OFDM的基本原理和简单应用

OFDM 的基本原理及其简单应用摘要：本文主要介绍OFDM的一些基本原理，并对OFDM的一些优缺点进行了 说明。正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波数字调制技术，OFDM技术 不像常规的单载波技术，而是在经过特别计算的正交频率上同时发送多路高速信 号。介绍了 OFDM的基本原理的同时展望了 OFDM标准化和在第四代移动通信 系统的应用。关键词：OFDM，DFT/IDFT，多载波调制，数字通信中图分类号： TN911 文献标致码： ABasic Principles and Simple Applications Of OFDM（Xian university of science and technology Communication and Information Systems Institute shanxixian 710054）Abstract：In this article， the principle of OFDM are introduced and OFDM are described some of the advantages and disadvantages. OFDM（orthogonal frequency division multiplexing） is a special digital modulation technology of multi-carriers. Unlike normal single carrier technology, OFDM can transmit a number of data streams simultaneously through its sub- carriers which are orthogonal. In the end, highlighted the standardization of OFDM and its applications in 4G mobile communication system.Key Words：OFDM， DFT/IDFT， Multi-carrier modulation， Digital communications 0.引言随着移动通信和数据通信的飞速发展，移动用户对业务种类和通信速率的要 求不断提高，正交频分复用（OFDM ）具有高的频谱利用率、良好的抗多径干扰 能力和抗短时间突发噪声（称为脉冲噪声）的能力，它可以增加系统容量，同时 能更好地满足多媒体通信的要求。OFDM是多载波调制（MCM）或离散多音频 （DMT ）的一种特殊形式，是一类多载波并行调制的体制，一种带宽有效性较 高的调制技术，并可以对抗时延扩展多径和脉冲噪声等信道干扰。它的一些主要 特点是：（1）为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部 分重叠。（2）各路已调信号是严格正交的，以便接收端能完全的分离各路信号。（3）每路子载波的调制是多进制调制。（4）每路子载波的调制制度可以不同，根据各个子载波处信道特性的优劣不 同采用不同的体制。1.OFDM 的基本原理1.1 多载波的基本原理 多载波就是把传输的宽带分成许多窄带子载波来并行传输，多载波可以在有 限的无线传播带宽中获得更高的传输速率。在单载波体制的情况下，码元持续时 间 T 很短，但占用带宽 B 很大，由于信道特性不理想，产生码间串扰。采用多 载波后码元持续时间TNT，码间串扰将得到改善。S1.2 正交子载波 子载波间正交可以使得载波间交叠而彼此间又不会因为交叠失真。因此用正 交子载波技术可以节省宝贵的频率资源。如图 1，图 2 所示。图1传统的频分复用(FDM)多载波技术图 2 OFDM 多载波调制技术1.3 正交频分复用正交频分复用(OFDM)是多载波调制(MCM)技术的一种。MCM的基本思想 是把数据流串并变换为 N 路速率较低的子数据流，用它们分别去调制 N 路子载 波后并行传输。因子数据流的速率是原来的1/N,即符号周期扩大为原来的N倍, 远大于信道的最大延迟扩展，这样MCM就把一个宽带频率选择性信道划分成了 N 个窄带平坦衰落信道(均衡简单),从而具有很强的抗无线信道多径衰落和抗脉 冲干扰的能力,特别适合于高速无线数据传输。 OFDM 是一种子载波相互混叠 的MCM,因此它除了具有上述MCM的优势外，还具有更高的频谱利用率。 OFDM 选择时域相互正交的子载波,它们虽然在频域相互混叠,却仍能在接收 端被分离出来。如图 3所示。N图 3 OFDM 原理框图2. OFDM的调制和解调的基本原理无线信道的频率响应曲线通常是非平坦的,而 OFDM 技术的主要思想就是 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，并目各子载波并行传输。这样，每条链路都可以独立调制，因而该系统不 论在上行还是在下行链路上，都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。因此， 尽管总的信道是非平坦的，且具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的， 在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，这样就可以 大大消除信号波形间的干扰。由于在 OFDM 系统中各个子信道的载波相互正交， 于是它们的频谱是相互重异的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提 高了频谱利用率。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会 被利用在容易被外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输环境中。另外 OFDM 之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅里叶反变换 /离散傅 里叶逆变换（DFT/IDFT）代替多载波调制和解调，而目前，采用DSP或FPGA 实现DFT/IDFT的技术已非常成熟和方便。在正交频分复用系统中，正交的子载波可通过离散傅里叶变换（DFT ）获得 （在实际应用中，用快速傅里叶变换FFT），OFDM的基带信号为：频带信号为：N 1s (t) = X a j 2 兀 k Aft kk=0s(t ) =0tTf 为载波频率， N 为子载波个数， TcAf =1/T =1/ NT 。 离散傅里叶变换kk=0其中： a 为分配给每个子信道的数据符号， k表示OFDM符号宽度，Af为子载波间隔。用于发射端。在接收端，对 OFDM 符号进行解调的过程中，需要计算这点上所对应的每 个子载波频率的最大值，因为在每个子载波频率最大处，所有其他子载波的频谱 值恰好为 0，所以可以从多个互相重叠的子信道符号中提取每个子信道符号，而 不会受到其他子信道的干扰（假设有精确的同步）。