OFDM技术概述及其研究意义.doc

OFDM技术概述及其研究意义1 OFDM技术概述1.1 OFDM技术发展历史1.2 OFDM技术的主要优点1.3 OFDM系统中信道估计的研究现状2研究意义1 OFDM技术概述1.1 OFDM技术发展历史正交频分复用是一种特殊的多载波调制技术。而多载波调制技术是20世纪60年代研究人员针对宽带数字通信的要求提出的。数字通信中，如果发射信号的带宽超过了信道相关带宽，信号通过信道时将经历频率选择性衰落，信道呈现出频率选择衰落特性，我们称信道呈现出频率选择特性的数字通信为宽带数字通信。在宽带数字通信中，如果使用单载波调制方式，并且接收端没有采用相应的均衡处理消除频率选择性衰落，系统性能将严重恶化，甚至失去通信能力。而系统采用的信道均衡方法在复杂度和性能之间不容易很好地折衷。为此上个世纪60年代，研究人员提出了与单载波调制方式相对应的多载波调制方式，具体方法是将发射的高速数据流分配为多个低速的支数据流在多个载波上独立并行的传输，每个支数据流独立占用一个子载波，但系统共占用的带宽将小于信道相关带宽，从而各支数据流的信号经过信道将经历平坦衰落，各符号间也不存在码间干扰（ISI），多载波系统采用复杂度相对较低的信道均衡措施就能够很好的消除子载波上的平坦衰落，并且得到很好的传输性能。同时，多载波系统可以通过信道编码充分利用频率分集增益。 在使用多载波技术进行并行数据传输的发展过程中，研究人员提出了三种典型的方法对系统所占频带进行子载波划分。每一种划分方法之间最大的区别是在各个子载波上发射的信号功率谱之间是否存在重叠和重叠程度，从系统频谱利用率的角度分别将三种子载波分割方法描述如下。 第一种方法是使用传统的成型滤波器完全分割子载波上发射信号的功率谱，将系统占用的整个频带分割为N个子载波，功率谱完全独立，并且互相不交叠。这种方法来源于传统的频分复用技术。为了减小或者消除各个子载波之间的相互干扰，按照传统的频分复用技术要求，各个子载波之间必须存在一定宽度的保护带宽，保护带宽的存在限制了系统频谱利用率的提高。于是，又提出了第二种子信道划分方法。第二种分割方法的每个子载波使用了交错正交幅度调制技术，其各个子载波的功率谱在一3db处发生交叠，系统的频谱用率可以较第一种分割方法提高一倍。各个子载波发射信号的可分性依靠交错系统两个正交通道上发射数据的半个符号周期来获得，从而在接收端可以独立地恢复各个子载波的数据。为了进一步提高系统频谱利用率，Chang R. W.等提出了第三种具有多个正交子载波的多载波传输系统，这样的多载波调制技术被称为OFDM技术。在OFDM系统中，每个子载波的功率谱为sinc函数，各个子载波的功率谱通过系统时域矩形窗形成，各个子载波的功率谱紧密地相互交叠。大大提高了系统的频谱利用率。在接收端，子载波信号从接收信号中分离出来不能通过传统的滤波器组方法实现，而是通过对接收信号进行基带处理来实现，即通过基带信号处理来实现频分复用。OFDM可以被看作一种调制技术，也可以被看作一种复用技术。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。正交频分复用OFDM最早起源于20世纪50年代中期.1971年，S. D. Weinstein和P. M. Ebert提出了用快速傅里叶变换技术实现OFDM调制，同时由于大规模集成电路技术的发展，实现高速大点数FFT的芯片面世，促进了OFDM技术的广泛应用。但是直到20世纪80年代中期，随着欧洲在数字音频广播(DAB)方案中采用OFDM，该方法才开始受到关注并且得到了广泛的应用。自从20世纪80年代以来，OFDM己经在数字音频广播、数字视频广播、基于IEEE802. 11标准的无线本地局域网(WLAN)以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特数字用户线技术(例如ADSL)中得到了应用。其中大都利用了OFDM可以有效地消除信号多径传播所造成的符号间干扰(ISI)的这一特征。 DAB是在AM和FM等模拟广播基础上发展起来的，其可以提供与CD相比美的音质，以及其它的新型数据业务。1995年，由欧洲电信标准协会(ETSI)制定了DAB标准，这是第一个使用OFDM的标准。接着在1997年，基于OFDM的DVB标准也开始投入使用，在ADSL应用中，OFDM被典型地当作离散多音调制(DMT modulation)，成功的应用于有线环境中，可以在1MHz带宽内提供高达8Mbit/s的数据传输速率。1998年7月，经过多次的修改之后，IEEE802. 11标准组决定选择OFDM作为WLAN(工作于5GHz波段)的物理层接入方案，目标是提供6Mbit/s-54M bit/s数据速率，这是OFDM第一次被使用于分组业务通信当中。