毕业设计论文OFDM技术及其应用

1、目 录ofdm技术及其应用1摘 要1abstract2前 言3第1章 ofdm技术4第1节 ofdm基本原理简介7第2节 ofdm的 算法理论与基本系统结构8第3节 ofdm技术特点11第4节 ofdm技术突出的地方13第5节 ofdm的技术优点13第6节 ofdm的两个缺陷14第2章 ofdm技术在各个领域中的应用16第1节 高清晰度数字电视广播16第2节 无线局域网16第3节 宽带无线接入17第4节 3g cdma的新概念18第3章 ofdm技术在设备制造和运行中的优势20第4章 下一代移动通信系统中的ofdm技术24第5章 ofdm技术的应用现状与前景29小 结33致 谢34参考文献35

2、结束语36ofdm技术及其应用摘 要ofdm技术是一种多载波调制技术，最初用于军事通信，由于采用dft实现多载波调制，同时lsi的发展解决了ifft/fft的实现问题以及其他关键技术的突破，ofdm开始向诸多领域的实际应用转化，现在成为一种很有发展前途的调制技术。本文首先分析了ofdm的基本原理，并说明其技术优点和缺点，然后提及有关ofdm技术发展方面的一些信息。现在，ofdm在许多领域取得成功应用，这里对有关无线局域网中的ofdm应用现状作了简要说明， 对ofdm的应用前景也作了展望。 关键词：正交频分复用（ofdm），原理，特点，发展，应用 abstractorthogonal frequ

3、ency division multiplexing(ofdm) is a kind of technology of multi-carrier modulation(mcm).depending on discrete fourier transform( dft) to realize mcm and the quick development of large scale integration( lsi) to solve the question of the solution of ifft/fft,ofdm began to be using practically in ma

4、ny fields and is becoming a prosperous mcm-technique.in this paper,firistly the principles of ofdm are analyzed and its characters(merit and defect) are reviewed,then some information about the development of ofdm is introduced.at current time,ofdm has succeeded in many fields, given an example,the

5、present situation of using ofdm on wireless local area net is stated,finally the prospect of using ofdm is imaged. keywords:orthogonalfrequencydivisionmultiplexing(ofdm);character;development;present situation and prospect of application 前 言随着通信技术的不断成熟和发展，如今的通信传输方式可以说多种多样，变化日新月异，从最初的有线通信到无线通信，再到现在的光

6、纤通信。然而，从通信技术的实质来看，上面所述基本上都是传输介质和信道的变化，突破性的进展并不多。近年来，随着dsp芯片技术的发展，傅立叶变换反变换、高速modem采用的64128256qam技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，ofdm作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，引起了广泛关注。人们开始集中越来越多的精力开发ofdm技术在移动通信领域的应用，预计第三代以后的移动通信的主流技术将是ofdm技术。第1章 ofdm技术ofdm的英文全称为orthogonal （直角的，相互垂直的）frequency division

7、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70年代，人们提出了采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简

8、化了系统结构，使得ofdm技术更趋于实用化。八十年代，人们研究如何将ofdm技术应用于高速modem。进入九十年代以来，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和视频领域和民用通信系统中，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

9、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，于是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-carrier 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

10、。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用的，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

11、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

12、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

13、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64qa

14、m；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。第1节 ofdm基本原理简介ofdm是一种高速数据传输技术，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，提高了抗多径衰落等恶劣传输条件的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互

15、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1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

16、入一个保护间隔，它是由ofdm信号进行周期扩展得 到的。只要多径时延超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。第2节 ofdm的 算法理论与基本系统结构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。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

17、始信号。ofdm解调器如图3所示。下面对ofdm的信号流程作较详细地分析，经过bpsk、qpsk、16qam、64qam 中的数字调制映射得到的串型符号流dn，n=0，1，m-1，先取m个符号将其分配到m路子信道中，每个符号调制m个子载波（下面用复指数表示为：exp(jkt),k=0,1,m-1）中的一个，然后将调制后得到的信号相加，得到ofdm符号再重复上述过程，发送下m个符号。设一个ofdm符号周期为t，子载波间隔为1/t，子载波频率为fi=f0+i/t ,i=0,1,m-1,fi为第i个子载波的频率，均为1/t的整数倍，则调制后一个ofdm的复基带信号为：在接收端，主要由混频器和积分器完

