OFDM技术及应用论文

现代通信系统讲座论文OFDM 技术及应用学 院：信息科学与工程学院专 业： 通信工程 班 级： 姓 名： 学 号： 任课教师： 2017 年 12 月摘 要OFDM技术是一种多载波调制技术，最初用于军事通信，由于采用DFT 实现多载波调制，同时LSI的发展解决了IFFT/FFT的实现问题以及其他关键技术的突破，OFDM开始向诸多领域的实际应用转化，现在成为一种很有发展前途的调制技术。本文首先分析了OFDM的基本原理，并说明其技术优点和缺点，然后提及有关OFDM技术发展方面的一些信息。现在，OFDM 在许多领域取得成功应用，这里对有关无线局域网中的OFDM 应用现状作了简要说明， 对OFDM的应用前景也作了展望。 关键词：正交频分复用（OFDM），原理，特点，发展，应用 一 、 OFDM 技 术 背 景 及 意 义OFDM 由 多 载 波 调 制 (MCM)发 展 而 来 。 由 于 OFDM 的 各 个 子 载 波 之 间 相 互正 交 ， 采 用 FFT 实 现 这 种 调 制 ， 但 在 实 际 应 用 中 ， 实 时 傅 立 叶 变 换 设 备 的复 杂 度 、 发 射 机 和 接 收 机 振 荡 器 的 稳 定 性 以 及 射 频 功 率 放 大 器 的 线 性 要 求 等因 素 制 约 了 OFDM 技 术 的 实 现 。 本 论 文 初 步 介 绍 了 OFDM 的 相 关 技 术 应 用 。随 着 人 们 对 于 通 信 数 据 化 、 宽 带 化 、 个 人 化 和 移 动 化 的 需 求 ， OFDM 技 术在 固 定 无 线 接 入 领 域 和 移 动 接 入 领 域 将 越 来 越 得 到 广 泛 的 应 用 。 在 设 计 过 程中 ， 通 过 对 通 信 原 理 的 回 顾 和 总 结 ， 以 及 查 阅 相 关 的 信 源 信 道 编 码 以 及 模 数 ，数 模 转 换 相 关 知 识 ， 达 到 设 计 目 的 ， 在 不 断 学 习 新 的 知 识 以 及 归 纳 复 习 老 的知 识 的 同 时 ， 提 高 自 身 对 电 子 线 路 的 设 计 能 力 。二 、 系 统 设 计 的 基 础 知 识 及 技 术 分 类2.1 OFDM 的 基 本 概 念OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术。是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，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，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM 技术的主要思想是将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。OFDM 单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流(100Hz-50kHz)，每个码流用一条载波发送。OFDM 采用跳频方式选用即便频谱混叠也能保持正交的波形，所以 OFDM 既有调制技术，也有复用技术。OFDM 增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或干扰会导致整条链路不可用，但在多载波系统中，只会有一小部分载波受影响。纠错码的应用可以恢复一些易错载波上的信息。 2.2.1 OFDM 的 基 础OFDM 是一种高速数据传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落等恶劣传输条件的性能。传统的频分复用方法中各 个子载波的频谱是互不重叠的， 需要使用大量的发送滤波器和接 受滤波器，这样就大大增加了系 统的复杂度和成本。同时，为了 减小各个子载波间的相互串扰， 各子载波间必须保持足够的频率 间隔，这样会降低系统的频率利 用率。而现代OFDM 系统采用数 字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠（如图 1 所示） ，但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。（图 1）正交频分复用信号的频谱示意图 2.2.2 OFDM 算 法 与 基 本 系 统 结 构由上面的原理分析可知，若要实现 OFDM，需要利用一组正交的信号作为子载波。我们再以码元周期为 T 的不归零方波作为基带码型，经调制器调制后送入信道传输。 OFDM 调制器如图 2 所示。要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了M 个复数序列，此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为 T 的 M 路并行码，码型选用不归零方波。用这 M 路并行码调制 M 个子载波来实现频分复用。在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调，恢复出原始信号。OFDM 解调器如图 3 所示。 （图2） OFDM调制器（图3） OFDM解调器2.2.3 OFDM 的 信 号 发 送 和 接 收 原 理OFDM 系统的基本原理就是将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。OFDM 信号的发送过程需要经过下面几个步骤：（1）编码：在基于 OFDM 调制技术的系统中，编码采用 Reed-Solomon 码、卷积纠错码、维特比码或 TURBO 码。（2）交织：交织器用于降低在数据信道中的突发错误，交织后的数据通过一个串并行转换器，将 IQ 映射到一个相应的星座图上。在这里 I 代表同相信号，Q 代表正交信号。（3）数字调制：在 OFDM 方式中，采用星座图将符号映射到相应的星座点上。这一过程产生 IQ 值，它们被过滤并送到 IFFT 上进行变换。（4）插入导频：为了能够使接收稳定，在每 48 个子载波中插入 4 个导频信息。（5）串并转换：使串行输入的信号以并行的方式输出到 M 条线路上。这 M条线路上的任何一条上的数据传输速率则为 R/M 码字/秒。（6）快速傅立叶逆变换：快速傅立叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此，用户的原始输入数据就被 OFDM 按照频域数据进行了处理。（7）并串转换：用于将并行数据转换为串行数据。