2.1 OFDM 技术的优势（1）OFDM 技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波 系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅 仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道可以采用纠错码来进行纠错。（2）在OFDM系统中，每条链路都可以独立调制，因而该系统不论在上行 还是在下行链路上都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。这就可以引入“自适应调制”的概念。它增加了系统的灵活性，例如，在信道好的条件下终端可以 采用较高阶的如64QAM调制以获得最大频谱效率，而在信道条件变差时可以选 择QPSK（四相移相键控）调制等低阶调制来确保信噪比。这样，系统就可以在频 谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。（3）可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的 高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带 凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总 的误码率性能要好得多。（4）通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本 身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均 衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。5）该技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化。由于通 信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以 OFDM 能动态地与之相适应， 并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信。(6) 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法，从而简化系统。采用现 场可编程门阵列(FPGA)进行IFFT/FFT等数字信号处理，不仅加速了产品上市时 间，还可满足现在和下一代便携式设计所需要的成木、性能、尺寸等方而的要求， 并提供系统级支持和享有快速有效地对新设计进行优化的灵活性。(7) 信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要，当 子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于 2Baud/Hz。3.OFDM 技术的应用近年来，OFDM技术已经在多例欧洲无线通信应用中被采用，如ETSI标准 的数字音频广播(DAB)、陆地数字视频广播(DVB-T)。在美国，OFDM应用于 MMDS(多点多信道分布式服务)，WLAN应用标准IEEE 802. 11a和ETSI(欧洲通 信标准委员会)的HiperLAN/ 2标准同样采用OFDM作为调制方式.IEEE 802. l la 工作在5G Hz频带，速率可达54Mb/s, HiperLA N/ 2最高速率与IEEE802. 11a 相同，在实际应用中最低也能保持在 20 Mb/s 左右。有线应用也同样采用了基于 OFDM的系统，如xDSL技术的离散多音频系统和有线调制器等均应用了 OFDM 技术。据估计，至2006年底，基于OFDM的AT &T固定无线宽带用户将达4 500 万户。AT &T和北电网络计划中的第四代(4G)无线网络，已拟定以EDGE(全球 演进的增强数据)作为上行， OFDM 作为下行。在物理层采用 OFDM 的优势表现 在对窄带信道的简化均等、系统的高吞吐量和良好的噪声抑制特性等方面。在宽 带无线接入领域， OFDM 的应用前景广阔。OFDM 采用一种不连续的多音调制技术，将被称为载波的不同频率中的大 量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在噪声干扰环 境下传送信号的能力，因此常被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较 差的传输介质中。 OFDM 技术目前已被广泛应用于广播式音频、视频领域和民 用通信系统中，主要应用包括ADSL,ETSI标准的数字音频广播(DAB)、数字视 频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)、宽带无线接入(BWA) 等。OFDM可以应用于速率高于10Mb/s的宽带无线接入系统.在宽带无线接入领 域，许多公司开发的技术都基于OFDM，并各具特色，形成了一些专利技术， 如 VectorOFDM ( VOFDM ) ， Wideband-OFDM(WOFDM)， flash-OFDM 等。目 前在OFDM领域已有两大阵营：宽带无线Internet论坛(BWIF)和OFDM论坛， 两大阵营都力争使自己的 OFDM 模式成为标准。实际上，这几个主要的 OFDM 技术具有不同的特点，因此其应用场合也各有不同。4.结语OFDM 技术以其抗多径衰落、高的频谱利用率、均衡简单等诸多优势，被 认为有希望成为第4代(4G)移动通信的关键技术，特别是OFDM与CD-MA的 结合，成为人们研究的热点。然而 OFDM 应用于 4G 却不能够完全被肯定，这 主要是因为OFDM存在两个致命缺点，即高的峰均功率比(PA-PR)和对频率偏移 的敏感性。前者导致了非常低的射频功放效率和昂贵的发射机成本，而后者则导 致了同步的复杂，这两者都不利于移动终端尺寸限制等要求，成为 OFDM 应用 于移动通信的主要障碍。目前，许多科研工作者正致力于此， OFDM 技术也正 逐步成熟起来。参考文献1 李白萍.现代通信理论.西安电子科技大学出版社.西安.2006 年2 李向宁，谈振辉.OFDM基本原理及其在移动通信中的应用.现代通信研究所. 第 15 卷第 2 期 2003 年 6 月3 张兆信.基于OFDM的无线移动通信.河北大学，电信学院.第60卷第3期2005 年4 李悦.OFDM关键技术研究.西安武警工程学院.第34卷第2期2005年5 陈天华.OFDM技术及其在无线通信中的应用.北京工商大学，信息工程学院. 第 24 卷第 5 卷.2006 年 9 月6 樊昌信，曹丽娜. 通信原理.国防工业出版社.北京.2009 年