18、成解调，在不考虑同步误差及信道干扰的情况下，因为在载波之间相互正交，在一个符号周期内有：则对第k个在载波进行解调，在一个符号周期内进行积分得由此看见解调部分能完全恢复原始信号。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，通常考虑用离散傅立叶变换（dft）和反变换（idft）来实现上述功能。对（1）中等效复基带信号以t/m的速率进行抽样，即令t=kt/m,(k=0,1,，m-1),得到：看见sk即是对di进行idft运算，容易推得在接收端同样可以用dft恢复原始的数据信号dn，在接收端对接收

19、到的sk进行dft变换即得：由于dsp技术的发展，在ofdm系统调制解调的实际应用中可以采用快速算法ifft/fft实现idft/dft的理论计算，这为ofdm技术的推广创造了极为有利的条件。另外，为消除码间干扰（isi），在实际ofdm系统中采用插入循环前缀（cp）的方法，即将ofdm符号尾部的一部分复制后放到符号前面，cp使所传输的符号表现出周期性，当cp的持续时间比信号在信道传输延迟时间大时，码间干扰仅仅会干扰ofdm符号体前面的cp从而消除isi6。根据上面所述，ofdm的系统框图如图（4）第3节 ofdm技术特点ofdm尽管还是一种频分复用(fdm)，但已完全不同于过去的fdm, o

20、fdm的接收机实际上是通过fft来实现的一组解调器。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，以取得频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，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导致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

21、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满足要求，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，可以根据信道条件来选择使用不同的调制方式。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1 bit/(s.hz)转换成1664qam(频谱效率46 bit/ (s.hz)，整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的改善。自适应调制能够扩大系统容量，但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应采用的调制方式。终端还须定期更新调制信息，

22、这也会增加开销比特。 ofdm还采用了功率控制与自适应调制相协调的工作方式。信道条件好的时候，发射功率不变就可以采用高调制方式(如64qam )，或者在低调制方式(如qpsk)时降低发射功率。如果在差的信道上使用较高的调制方式，就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和准确的了解，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。 实现ofdm 的关键技术包括：同步技术、 降低papr（功率峰均值比） 技术、信道估计与均衡、 信道编码与交织等。第4节 ofdm技术突出

23、的地方(1) 在窄带带宽下也能够发出大量的数据。ofdm技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全的运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的cdma技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得ofdm技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎，例如加利福尼亚cisco系统公司、纽约flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大wi-lan工学院也开始使用这项技术。(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

24、的载波以保证持续地进行成功的通信；(3) 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；(4) 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。第5节 ofdm的技术优点首先，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（impulsenoise）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

25、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

26、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。第6节 ofdm的两个缺陷（1） 对频率偏移和相位噪声很敏感。（2）峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。不过近年来，围绕ofdm存在的两个缺陷，业内人士进行了大量研究工作，并且已经取得了进展。ofdm技术既可用于移动的无线网络，也可以用于固定的无线网络，它通过在楼层、使用者、交通工具和现场之间的信号切换，有效地解决了其中的信息冲突问题。尽管o

27、fdm技术已经是比较成熟，并在一些领域也取得成功的应用，但尚有许多问题须待深入研究以进一步提高其技术性能。多年来，围绕基于dft（或fft）的ofdm的关键技术，如同步、信道估计、均衡、功率控制等方面一直在探索更优的方案，这些研究使ofdm技术欲加成熟和完善。 另一方面，由于dftofdm在具体实现过程中采用插入cp（循环前缀）来消除isi（码间干扰），所以进一步提高频谱利用率仍有较大余地，另外，为降低插入cp带来的频谱损失，通常采用较长的dft变换块，但是，如此将会造成系统对载频误差及doppler频移非常敏感，引起系统性能下降，同时对信道估计带来难度。针对这一点，有人提出基于小波/小波包的

28、正交多载波调制技术，作为对基于dft的多载波调制技术ofdm的发展和改进。小波函数/小波包函数具有良好的尺度与平移正交性，因而可将其作为多载波调制的在载波，这种多载波调制方案被称为基于小波/小波包的正交多载波调制。理论分析和仿真表明，小波/小波包调制技术具有与其他调制技术相同或更好的性能参数，同时具有更好的抗干扰性能。小波/小波包调制与多址技术结合，如基于小波包变换的多载波码分多址系统（wpdmcdma）,更贴近于现代无线多址通信系统的实际应用，从而进一步表明小波/小波包调制技术的可行性与先进性，具有广阔的发展前景。同时作为一个充满希望与潜力的新研究领域关于小波/小波包调制技术有许多问题尚待进

