浅谈OFDM原理及其应用.doc

1OFDM原理11概述正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一种多载波数字调制技术，也可以被当作一种复用技术。具有频谱利用率高、抗多径干扰等特点，OFDM系统能够有效地抵抗无线信道带来的影响，例如信道的频率选择性衰落，脉冲噪声和共信道干扰的影响。12OFDM系统模型OFDM系统的调制器、解调器的原理框图如图1所示。每个子载波上的信号采用差分相位键控（PSK）调制方式。一个OFDM符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM）符号的调制。采用复等效基带信号来描述OFDM的输出信号，其中实部和虚部分别对应于FDM符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的cos分量和sin分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。OFDM符号频谱可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰，但这是出现在频域中的。这种一个子信道频谱的最大值对应于其它子信道频谱的零点可以避免子信道间干扰（ICI）的出现。 21数字音频广播（DAB）OFDM在数字广播电视系统中应用，其中数字音频广播（DAB）标准是第一个正式使用OFDM的标准。选择OFDM作为数字音频广播和数字视频广播（DVB）的主要原因在于：OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。DAB是在现有模拟AM和FM音频广播的基础上发展起来的，它可以提供更优质的语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率，它所提供的语音质量可以与CD音质相媲美。在DAB系统中使用OFDM的一个重要原因就是可以使用单频网络，这样就可以大大提高系统的频谱效率。在单频网络中，用户从不同的接收机同时接收相同的信号。由于不同发射机之间存在传播差异，因此不同的达到信号之间会存在时延，这一点可从图3中看到，其中不同的信号时延（距离差异除以光速）先后到达用户。而对于用户来说，这种情况相当于两径的衰落信道。因此，只要这两个信号之间的传播差异小于OFDM符号的保护间隙，就不会出现ISI和ICI。两个时间移位信号的叠加，使得合成信号处于深度衰落的概率要远远低于一个信号处于深度衰落的概率，故可获得分集接收的好处例如当两个发射机相距40km，信号的时延扩展会达到133s。系统中存在的另外一种限制就是多谱勒频移和接收机内本地振荡器的频率波动，这就要求在子载波之间必须存在最小的频率间隔，由此存在最大的符号周期长度限制。对于工作于240MHz的DAB系统来说，如果车辆移动速度为31m/s，则多谱勒频移可以达到25Hz，为了尽量减少由此造成的子载波间的干扰，子载波间隔必须远远大于多谱勒频移。被发送的DAB信号的构成可以参见图4。音频编码器接收2路的音频立体声数据样值，其中以48kHz进行采样，每个样值中包括16个比特，因此每信道的总速率为768kbit/s。然后，音频编码器的输出与伪随机序列进行模2加，实现加扰，其中伪随机序列可以来自9比特的反馈移位寄存器。实施这种加扰的目的在于确保被发送信号的频谱能够适当被分布在频谱范围内。此外，如果需要的话，标准中还需要考虑采用额外的加密算法。 经过加扰的数据再进行卷积编码。首先经过编码速率为1/4、约束长度为7的卷积码进行编码，提供对抗衰落的能力。然后，可以通过凿孔操作，把编码效率提高8/n，其中n可以界于9到32之间的任何整数。根据所要求误码率，每个音频信道可以具备不同的编码效率。如果n9，则可以得到最大的数据速率为153628/91/12461032 2Mbit/s。最后对编码数据在频域内进行交织，以避免深衰落情况对一组子载波造成的不利影响。把多个音频信道复用，并且与包含其它数据的信号组合在起来。信号可以以帧为单位进行组织，见图5。帧内可以包含2个同步符号、3个数字额外开销符号，然后跟随72个符号的音频复用信息。这样，一帧的长度大约为77124696ms。把额外开销符号和信息符号分配给子载波之前，要对它们实施交织，使得信号进一步被随机化。第1个同步符号可以是空符号，这是一段静音时间，其长度要稍大于常规OFDM符号的长度，通过简单的包络检测，就可以粗略地实现帧对齐。