OFDM系统的基本原理

1、ofdm系统的基本原理首先介绍了ofdm系统的基本原理、基带系统模型以及优缺点，然后介绍了ofdm系统的关键技术，通过这些内容来说明ofdm技术在无线系统中的性能特点。 1 ofdm系统的基本原理在现代无线通信系统中，高速数据业务的处理是非常困难的问题。因为当码元速率较高时，信号带宽较宽，由于无线信道的时延扩展，容易造成接收信号的前后码元的交叠，产生码元间干扰。多载波调制方法可以将一个宽带信道分为多个子信道，每个子信道带宽较窄，可以看作是平坦衰落信道。若使每个子信道中传输的信号带宽小于信道的相干带宽，就可以有效降低码元间的干扰ofdm即正交频分复用技术，实际上正是多载波调制(multi-car

2、rier modulation)的一种。ofdm采用跳频方式选用即便频谱混叠也能保持正交的波形，所以ofdm既有调制技术，也有复用技术。ofdm系统最基本的特征是并行传输、正交重叠频谱和循环前缀。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。调制后的信号为各个子载波信号的叠加，其时域采样信号正好满足ifft的关系式，所以ofdm信号的调制可用ifft来快速实现，ifft保证了各个子载波之间的正交性。为对抗多径衰落，在ofdm符号问加入循环前缀作为保护间隔，能有效地避免isi和ici。ofdm系统可有效对抗多径信道实现数据的高速传输

3、，接收端仅需简单的一阶频域均衡器。由于ofdm信号是经过ifft得到的，发送的数据在频域被充分随机化，ofdm信号可认为是独立同分布的随机变量的线性组合，适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。图1 ofdm系统基本原理模型 通过观察图1可以直观的看出：ofdm的发送端的基本原理就是把输入数据经过串并变换成n路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据，经过并串变换便输出原始数据。2 ofdm基带系统模型图2 基带ofdm系统模型 基带ofdm系统模型如图2所示，在忽略了符号间干扰的情况下，输出线号可以表示为： （1）

4、其中x(k)为输入信号，y(k)为输出信号，h(k)为信道响应，w(k)为加性高斯白噪声。 3 ofdm系统的优缺点3.1 ofdm系统的优点 (1) ofdm技术适合于高速数据传输。因为ofdm自适应调制机制可以使不同的子载波按照信道情况和噪音背景的不同来使用不同的调制方式。当信道条件较好的时候，采用效率较高的调制方式。当信道条件较差的时候，采用抗千扰能力较强的调制方式。再有，由于ofdm加载算法的采用，可以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。 (2) 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，由于通信路径传

5、送数据的能力会随时间发生变化，所以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到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。 (3) ofdm技术的最大优点在与可以对抗频率选择性衰落或窄带干扰。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

6、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。(4) ofdm技术可以有效地对抗码间干扰(isi)，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。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，是一种乘性的千扰。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。(5) ofdm技术可使信道利用率很高，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。这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频

7、谱利用率趋于2baud/hz。(6)各个子信道中的这种正交调制与解调可以采用idft和dft的方法，或者通过更为便捷的快速傅立叶变换(fft)来实现。ifft和fft的算法都已经很成熟，随着大规模集成电路(large scale integrated circuit,lsi)技术与数字信号处理(digitalsignal processing,dsp)技术的发展也都是非常容易实现的7。(7)ofdm易于和其他多种接入方法相结合，构成正交频分多址ofdma系统，其中包括多载波码分多址mc-cdma、跳频ofdm以及ofdm-tdma等等，使得多个用户可以同时利用ofdm技术进行信息的传输。3.2

8、 ofdm系统的缺点虽然ofdm有着以上的各种优点，但是其信号调制机制也使得ofdm信号在传输过程中存在着一些缺点：(1)对相位噪声和载波频偏十分敏感这是ofdm技术一个非常致命的缺点，整个ofdm系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ici，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ici。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比snr，而不会引起互相之间的干扰。(2)峰均比（papr）过大ofdm信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比，

9、ofdm调制存在一个很高的峰值因子。因为ofdm信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大，将会增加a/d和d/a的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在ofdm频段内和相邻频段之间产生干扰。(3)所需线性范围宽由于ofdm系统峰值平均功率比(papr)大，对非线性放大更为敏感，故ofdm调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。 4 ofdm系统的关键技术4.1 保护间隔在无线衰落信道中，多径的影响导致接

