正交频分复用技术.ppt

3.6 正交频分复用技术 (OFDM) 学习目标 理解正交频分复用技术（OFDM）的基本原理 了解其与MIMO（多输入多输出系统）相结合的应用 3.6 正交频分复用技术 (OFDM) 3.6.1 OFDM的原理 3.6.2 OFDM的应用 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ） 即正交频分复用技术。 这种技术是HPA联盟（HomePlug Powerline Alliance）工业规范的基础，它采用一种不连续 的多音调技术，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杂 波干扰下传送信号的能力，因此常常会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。 其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数 据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上 进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开 ，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。每个子信 道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的 可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于 每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡 变得相对容易。 3.6.1 OFDM的原理 OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，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，就如 图3-29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3-29 正交频分复用信号的频谱示意图 当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性 就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个 子载波间发生相互干扰。为解决这个问题，在每个OFDM传输 信号前面插入一个保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展 得到的。只要多径时延不超过保护间隔，子载波间的正交性 就不会被破坏。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 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3-30所示。 数 据 解 码 器 )0(A )0(B )cos( 0t w )sin( 0t w ) 1( - MA ) 1( - MB )(td 信道 )cos( 1tM- w )sin(1tM- w 串 行 变 换 器 )(mD 串行数据 图3-30 OFDM解调器 为了降低OFDM系统的复杂度和成本，我们考虑用离散傅 立叶变换（DFT）和反变换（IDFT）来实现上述功能。如果 在发送端对D（m）做IDFT，把结果经信道发送到接收端，然 后对接收到的信号再做DFT，取其实部，则可以不失真地恢 复出原始信号D（m）。这样可以利用离散傅立叶变换来实现 OFDM信号的调制和解调。实现框图如图3-31和图3-32所示。 用DFT和IDFT实现的OFDM系统，大大降低了系统的复杂度， 减小了系统成本，为OFDM的广泛应用奠定了基础。 数据 编码 串并 变换 IDFT D/A 变换 低通 滤波 串行 数据 D(K)d(n) (t) 图3-31 用离散傅立叶变换实现OFDM的调制器 数据 解码 并串 变换DFT A/D 变换 低通 滤波 串行 数据 D(K)d(n) (t) 图3-32 用离散傅立叶变换实现OFDM的解调器 OFDM子载波可以按两种方式排列：集中式（Locolized） 和分布式（Distributed）。 集中式即将若干连续子载波分 配给一个用户，这种方式下系统可以通过频域调度（ Scheduling）选择较优的子载波组（用户）进行传输，从而 获得多用户分集增益。 另外，集中方式也可以降低信道估 计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均 性能略差。 分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到 整个带宽，从而获得频率分集增益。但这种方式下信道估计 较为复杂，也无法采用频域调度。设计中应根据实际情况在 上述两种方式中灵活进行选择。 3.6.2 OFDM的应用 由于OFDM在技术上存在相当大的优势，除频谱利用率高 和较强的带宽扩展性外，由于其采用了子载波传输，使其 在抗多径衰落性能方面的优势非常明显，另外，OFDM系统 可灵活选择各子载波进行传输，使其具有灵活分配频谱资 源的性能，所以它越来越得到人们的重视，各项产业化工 作也在不断开展中。 在下一代蜂窝移动通信网络中，为了达到高速传输以 及高QoS的保障，必须使频谱利用率提高、信号抗衰落能 力增强、抗码间干扰能力显著增强等，因此需要OFDM等先 进技术。可以预见，OFDM技术将在未来发挥如今CDMA技术 对于移动通信一样的重要作用，甚至产生更广泛的影响。 其次，在无线局域网中，OFDM等技术开始得到应用，以提 升WLAN的性能。如802.11a和802.11g都采用OFDM调制技术 ，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。 在未来的宽带无线通信中，存在两个最严峻的挑战： 多径衰落信道和带宽效率。因此，802.11n计划采用MIMO 与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。这是因为，OFDM通 过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道， 减小了多径