第2个同步符号为固定值，用于提供精确同步，以及为随后符号的差分解调提供参考相位。额外开销比特中携带对随后信息进行译码所必需的参数。未经处理的原始比特速率可以通过下式计算：原始比特速率72个符号1536个子载波/符号2比特/子载波/0096s23Mbit/s如上所述，每个子载波内都可以采用差分QPSK调制，这种差分编码可以在同一个子载波的时域内实施，而不是在频域内实施。差分调制放松了对同步的要求，并且由于不要求信道估计，因此还可以简化接收机的设计，但是其代价是2dB的信噪比损耗。为了获得满意的传输效果，OFDM必需大于最大多谱勒频移，也就是说，OFDM符号周期要小于信道的相干时间。22数字电视广播（DVB）地面DVB通过两种模式利用OFDM，即分别采用子载波个数为1705和6817的OFDM技术，根据两种子载波数量所需要的FFT/IFFT的规模，这两种模式也分别被当作2k模式和8k模式。存在两种模式的主要原因在于人们对8k子载波模式存有疑虑，而2k系统是8k系统的简化版本，其中只需要1/4的子载波数量。由于保护间隔也缩小了四倍，因此在单频网络内，2k系统处理时延扩展以及发射机之间传输差异的能力就要下降。8k系统的FFT长度为896s，而保护间隔可以介于28s到224s之间。而2k系统内的相应取值都要缩小4倍。图6给出DVB-T系统的发射机的框图。输入数据被分为若干组，每组内包含188个字节，它们经过扰码以及外R-S（204，188，T8）编码，能够在204个字节帧内纠正8个错误字节。然后，经过外编码的比特再由交织器进行交织，在12个字节深度内按字节进行交织。并且再按编码的效率可以被提高到2/3、3/4、5/6或7/8。最后，卷积编码比特再经过内交织器的交织，被映射为QPSK、16QAM或64QAM符号。DVB-T系统的接收机框图参见图7。模拟前端信号经过降频转换和A/D转换之后，数字AGC被用于调整模拟前端电路的可变增益放大器（VGA）的增益。粗频率偏差纠正用于降低子信道间的干扰。频率偏差估计利用固定导频信号进行初始估计， 利用均匀分布的导频信号进行随后的精确同步。为了保证检测和软译码的准确性，还要进行信道估计，其中利用导频信号进行信道估计，并且还利用时域和频域的内差，获得所有信号位置的信道估计。23Magic WANDMagic WAND（无线ATM网络演示设备）是欧洲ACTS（高级通信技术和服务器）项目中一个组成部分。Magic WAND研制人员在OFDM调制的基础上，设计实施ATM网络。这一设计方案为5GHz频段内的标准化工作带来巨大的影响。首先，通过采用基于OFDM的调制解调器，使OFDM得到了广泛的认可，使其可以作为高速无线通信中的可变速率调制类型。其次，Magic WAND中基于ATM的无线方案构成HIPERLAN/2标准中的数据链路层的基础。OFDM子载波采用8PSK调制。如果符号速率为133M符号/秒，则可以获得40Mbit/s的原始比特速率。速率为1/2的互补编码把比特速率降低到20Mbit/s。子载波间隔为125MHz，3dB带宽为20MHz。图8中给出WAND OFDM使用的OFDM接收机的框图。RF接收机负责对信号进行放大，以及实施降频转换。由于要求在接收开始的3s时间内，就要确定自动增益控制的增益值，因此这也是接收机实施的难点之一。模拟/数字转换（A/D）之后，必需要对信号频率进行估计，并且加以纠正。如果可以准确地确定FFT窗口的起始位置，则接收机可以得到16个子信道中的符号中的符号幅度和相位估计。从初始训练序列开始，接收机必须能够得到并且能够跟踪所有子信道的参考相位。最终经过相位补偿之后，可以从16个子载波复信号中得到个比特。24IEEE 80211、HIPERLAN/2和MMAC无线局域网标准WLAN系统的一个典型例子就是Lucent公司的WaveLAN，其早期系统在900MHz或24GHz频段中采用直接序列扩频（DSSS）或跳频扩频（FHSS）的物理层技术，提供2Mbit/s的数据传输速率，现在的系统能提供55Mbit/s和11Mbit/s的速率，甚至实现54Mbit/s的传输速率。WaveLAN的LLC子层使用CRC校验，MAC子层使用带有冲突避免的载波监听多址接入技术（CSMA/CA），并且可以与以太网兼容。WLAN的标准主要有IEEE 80211，它是工作于24GHz ISM频段的第一个WLAN标准，其中规定使用不同的物理层技术直接序列扩频、调频，可以提供2MHz/s的数据速率。