而且此后，ETSI, BRAN以及MMAC也纷纷采用OFDM作为物理层的标准。此外，OFDM还易于结合空时编码，分集，干扰抑制以及智能天线等技术，最大程度上提高了物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制，自适应编码以及动态子载波分配，动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步的得到优化。1.2 OFDM技术的主要优点OFDM技术有以下几个优点：(1) 抗码间干扰能力较强。在OFDM系统中，高速数据流经过串/并转换分散到多个正交的子载波上传输，从而使得子载波上的符号速率大大降低，符号持续周期相对增加，因此有效的减轻了由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性，避免了ISI。有时甚至可以不采用均衡器，仅通过插入循环前缀（Cyclic Prefix，CP）的方法便可以消除ISI的不利影响。 (2) 较高的抗衰落和抗窄带干扰能力。当信道中出现频率选择性衰落或者干扰时，对于OFDM信号来讲，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，而其它的子载波未受损害。因此，还可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比相对较高的子信道，从而使系统性能得到提高。(3) 较高的频谱利用率。OFDM系统采用相互正交的子载波作为子信道，允许子信道的频谱相互重叠，可以最大限度的利用频谱资源。一般来说，当子载波的个数趋于无限时频带利用率可以达到2band/Hz。 图1 正交频分复用信号频谱(4) OFDM系统中可以利用IDFT/DFT来代替多载波调制和解调，实现各个子信道的正交调制和解调。对于子载波数目较大的系统，还可以采用快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)来实现。随着大规模集成电路技术和DSP技术的发展，快速傅立叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）和FFT都是非常容易实现的，这也是OFDM之所以越来越备受关注的一个重要原因。(5) 适用于无线数据业务中的非对称性传输。在无线数据业务中，下行链路中的数据传输量要远远大于上行链路的数据传输量，因此，无论从用户数据业务的使用需求还是从移动通信系统的自身要求考虑，都希望物理层支持非对称的高速数据传输。OFDM技术可以通过使用不同数量的子信道来很容易的实现下行和上行链路的不同传输速率。(6) OFDM系统较容易与其他多种接入方法结合使用，构成OFDMA系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息传输。但是因为OFDM系统中存在着多个正交的子载波，其输出信号是多个子信道信号的叠加，所以跟单载波系统相比，OFDM技术存在一定缺陷。1.3 OFDM系统中信道估计的研究现状信道估计的方法有很多种，通常可以分为两类：第一类是基于导频符号和插值技术的信道估计方法，根据插入的导频符号在IFFT之前还是之后，分为时域导频符号插入法和频域导频符号插入法。如Wiener滤波，加权多时隙平均(WMSA)，自适应(WAMSA)，线性及高斯内插估计方法，最小二乘意义下的二次曲线内插，变信道估计积分长度的方法，基于MVDR波束形成技术的码定时估计方法，空时信道迭代估计方法等，这种信道估计方法性能好而实现所需的复杂度低，但是训练序列和导频符号的使用必然占用一定的有效带宽，从而使系统的传输效率降低。第二类是基于被传输的信息符号的有限字符特性和其统计特性的信道估计算法。如基于子空间的信道估计，多步线性预测方法，这种方法实现复杂度高，但是无需训练信号，节省带宽，现越来越受到国内外学者的关注。2研究意义现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑作用。世界各国都在致力于现代通信技术的研究和开发，而无线通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。今天，无线通信已经成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一，而人们对无线通信业务的需要的迅速增加是无线通信技术的根本推动力。上个世纪80年代中期产生的全球移动电信系统(Global System for Mobile Telecommunication, GSM)和90年代初提出的窄带码分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)通信系统是第二代移动通信技术，满足了人们较高质量的语音业务和低速率的数据业务要求。