂窝移动通信中应用中，OFDM是目前研究的热点技术之一；在有线宽带接入技术中，例如xDSL（各种高速数字用户线）技术中，OFDM的一种特殊形式——DMT（Discrete
Multitone）以获得广泛应用。
当各子载波用QAM或MPSK进行调制时，如果基带信号采用矩形波，则每个子信道上已调信号的频谱为()Sax形状，其主瓣宽度为2/sTHz，其中sT为OFDM符号长度（不包括CP）。由于在sT时间内共有OFDM信号的N个抽样，所以OFDM信号的时域抽样周期为
/sTN。由于相邻子载波之间的频率间隔为/sffN，其中sf为OFDM信号的抽样频率，
即/ssfNT，所以
/1/ssffNT。即这些已调子载波信号频谱函数()Sax的主瓣宽度为2/sT，间隔为1/sT。根据()Sax函数的性质，知道它们在频域上正交，这就是正交频分复用（OFDM）名称的由来。
我们知道，一般的频分复用传输系统的各子信道之间要有一定的保护频带，以便在接收端可以用带通滤波器分离出各子信道的信号。保护频带降低了整个系统的频谱利用率。
OFDM系统的子信道间不但没有保护频带，而且各子信道的信号频谱还相互重叠，如图所示，这使得OFDM系统的频谱利用率相比普通频分复用系统有很大提高，而各子载波可以采用频谱效率高的QAM和MPSK调制方式，进一步提高了OFDM系统的频谱效率。
应该指出，由于循环前缀的影响，OFDM信号的频谱结构将发生一定的变化，但这仅仅使信号的某些频谱成份得到增强，而不会使OFDM信号增加新的频率成份。我们知道，移动信道一般存在多径传播问题，使信道表现出明显的衰落特性。信道的多径衰落在单载波传输系统中往往会产生严重的码间干扰，使得接收机往往需要比较复杂的均衡滤波器，所以设计单载波高速移动通信系统的均衡器是一项富有挑战性的工作。
OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。我们通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。无线多径信道的频率选择性衰落会使接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。OFDM技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK（频谱效率1bit/s/Hz）转化成16QAM－64QAM（频谱效率4～6bit/s/Hz），整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的提高。自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必须包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。终端还要定期更新调制信息，这也会增加更多的开销比特。OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如64QAM），或者在低调制方式（如QPSK）时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡。也就是说对于一个发射台，如果它有良好的信道，在发送功率保持不变的情况下，可使用较高的调制方案如64QAM；如果功率减小，调制方案也就可以相应降低，使用QPSK方式等。自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和精确的了解，如果在差的信道上使用较强的调制方式，那么就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏。发送一个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。
四、小结
为了满足未来无线多媒体的通信需求，人们正加紧实现3G系统商业化的同时，开始了后3G的研究。从技术方面看，3G主要以CDMA为核心技术，而未来移动通信系统技术则以OFDM关注。在宽带接入系统中，OFDM是一项基本技术。由于该系统良好的特性，将成为下一代蜂窝移动通信网络的无线接入技术。许多大学、著名公司已充分看清OFDM技术的应用前景。纷纷开展了对无线OFDM的研究工作，除了解决OFDM的同步、峰值平均功率比高等传统难题外，还包括OFDM与空时码、联合发送、联合检测、智能无线、动态分组分配等相结合的研究工作。目前一些研究表明，它们能够提高无线OFDM系统的性能，将形成未来OFDM系统的核心技术。对这些方面的研究是当前一个非常活跃的研究领域，有许多课题需要我们做进一步的深入研究。
参考文献
[1]汪裕民.OFDM关键技术裕应用[M].北京：机械工业出版社，2006:22-31,73-78.
[2]佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术理论与应用[M].北京：人民邮电出版社，2003.
[3]冯玉珉，郭玉春，张星，卢燕飞.通信系统原理学习指南[M].北京：北京交通大学出版2006.
[4]佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2003
[5]刘卫国.MATLAB程序设计教程[M].北京：中国水利水电出版社，2005
[6]Robert.L.OFDM正交分频多工基本原理[R]，2006