（8）插入循环前缀并加窗：循环前缀为单个的 OFDM 符号创建一个保护带，在信噪比边缘损耗中被丢掉，以极大地减少符号间干扰。（图 4）用离散傅立叶变换实现 OFDM 的解调器2.3 OFDM 的 技 术 简 析重点探讨了 OFDM 的关键技术，如何降低 PAPR，信道估计技术和同步技术。在以往的解决办法中主要是通过加训练序列以及插导频等方法来实现同步，但这势必会影响通信系统传输的效率，所以利用了一种基于循环前缀相关性判断的方法来为 OFDM 系统进行符号的同步监测。实现 OFDM 的关键技术包括：同步技术、降低 PAPR（功率峰均值比） 技术、信道估计与均衡等。2.3.2 OFDM 的 关 键 技 术（1）同步技术在 OFDM 系统中，N 个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使 OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏离它正确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差破坏子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时，就可以用内插滤波器来控制正确的时间进行采样。相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响，其次也会引入一定量的信道间干扰（ICI） ，因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/T 了。OFDM 中的同步通常包括 3 方面的内容：帧检测，载波频率偏差及校正， 采样偏差及校正。由于同步是 OFDM 技术中的一个难点，因此，很多人也提出了很多 OFDM 同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的 ESPRIT 同步算法和 ML 估计算法，其中 ESPRIT 算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而 ML 算法利用 OFDM 信号的循环前缀，可以有效地对 OFDM 信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与 ESPRIT 算法相比，其计算量要小得多。对 OFDM 技术的同步算法研究得比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。OFDM系统对定时频偏的要求是小于 OFDM 符号间隔的 4%，对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的 1%2%，系统产生的 3dB 相位噪声带宽大约为子载波间隔的0.01%0.1%。（2）功率峰值与均值比（PARP）的解决OFDM 包络的不恒定性可以用 PAPR 来表示。PAPR（Peak to Average Power Ratio）是峰值功率与平均功率之比。PAPR 越大，系统的包络的不恒定性越大。因此要改善系统性能，就是要设法减小 PAPR。 由于 OFDM 信号为多个正弦波的叠加，当子载波个数多到一定程度时，由中心极限定理，OFDM 符号波形将是一个高斯随机过程，其包络是不恒定的。这种现象在非线性限带信道中是不希望出现的，经非线性放大器后，包络中的起伏虽然可以减弱或消除，但与此同时却使信号频谱扩展，其旁瓣将会干扰临近频道的信号。这在 OFDM 系统中将引起相邻信道之间的干扰，破坏其正交性。一般而言，发射机中的高频放大器 HPA 具有很强的非线性特征。为了不使频谱扩展得太厉害，HPA 必须工作在有很大回退量（Back off）的状态，这样会浪费很大功率。因此如果没有改善 OFDM 对非线性的敏感性的措施，OFDM 技术将不能用于使用电池的传输系统，如手机等移动设备。一般通过以下几种技术解决。限幅（Clipping）技术：是一种简单而有效的降低 PAPR 的方法，但是它可以导致带内信号的失真和带外频谱弥散，从而使误码率性能恶化。高速率编码是一种对信码进行的简单编码，它可以从统计特性上降低大的 PAPR 出现的概率。编码技术：分组编码的方法既可以绝对地降低 PAPR，也具有一定的纠错能力。OFDM 信号的复包络依赖于发送数据信号序列的非周期自相关函数旁瓣。如果旁瓣小，则信号的起伏就小，即 PAPR 小，就可以得到准恒定（Quasi-Constant）幅度信号。因此，需要寻找自相关函数旁瓣小的发送信号序列。Golay 二进制序列（即 Complementary）就是一种旁瓣小的序列。即使是它扩展到多相位序列，也仍然满足旁瓣小的特性。可以证明，Golay 序列的 PAPR 不超过 3dB。基于互余序列的分组码的基本思想就是避免使用 PAPR 高的码子。通过采用基于互余序列的分组码，在 PAPR 的控制在 3-6dB 情况下，系统可以得到很大的编码增益，并改善了 error-floor 性能。扰码技术：采用扰码技术，使生成的 OFDM 的互相关性尽量为 0，从而使OFDM 的 PAPR 减少。这里的扰码技术可以对生成的 OFDM 信号的相位进行重置，典型的有 PTS 和 SLM。（3）训练序列和导频及信道估计技术接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。尤其是在 OFDM 系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。在系统采用相干检测时，信道估计是必须的。此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。在 OFDM 系统中，导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽，在时域上，导频的间隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小于相干带宽。在实际应用中，导频模式的设计要根据具体情况而定。三 、 OFDM 的 优 缺 点 及 应 用 发 展3.1 OFDM 的 优 缺 点OFDM 技术能同时分开多个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行。正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力” ，使得 OFDM 技术深受欧洲通信运营商以及手机生产商的喜爱和欢迎。