IEEE 80211a工作在5GHz频段，利用OFDM作为物理层技术，提供6MHz/s到54MHz/s的数据速率。图9中给出IEEE 80211a中的OFDM收发机的基带处理通用框图。在发射机路径中，二进制输入数据经过标准的1/2效率的卷积编码。通过对编码数据实施凿孔操作，编码效率可以提高到2/3或3/4。经过交织之后，二进制数据被转换为QAM复数符号。为了便于相干检测，在48个数据值中需要插入4个导频符号，这样在每个OFDM符号内就可以得到52个QAM复数值，然后经过IFFT，把这些符号调制到52个子信道中。为了使系统对抗多径衰落，需要在符号之间插入保护间隔。而且为了得到较小的带外辐射，还需要对符号进行加窗处理。最后，数字输出信号被转换为模拟信号，然后升频到5GHz的频段，经过放大，通过天线被发送。OFDM接收机执行发射机的逆操作，同时还需要执行附加的训练过程。首先，接收机必须利用前同步域中的特殊训练符号去估计频率偏差与符号定时。然后实施FFT解调，恢复所有子信道中的52个QAM复数值。导频符号用于纠正信道影响，以及剩余的相位漂移。然后把QAM复数值映射为对应的二进值。最后，对这些比特信息实施维特比译码，以恢复发送的二进制数据。一个称作宽带无线接入网（BRAN）的ETSI的工作组研制HIPERLAN的其它扩展标准，目前存在有3种HIPERLAN的扩展标准，分别是：HIPERLAN/2，确保QoS的无线室内局域网；HiperLink，无线室内骨干网；HiperAccess，提供接入到有线基本网络的室外固定网。在日本，设备制造商、业务提供商以及邮电部也开始合作研制多媒体移动接入通信系统（MMAC），定义类似于IEEE80211与ETSI BRAN的新无线标准。此外，MMAC还试图在30300MHz的频段内，探索可以提供155Mbit/s的大容量数据传输的超高速无线LAN的可能性。1998年7月，IEEE80211标准决定选择OFDM作为5GHz频段标准的基础，目标是提供654Mbit/s的数据速率，这是第一个把OFDM用于分组业务的通信标准，在IEEE80211标准组做出这一决定之后，ETSI BRAN和MMAC也相继采用OFDM作为其物理层的技术，上述3家机构已经密切的合作，以尽量减小各个标准间的差别，使得他们的产品能够相互兼容。25非对称数字用户线（ADSL）ADSL是由Bellcore的Joe Lechleider于20世纪80年代末首先提出的利用电话网用户环路中的铜双胶线传送双向不对称比特率数据的方法。ADSL基本系统如图10所示，它由安装在电话线两端的一对高性能调制解调器组成，可提供三条信息通道：高速下行信道，中速双工信道和普通电话业务（POPT）信道。ADSL采用频分复用技术，利用滤波器分离不同信道的信息，ADSL设备发生故障，POPT业务不受影响。高速下行信道的速率范围为156Mbit/s，双工信道的速率范围为16640kbit/s，每条信道还可以通过多路复用分割成多条低速信道。目前的ADSL模型可提供符合北美或欧洲标准的数字系列速率，而且还可为AMT提供可视（VOD）、接入Internet、远程医疗、远程教育等。今天，ADSL与全光纤用户网（FITL）以及光纤/同轴混合接入网（HFC）一起，成为实现宽带信息接入的重要手段。ADSL技术是自适应数字滤波器技术，超大规模集成电路技术和对本地用户环路的充分了解三方面综合发展的结果。它采用数字信号处理的方法和有创造性的算法将信息压缩，并通过双胶线进行传输。在调制技术方面，ADSL先后采用正交幅度调制（QAM），无载波幅度相位调制（CAP）和离散多音（DMT）调制等三种调制技术。CAP与QAM无本质区别，CAP是无载波的QAM，它们的信号功率谱均为带通型的，但CAP比QAM更灵活，实现费用更低。由于DMT比QAM能提供更高的下行速率和更远的传输距离，因而被美国国家标准学会（ANSI）选定为ADSL的传输实用标准。26MIMO OFDM多天线技术可以有效地改善系统容量及其性能，而且还可以显著地提高网络的覆盖范围和可靠性，因此特别适用于互联网和多媒体业务。多输入多输出（MIMO）OFDM系统，在衰落环境中，在发射机和接收机配有多天线可以获得分集的好处。采用多个天线，就会相应生成多个空间信道，而且若干个空间信道不太可能同时处于深衰落中。如果在基站处采用2副发送天线和3副接收天线，而移动台一侧采用1副发送天线和3副接收天线，则与单一输入单一输出系统相比，这种系统通过降低衰落容限，使得链路预算可以获得1020dB的改善。此外，2副发送