正交频分复用(OFDM)原理及其实现

正交频分复用 正交频分复用 OFDM 原理及其实现 原理及其实现 OFDM 基本原理 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 如图一 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 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 图 1 正交频分复用信号的频谱示意图 3 OFDM 系统的实现 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 图 2 OFDM 调制器 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 然而上述方法所需设备非常复杂 当 M 很大时 需要大量的正弦波发生器 滤波器 调制器和解调器等设备 因此系统非常昂贵 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 这样就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 4 和图 5 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 4 OFDM 系统的性能特点 通过各个子载波的联合编码 OFDM 具有很强的抗衰落能力 同时也有很 强的抗窄带干扰能力 因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道 OFDM 系统可以有效地抗信号波形间干扰 适用于多径环境和衰落信道中 的高速数据传输 OFDM 信道利用率高 这点在频谱资源有限的无线环境 中尤其重要 但是 OFDM 存在两个缺陷 对频率偏移和相位噪声比较敏感 峰值与平均 值比相对较大 这个比值变大会降低射频发射器的功率效率 结束语 本文较详细地叙述了 OFDM 技术的基本原理 实现和它的性能特点 OFDM 由于其频谱利用率高 成本低等原因越来越受到人们的关注 现在 OFDM 技术得到了广泛应用 尤其是在移动通信领域 预计第三代以后的 移动通信的主流技术将是 OFDM 技 图片附件 未命名未命名 1 jpg 2006 1 9 10 44 33 7 K 图片附件 未命名未命名 2 jpg 2006 1 9 10 44 39 23 K 图片附件 未命名未命名 3 jpg 2006 1 9 10 44 44 14 K 图片附件 未命名未命名 4 jpg 2006 1 9 10 44 58 98 K OFDM 技术的基本原理 OFDM 技术的基本原理 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 Multi Car rierModulation 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 它又采用了一种叫作 HomePlug 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 16QAM 64QAM 频谱效率 4 6bit 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 OFDM OFDM 的英文全称为 Orthogonal Fre quency Division Multiplexing 中文含义为正交频分复用技术 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 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 TrellisCode 技术 软判决技术 SoftDecision 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 DVB T 也采用了 OFDM 技术 1997 年 欧洲 DVB TCOFDM 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 ISDB T 也采用 OFDM 技术 即 ISDB TOFDM 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 MC CDMA 很感兴趣 与普通的 DS CDMA 相比 MC CDMA 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 随着 IEEE802 11a 协议 ETSIBRAN 和各种多媒体应用对 OFDM 的引入 世界各国许多大公司和研究团体认识到了 OFDM 技 术的应用前景 1999 年 在 Wi LAN Philip 等公司的邀请下 来 自世界六十多家公司的一百多名代表经过讨论成立了一个世界性的 组织 OFDM 论坛 专门讨论 OFDM 在技术上 市场推广上的各 方面问题 进一步推动 OFDM 技术的商用化 现在 OFDM 论坛的成 员已增加到 46 个会员 其中 15 个为主要会员 我国信息产业部也 已参加了 OFDM 论坛 2000 年 11 月 OFDM 论坛的固定无线接入 工作组向 IEEE802 16 3 的无线城域网委员会提交了一份建议书 提 议采用 OFDM 技术作为 IEEE802 16 3 城域网的物理层 PHY 标准 2001 年 8 月 31 日 信息产业部无线电管理局批准中国网通开 展 OFDMA 固定无线接入系统试验 该试验系统已经开通并进行了 必要的测试和业务演示 与目前的各种移动通信技术相比 采用 OFDM 技术的移动系统 的接入速率有很大提高 其下行速率可以达到 8Mb s 上行速率达 到 512kb s 接入速率超过了第三代移动通信系统在静止情况下所 要求的传送能力 对该试验系统进行的移动性测试表明 终端在移 动速度 70 公里 小时的情况下 接入下行能够保持 600kb s 的接入 速率 另外从系统无线性能等方面考察 在相邻信道泄漏功率比 ACLR 参数上与 3GPP 提出的指标相比 性能已经优于 3GPP 的 要求 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 