OFDM技术的基本原理.doc

OFDM技术的基本原理OFDM原理介绍在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道（载波）。载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频率作子载波，也就是我们所说的OFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想，OFDM既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案，单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发送。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换（FFT）来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。OFDM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。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，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。OFDM技术属于多载波调制（MultiCarrier Modulation，MCM）技术。有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而MCM，可以是更多种信道划分方法。OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度，它又采用了一种叫Home Plug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。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立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。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，单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用，但在多载波的OFDM系统中，只会有一小部分载波受影响。此外，纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上的信息。通过合理地挑选子载波位置，可以使OFDM的频谱波形保持平坦，同时保证了各载波之间的正交。OFDM尽管还是一种频分复用（FDM），但已完全不同于过去的FDM。OFDM的接收机实际上是通过FFT实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响。OFDM的数据传输速率也与子载波的数量有关。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16QAM64QAM（频谱效率46bit/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。什么是OFDMOFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。这种技术是HPA联盟（Home Plug Power line 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。其实，OFDM并不是如今发展起来的新技术，OFDM技术的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。但是，一个OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。80年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入90年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（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）等。OFDM技术的优缺点分析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。OFDM技术主要有如下几个优点：首先，抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声（Impulse Noise）和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。其次，频率利用率高。OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。再者，适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。此外，抗码间干扰（ISI）能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。OFDM技术的不足之处包括以下方面：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。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。负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度每小时高于30公里时，自适应调制技术就不是很适合了。OFDM信号发送接收原理解析OFDM信号发送器的原理是：用户信号以串行的方式输入发送器，速率为R码字/秒。这些码字先被送入一个串行并行变换器中，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。该OFDM码随后被送入一个进行快速傅立叶逆变换的模块，进行快速傅立叶逆变换。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。计算出快速傅立叶逆变换样值之后，一个循环前缀被加到了样值前，形成一个循环拓展的OFDM信息码字。添加循环前缀技术利用的是离散线性系统原理中的一个概念。我们知道，在连续时间域，两个时域信号的卷积就等于这两个信号频域形式的乘积。但是，这在离散时域的情况下一般是不成立的，除非使用无限大的样值点N或者至少一个卷积信号是周期性的（在该情况下，信号可以被圆周卷积）。因为我们只能使用有限的样值点N，所以只能利用循环前缀使OFDM信息码在我们感兴趣的时间区内呈现周期性。循环拓展信息码的样值再次通过一个并行串行转换器模块。然后按照串行的方式通过信道（经过适当的滤波和调制）。在传输过程中，信道的冲击响应对时域信号造成了干扰。由于循环前缀使所传输的OFDM信号表现出周期性，这种卷积就成了一种圆周卷积。根据离散时间线性系统原理，这种圆周卷积就相当于OFDM信号的频率响应和信道频率响应的乘积。接收器完成与发送器相反的操作。接收器收到的信号是时域信号。由于无线信道的影响发生了一定的变化，接收到的信号经过一个串行并行的转换器，并且把循环前缀清除掉。清除循环前缀并没有删掉任何信息。循环前缀中的信息是冗余的。使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。循环前缀的另外一个好处是可以消除码间干扰。我们要求循环前缀的值比信道内存更大一些。多径信号引起先发信息码字的滞后到达而影响当前信息码字，从而产生码间干扰。但是，事实上，码间干扰仅仅会干扰当前信息码的循环前缀。因此，使用适当大小的循环前缀就能够使OFDM技术消除码间干扰。在清除了循环前缀之后，信号将会经过一个快速傅立叶变换模块，把信号从时域转变回频域。信号经过一个并行串行转换模块进行并串变换，就完成了对原始OFDM信号的接收。为了提高OFDM的信息传送能力，人们对OFDM的加载算法进行了广泛的研究。OFDM系统的每一个子信道都有两个参数须要决定，即发送功率和数据传输速率。在各个子信道之间有效地分配功率和数据就可以提高系统效率。此类有效地进行功率和数据分配的算法被称为加载算法。加载算法可以按照被优化的资源和所规定的限制条件来分类。在速率适应算法中，大家感兴趣的是在总功率的限制下，如何使总数据传输速率最大化，当然还要满足一定的误码率要求。OFDM：开辟无线技术的新领地正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波数字通信调制技术。它由多载波调制（MCM）技术发展而来。美国军方在上世纪60年代就建造了世界上第一个MCM系统，并随后衍生出采用多个子载波和频率重叠技术的OFDM系统。但在之后相当长的一段时间，OFDM技术的发展遇到了很多似乎难于解决的问题。首先，OFDM要求各个子载波之间相互正交，尽管理论上发现采用快速傅立叶变换（FFT）可以很好地实现这种调制方式，但实际上，如此复杂的实时傅立叶变换设备在当时是根本无法完成的。此外，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也都是OFDM技术实现的制约条件。20世纪80年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了FFT的实现问题，随着DSP芯片技术的发展，格栅编码（Trellis Code）技术、软判决技术（Soft Decision）、信道自适应技术等的应用，OFDM技术开始从理论向实际应用转化。20世纪90年代，OFDM开始被欧洲和澳大利亚应用于广播信道的宽带数据通信、数字音频广播（DAB）、高清晰度数字电视（HDTV）和无线局域网（WLAN）等。此外，还由于其具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，也被看作第四代移动通信的核心技术之一。OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的数字音频广播（DAB）系统使用的就是OFDM调制技术。其试验系统已在运行，并且明显地改善了移动中接收无线广播的效果，很快吸引了大量听众。欧洲的一些部门正在开发用于DAB的成套芯片，它将使OFDM接收机的价格大大降低，市场前景非常看好。很多国家的全数字高清晰度电视传输系统（DVBT）也采用了OFDM技术。1997年，欧洲DVBTCOFDM系统是欧洲数字电视广播（DVB）系列标准中的数字地面电视广播系统标准。该系统使用COFDM调制方式，把传输比特分割到数千计的低比特率子载波上。日本1999年提出的地面综合业务数字广播（ISDBT）也采用OFDM技术，即：ISDBTOFDM。从目前的研发情况来看，由于OFDM具有很高的频谱利用率和抗干扰能力，能够很好地满足电视系统的传输要求。在无线局域网领域，IEEE802.11a于1999年通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被作为它的物理层标准。ETSI的宽带无线接入网（BRAN）项目HyperLan2也把OFDM定为它的调制标准技术。在未来的宽带接入系统中，OFDM会是一项基本技术。还有很多公司对OFDM与CDMA系统的融合，即MCCDMA很感兴趣。与普通的DSCDMA相比，MCCDMA系统具有很多优点，比如更大的灵活性、高容量、高性能、高抗干扰性等等。随