10、收信号产生时延扩展，因此一个码元的波形可能扩展到其它码元的周期中，引起码间串扰(isi)，这也是导致传输性能下降的主要原因。为避免isi，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展，实际中应大于最大多径时延。ofdm系统中，通过降低码元速率使得isi的影响降低，同时可以在每个ofdm符号之间加入保护间隔，进一步消除残留的isi，目前比较有效的方式是插入循环扩展（前缀和后缀，有时可以只插入循环前缀），循环扩展的长度取决于信道的时延扩展，同时循环扩展还有一个更重要的作用，即可以实现系统的同步。4.2 同步技术在ofdm系统中，由于码元宽度相对较宽，所以系统对定时偏移不是很敏感，isi得到了很好的抑制。

11、但由于子载波的间隔小，所以对频率偏移比较敏感，相位噪声对系统也有很大的损害。定时偏移，或者说包络的延迟失真，并不破坏子载波的正交性，定时相位偏移引起的只是所有子载波的旋转，合适的信道估计可以有效地消除这些影响。抽样频率的误差会产生时变的定时偏移，导致时变的相位变化，也会引入少量的载波间干扰（ici）。相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响，其次也会引入一定量的ici，因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的了。频率偏移在ofdm系统中是比较有害的，它将导致ici，破坏子载波的正交性。isi与ici是矛盾的，一个减少

12、，另一个会增大，由于在系统设计时，可以容忍一定量的isi，所以，可尽量减少ici，以便降低系统同步实现的难度，残留的isi可以通过简单的均衡消除。频率偏移导致fft的间隔周期不再是一个整数，所以变换后会产生ici。由资料可知，ofdm技术可接受的最大频偏与信道信噪比及有效信噪比之差有关，通常频率精度必须达到频率间隔的1%-2%。ofdm系统中主要涉及的同步有码元同步，载波同步和采样频率同步。同步分为几个过程：粗定时恢复/分组/时隙/帧同步，粗频偏估计/校正，精频率校正（fft) 以后做），精定时校正（fft) 以后做）。4.3降低峰均比（papr）的技术目前，降低ofdm的papr的技术主要有

13、三类：第一类是采用信号预畸变技术，即在信号经过放大之前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变，包括限幅、峰值加窗或者峰值 消除等操作。这些信号畸变技术的好处在于直观、简单，但信号畸变对系统性能造成的损害是不可避免的。非线性畸变方法中最简单的方法是采用剪切滤波的方法， 对ofdm信号中幅度超过规定值的部分进行剪切。第二类是编码的方法11，即避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样。这种方法的缺陷在于，可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量较大时，编码效率会非常低。第三类是利用不同的加扰序列对ofdm符号进行加权处理，从而选择papr较小的ofdm符号来传输，如采用选择性映射(

14、slm)方法和部分传输序列(pts)方法，这两种方法都是以减少ofdm大信号出现的概率为目标。4.4信道估计技术在移动通信系统中，信号的传播由于反射、散射和衰落将导致复杂的电磁行为，具体表现在信号的时延、频率和相位扩展。时延扩展使得接收端得到多个拷贝的信号，而且这些信号之间并没有很明确的关系，时延扩展将直接导致码间串扰(isi)；频率扩展将导致信号的时间衰落；相位扩展将导致信号的空间衰落。时延、 频率和角度扩展等问题的存在会使接收端的性能下降，甚至无法进行正常的通信。因此在ofdm系统中信道估计也是极为重要的。ofdm信道估计方法大致分为盲信道估计和非盲(基于导频)信道估计两类。在欧洲dvb系

15、统的草案中，信道参数是基于导频信息来估计的，其中导频信息是以特定的载波和特定的时隙在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列进行发送，在收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计，其发送功率高于一般数据信息的发送功率。盲信道估计方法主要是利用被传输的信息符号的有限字符特性和统计特性，具有节省带宽的优点。4.5信道编码和交织技术在ofdm系统中，由于码间串扰不是很严重，所以随机误码得到了一定的限制，但对于突发误码，尤其是在军用场合，信道编码和交织技术还是必须的。由于ofdm信号具有时域和频域的二维结构特点，因此信道编码可以很好地利用此特点，得到更好的纠错性能。此时通过合理设计时域和频域的交织器，可以很好地对抗突发错误和人为干扰。因此在ofdm系统中，信道编码和交织器结构要根据ofdm信号的特点来设计，编码的码率和交织器的长度与ofdm系