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 OFDM 第四代无线通信的技术核心 2003 4 21 1 绪论 无线通信与个人通信在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通 信 从 FDMA 到 CDMA 的巨大发展 目前又有新技术出现 比以 CDMA 为核心的第三代移动通信技术更加完善 我们称之为 第四 代移动通信技术 纵观移动通信的发展史 第一代模拟系统仅提供语音服务 不能传 输数据 第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有 9 6bit s 最高可达 32kbit s 第三代移动通信系统数据传输速率可达到 2Mbit s 而我们目前所致力研究的第四代移动通信系统可以达到 10Mbit s 至 20Mbit s 虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快 上千倍 但是仍无法满足未来多媒体通信的要求 第四代移动通信 系统的提出便是希望能满足提供更大的频宽需求 第四代移动通信系统计划以 OFDM 正交频分复用 为核心技术提供 增值服务 它在宽带领域的应用具有很大的潜力 较之第三代移动 通信系统 采用多种新技术的 OFDM 具有更高的频谱利用率和良好 的抗多径干扰能力 它不仅仅可以增加系统容量 更重要的是它能 更好地满足多媒体通信要求 将包括语音 数据 影像等大量信息 的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去 2 OFDM 的发展史 OFDM 并不是新生事物 它由多载波调制 MCM 发展而来 美国 军方早在上世纪的 50 60 年代就创建了世界上第一个 MCM 系统 在 1970 年衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的 OFDM 系统 但在以后相当长的一段时间 OFDM 理论迈向实践的脚步放缓了 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都成为 OFDM 技术实现的制约条件 后来经过大量研究 终于在 20 世纪 80 年代 MCM 获得了突破性进展 大规模集成电路让 FFT 技术的 实现不再是难以逾越的障碍 一些其它难以实现的困难也都得到了 解决 自此 OFDM 走上了通信的舞台 逐步迈入高速 Modem 和数 字移动通信的领域 20 世纪 90 年代 OFDM 开始被欧洲和澳大利亚 广泛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 随着 DSP 芯片技术的 发展 格栅编码技术 软判决技术 信道自适应技术等成熟技术的 应用 OFMD 技术的实现和完善指日可待 3 OFDM 的基本原理 OFDM 是一种特殊的多载波传送方案 单个用户的信息流被串 并变 换为多个低速率码流 100 Hz 50 kHz 每个码流都用一条载波 发送 OFDM 弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式 改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形 因此 我们说 OFDM 既可以当作调制技术 也可以当作复用技术 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 单个衰落或者干扰可能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 纠错码的应用可以帮助其恢复一些易 错载波上的信息 像这样用并行数据传送和频分复用的思路早在 20 世纪 60 年代的中期就被提出来了 在传统的并行通信系统中 整个系统频带被划分为 N 个互不混叠的 子信道 每个子信道被一个独立的信源符号调制 即 N 个子信道被 频分复用 这种做法 虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲 频带利用率为代价 这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受 上个世纪中期 人们又提出了频带混叠的子信道方案 信息速率为 a 并且每个信道之间距离也为 a Hz 这样可以避免使用高速均衡 和抗突发噪声差错 同时可以充分利用信道带宽 节省了 50 为了 减少各个子信道间的干扰 我们希望各个载波间正交 这种 正交 表示的是载波的频率间精确的数学关系 如前所述 传统的频分复 用的载波频率之间有一定的保护间隔 通过滤波器接收所需信息 在这样的接收机下 保护频带分隔不同载波频率 这样就使频谱的 利用率低 OFDM 不存在这个缺点 它允许各载波间频率互相混叠 采用了基 于载波频率正交的 FFT 调制 由于各个载波的中心频点处没有其他 载波的频谱分量 所以能够实现各个载波的正交 尽管还是频分复 用 但已与过去的 FDMA 有了很大的不同 不再是通过很多带通滤 波器来实现 而是直接在基带处理 这也是 OFDM 有别于其他系统 的优点之一 OFDM 的接收机实际上是一组解调器 它将不同载波 搬移至零频 然后在一个码元周期内积分 其他载波由于与所积分 的信号正交 因此不会对这个积分结果产生影响 OFDM 的高数据 速率与子载波的数量有关 增加子载波数目就能提高数据的传送速 率 OFDM 每个频带的调制方法可以不同 这增加了系统的灵活性 大多数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户 OFDM 适用于多用户的高灵活度 高利用率的通信系统 4 OFDM 的主要技术 4 1 调制方式 OFDM 系统的各个载波可以根据信道的条件来使用不同的调制 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 选择满足一定误码率的最佳调制方 式可以获得最大频谱效率 多径信道的频率选择性衰落会导致接收 信号功率大幅下降 达到 30dB 之多 信噪比也大幅下降 使用与 信噪比相匹配的调制方式可以提高频谱利用率 众所周知 可靠性 是通信系统运行是否良好的重要考核指标 因此系统通常选择 BPSK 或 QPSK 调制 这样可以确保在信道最坏条件下的信噪比要求 