随着人们对通信业务类型要求的不断扩大，对通信速率的要求不断提高，已有的第二代移动通信网已经不能满足新的业务需求;为此，本世纪初，人们制定了以宽带CDMA技术为核心的第三代移动通信网标准WCDMA, cdma2000和TD-SCDMA。目前，研究人员把目光投向三代以后(Beyond 3G, B3G )和第四代(4G)无线通信系统的技术研究，研究主要目标是高速Internet无线接入和高质量数字多媒体信息无线传输等方面的应用，而此类业务的一个共同点是要求高速无线信息传输。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术和正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation ，QAM)相结合在高速无线传输中具有许多优势，B3G和4G系统中已将OFDM技术列为备选物理层标准。最近几年，研究人员针对OFDM技术在无线通信系统中的应用提出许多理论和技术基础。 OFDM技术是一种多载波传输技术，其主要特点是把高速的信息分割到多个正交子载波上并进行低速传送;由于子载波互相交叠和正交，它们可以独立并行传送信息符号而不互相干扰，同时保持较高频谱利用率。OFDM系统一方面提高了对时域脉冲噪声的鲁棒性;另一方面，基于块传输技术的OFDM技术在每个OFDM信息符号之间加上保护间隔(Time Interval Guard, TGI )，只要保护间隔的长度大于信道冲激响应(Channel Impulse Response, CIR)的最大时延扩展，系统的所有子载波之间的正交性在通过信道之后就能够得到保持。OFDM这种基于块传输的正交多载波传送方式使它具有抗符号间串扰(Inter-symbol Interference, ISI)能力，同时也可以将信道均衡从复杂的时域处理转化到简单易行的频域处理。在OFDM系统中，系统可以根据子载波的工作环境在子载波间灵活应用自适应调制技术、自适应功率分配技术等，来进一步提高系统的传输效率和传输性能。 随着现代移动通信系统的发展，为了实现高速信息的传输，人们开始研究多载波调制技术。人们开始研究多载波调制技术。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)技术就是在此基础上发展起来的一种基于数字信号处理技术的并行数字传输方式。OFDM技术以其较高的频谱利用率和信息传输效率，以及较强的抗多径衰落的能力在无线通信领域得到广泛的应用。OFDM (正交频分复用)技术最早提出于20世纪60年代,当时的实际应用是军用无线高频通信链路。近年来,由于DSP (数字信号处理)技术飞速发展,OFDM作为一种可有效对抗码间干扰、频谱利用率高的高速传输系统,引起人们广泛关注。作为OFDM技术的关键之一,信道估计的好坏直接影响整个系统的性能。目前常用的信道估计算法主要有导频信道估计和盲信道估计两种。信道估计可以定义为描述物理信道对输入信号的影响而进行定性研究的过程。如果信道是线性的话，那么信道估计就是对系统冲激响应进行估计，所谓信道估计，就是信道对输入信号影响的一种数学表示。而好的信道估计就是使得某种估计误差最小化的估计算法。综上所述研究OFDM系统中信道估计有着极其重要的意义。虽然OFDM系统有很多特有的优点，但由于其特殊的结构，使得该系统也存在一些缺点。一是高峰均功率比给信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化；二是OFDM系统对定时和频率偏移敏感。当OFDM接收到的信号具有载波频率偏移时，载波频率偏移会引起子载波间干扰 ( ICI) ，降低子信道之间的正交性，从而降低整个系统的性能。由于无线信道传播环境比较恶劣，地理环境复杂和多样，用户移动的随机性和多径传播等现象的存在，会对通过信道传输的OFDM信号产生影响，使信号幅度发生衰减、频率发生偏移和相位发生旋转，破坏信号的正交性，产生符号间干扰ISI和ICI。不断提高的数据传送速率也给无线接入系统提出了更高的数据传送要求，如抗频率选择性衰落，抗符号间干扰（ISI）等。虽然OFDM技术本身有对抗多径衰落的机制，但这不足以保证完全消除ISI和ICI，而OFDM对系统频率偏移非常敏感，从而使得在接收端接收到的信号产生失真，不能正确解调出发射数据，降低整个系统的性能。为了提高系统的性能，就必须确保信号的正交性，防止ISI和ICI。通常有三种方法能够抵抗ISI和ICI：一是数据交织，二是信道编码，三是信道估计和均衡。这三点在OFDM系统中通常都会采用，本文就是对第三种方案进行