OFDM 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，通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，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。该技术可以自动地检测传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。OFDM 技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号撒播的地区、高速的数据传播及播音都希望删除多路影响的地方。3.1.1 OFDM 的 优 点OFDM 存在很多技术优点见如下，在 3G、4G 中被运用，作为通信方面其有很多优势：（1） 在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM 技术能同时分开至少1000 个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的 CDMA 技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得 OFDM 技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎，例如加利福尼亚 Cisco 系统公司、纽约 Flarion 工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大 WI-LAN 工学院也开始使用这项技术。(2) OFDM 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；(3) 该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信；(4) OFDM 技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。 (5) 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。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。(6) 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。(7) 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。(8) OFDM 技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。(9) 可以选用基于 IFFT/FFT 的 OFDM 实现方法；(10) 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。3.1.2 OFDM 的 缺 点（1）对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM 技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅 1的频偏就会使信噪比下降 30dB。因此，OFDM 系统对频偏和相位噪声比较敏感。（2）功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。与单载波系统相比，由于 OFDM 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。对于包含 N 个子信道的 OFDM 系统来说，当 N 个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的 N 倍。当然这是一种非常极端的情况，通常 OFDM 系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。3.2 OFDM 的 发 展 和 应 用3.2.1 OFDM 技 术 的 发 展尽管 OFDM 技术已经是比较成熟，并在一些领域也取得成功的应用，但尚有许多问题须待深入研究以进一步提高其技术性能。多年来，围绕基于 DFT（或FFT）的 OFDM 的关键技术，如同步、信道估计、均衡、功率控制等方面一直在探索更优的方案，这些研究使 OFDM 技术欲加成熟和完善。 另一方面，由于DFTOFDM 在具体实现过程中采用插入 CP（循环前缀）来消除 ISI（码间干扰） ，所以进一步提高频谱利用率仍有较大余地，另外，为降低插入 CP 带来的频谱损失，通常采用较长的 DFT 变换块，但是，如此将会造成系统对载频误差及Doppler 频移非常敏感，引起系统性能下降，同时对信道估计带来难度。针对这一点，有人提出基于小波/小波包的正交多载波调制技术，作为对基于 DFT 的多载波调制技术 OFDM 的发展和改进。小波函数/小波包函数具有良好的尺度与平移正交性，因而可将其作为多载波调制的在载波，这种多载波调制方案被称为基于小波/小波包的正交多载波调制。理论分析和仿真表明，小波/小波包调制技术具有与其他调制技术相同或更好的性能参数，同时具有更好的抗干扰性能。小波/小波包调制与多址技术结合，如基于小波包变换的多载波码分多址系统（WPDMCDMA）,更贴近于现代无线多址通信系统的实际应用，从而进一步表明小波/小波包调制技术的可行性与先进性，具有广阔的发展前景。同时作为一个充满希望与潜力的新研究领域关于小波/小波包调制技术有许多问题尚待进一步研究。四、总结OFDM技术由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越得到人们的关注，为满足未来无线多媒体通信需求，人们在加紧实现3G系统商业化的同时，已经开始进行4G(Beyond 3G)的研究。随着人们对于通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在固定无线接入领域和移动接入领域将越来越得到广泛的应用。许多大学、著名公司已充分认识到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、峰平比高等传统难题外，还包括OFDM 与空时码、联合发送、联合检测、智能天线、动态分组分配等相结合的研究工作。目前一些研究结果表明，它们能提高无线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。