但 是这两种调制的频谱效率太低 如果使用自适应调制 那么在信道 好的时候终端就可以使用较高的调制 同样在终端靠近基站时 调 制可以由 BPSK 1bit s Hz 转化成 16QAM 64QAM 4 6 bit s Hz 整个系统的频谱利用率得到大幅度的改善 自适应调制 能够使系统容量翻番 但任何事物都有其两面性 自适应调制也不 例外 它要求信号必需包含一定的开销比特 以告知接收端发射信 号所采用的调制方式 并且 终端需要定期更新调制信息 这又势 必会增加更多的开销比特 OFDM 技术将这个矛盾迎刃而解 通过 采用功率控制和自适应调制协调工作的技术 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 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 是说对于一个远端发射台 它有良好的信道 若发送功率保持不变 可使用较高的调制方案如 64QAM 若功率可以减小 调制方案也相 应降低 可使用 QPSK 失真 频偏也是在选择调制时必须考虑的因素 传输的非线性会造 成互调失真 IMD 此时信号具有较高的噪声电平 信噪比一般不 会太高 失步和多普勒平移所造成的频率偏移使信道间失去正交特 性 仅仅 1 的频偏就会造成信噪比下降 30dB 信噪比限制了最大 频谱利用率只能接近 5 7bit s Hz 自适应调制要求对信道的性能有 充分的了解 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 影响系统的可靠性 多用户 OFDM 系统的导频信 道或参考码字可以用来测试信道的好坏 发送一个已知数据的码字 在满足通信极限的情况下测量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 4 2 信道分配 为用户分配信道有多种方式 最主要的两种是分组信道分配 自适 应信道分配 4 2 1 分组信道 最简单的方法是将信道分组分配给每个用户 这样可以使由于失真 各信道能量的不均衡和频偏所造成的用户间的干扰最小 但载波分 组会使信号容易衰落 载波跳频可以解决这个问题 分组随机跳频 空闲时间较短 约 11 个字符时间 利用时间交织和前向纠错可以恢 复丢失的数据 但是会降低系统容量增加信号时延 4 2 2 自适应跳频 这是一种新的基于信道性能的跳频技术 信道用来传递对它来说具 有最佳信噪比的信号 因为每个用户的位置不同 所以信号的衰落 模式也不相同 因此每个用户收到的最强信号都不同于其他用户 从而相互之间不会发生冲突 初步研究表明 在频率选择性信道采 用自适应跳频可以大幅提高信号接收功率 能够达到 5 20dB 令 人惊异 事实上 自适应跳频消除了频率选择性衰落 多径信道中 速率为 1Gbit s 的信号的频响特性每 15cm 就会发生很 大的变化 因此信号的频率刷新速率要比 15cm 的移动速率快很多 一般情况下终端每移动 5cm 刷新一次就足够了 比如终端以每小时 60km 的速度移动 刷新速率就是大约 330 次 秒 跳频的开销比特 数量与用户速率 用户数量以及系统是全双工还是半双工有关 全 双工系统的接收机和发射机的工作频率的间隔至少应大于 40MHz 信道数量是用户数的两倍 发射的参考码字的数量比用户数多 1 个 也就是说除了每个用户需要发送一个参考码字外 基站的前向信道 也必需发送一个 采用并行通信可以减少参考码字 20 个用户可以 共用一个参考码字 对于一个 10Mbit s 带宽全双工系统 有 100 个 速率为 50kbit s 的用户 调制方式是 QPSK 其开销比特将占整个 数据的 30 50 而时分半双工系统可以减少开销比特 只有 10 15 当信道变化太快 跳频速度跟不上时 用随机跳频代替自适应跳频 由于这种转换非常快 所以衰落时间很短暂 采用时间交错和前向 纠错能够补偿这种衰落 时间交错要求尽可能短 否则会增加时延 4 3 多天线 ODFM 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰 能力 由于多径时延小于保护间隔 所以系统不受码间干扰的困扰 这就允许单频网络 SFN 可以用于宽带 OFDM 系统 依靠多天线 来实现 即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效 应 来实现完全覆盖 多天线系统非常适用于无线局域网 一般的局域网由于阴影效应 信号无法完全覆盖 需要使用中继器 对于传统系统来说 中继器 可能会带来多径干扰 但 OFDM 不存在这个问题 它的中继器可以 加在任何需要的地方 不仅可以完全覆盖网络 并且可以消除多径 干扰 5 OFDM 存在的不足 任何一种技术都不可能十全十美 OFDM 也不例外 除了具有上述 的优点 它也不可避免地存在下面一些缺点 OFDM 对频偏和相位噪声比较敏感 容易带来衰耗 OFDM 的峰值平均功率比较大 会导致射频放大器的功率效率比较 低 OFDM 自适应跳频技术会相应增加发射机和接收机的复杂度 当终 端移动速度每小时高于 30 km 时 自适应跳频就不是很适合了 6 总结 本文阐述了多用户 OFDM 的基本原理和一些能够增强系统性能的新 技术 多用户 OFDM 系统适用于多业务 高灵活性的通信系统 频 谱利用率高 系统稳定性好 目前 OFDM 已经广泛用于欧洲和澳 大利亚的数字宽带音频系统和数字宽带视频系统 可以预见其未来 的应用会更加广泛 对于电信产业而言 OFDM 仍有许多问题待解决 不过部分标准化 的制定工作已经接近尾声 从而很快就将投入商用 如数字音频广播 但若要应用在移动通信领域则不会一蹴而就 尚需时日 选择 OFDM 作为第四代移动通信的核心技术的主要理由包括频谱利用率 高 抗噪声能力强 适合高速数据传输等因素 尽管第四代移动通 信系统较之第三代有很大的提高 但花费巨大精力研制出的 CDMA 系统绝不会在第四代系统中消失 而是成为其应用技术的一部分 前文所提到的数字音频广播 其实真正运用的技术是 OFDM 与 FDMA 的整合技术 因此未来以 OFDM 为核心技术的第四代移动通 信系统 或许会和 CDMA 相结合 取双方所长 避双方所短 共同 服务于移动通信领域 OFDM 技术的优缺点分析 2003 5 4 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