29、一步研究第2章 ofdm技术在各个领域中的应用第1节 高清晰度数字电视广播 ofdm在数字广播电视系统中取得了广泛的应用，其中数字音频广播（dab）标准是第一个正式使用ofdm的标准。另外，当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中就包括ofdm技术，欧洲hdtv传输系统已经采用cofdm（coded ofdm：编码ofdm）技术。它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。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。 因此不难看出，ofdm技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应

30、用。欧洲的dab系统使用的ofdm调制技术其试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。它明显地改善了移动中接收无线广播的效果，用于dab的成套芯片的开发工作正在一项欧洲发展项目中进行，它将使ofdm接收机的价格大大降低，其市场前景非常看好。 第2节 无线局域网 大家知道，hiperlan/2物理层应用了ofdm和链路自适应技术，媒体接入控制（mac）层采用面向连接、集中资源控制的tdma/tdd方式和无线atm技术，最高速率达54mbps，实际应用最低也能保持在20mbps左右。另外，ieee 802.11无线局域网工作于ism免许可证频段，分别在5.8ghz和2.4ghz两个频段定义了采用ofd

31、m技术的ieee 802.11a和ieee 802.11g标准，其最高数据传输速率提高到54mbps。 技术的不断发展，引发了融合。一些4g及3.5g的关键技术，如ofdm技术、mimo技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线局域网中，以提升wlan的性能。如802.11a和802.11g采用ofdm调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。802.11n计划采用mimo与ofdm相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里（并且能够保障100mbps的传输速率）。 而对于今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说，最高为54mb

32、ps的数据传输速率还远远不够。为了进一步提升无线局域网的数据传输速率，实现有线与无线局域网的无缝结合，ieee成立了ieee 802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准。ieee 802.11n计划将wlan的传输速率从802.11a和802.11g的54mbps增加至108mbps以上，最高速率可达320mbps，成为802.11b/a/g之后的另一场重头戏。和以往的802.11标准不同，802.11n协议为双频工作模式（包含2.4ghz和5.8ghz两个工作频段）。这样802.11n保证了与以往的802.11a/b/g标准兼容。 第3节 宽带无线接入 ofdm技术适用于无线环

33、境下的高速传输，不仅应用于无线局域网，还在宽带无线接入（bwa）中得到应用。ieee 802.16工作组专门负责bwa方面的技术工作，它已经开发了一个2ghz11ghz bwa的标准ieee 802.16a，物理层就采用了ofdm技术。该标准不仅是新一代的无线接入技术，而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重要意义。 在bwa领域，一些公司开发的技术虽然都基于ofdm，但有各自的特色，形成一些专利技术，如cisco和iospan公司的vector ofdm（vofdm）、wi-lan公司的wideband ofdm（wofdm）、flarion公司的flash-ofdm。其中，vofdm由cisc

34、o公司支持，wofdm则由wi-lan公司提出，构成了基于两个组织的ofdm两大阵营：宽带无线internet论坛（bwif）和ofdm论坛，它们力图使自己的ofdm模式成为标准。其中由wi-lan公司倡导的ofdm论坛，有50多个成员，其中有如breezecom、start-up beamreach networks和nokia等参加，主要是协调提交到ieee的ofdm提案。而宽带internet论坛（bwif）则是在cisco倡导下，由ieee工业标准技术组织ieee-isto成立的，其主要目标是提供低成本宽带无线接入技术，号召采用基于vofdm的标准作为解决方案。 第4节 3g cdma

35、的新概念 为满足未来无线多媒体通信需求，人们在加紧实现3g系统商业化的同时，开始了后3g（beyond 3g）的研究。从技术方面看，3g主要以cdma技术为核心技术，而未来移动通信系统则以ofdm技术最受瞩目。在宽带接入系统中，由于ofdm系统具备良好的特性，将成为下一代蜂窝移动通信网络的有力支撑。 另外一个事实是，3g网络现在面临诸多的问题，例如它的数据传输速度远远达不到广告中宣称的2mbps，其实际传输速度仅为0.4mbps左右，而当网络繁忙时可能连这一速度的三分之一都达不到。这一状况仅仅足够传输高质量的音频，用户要想传输高质量的视频恐怕还需要继续等待。 cdma技术为了对抗多径干扰，需要

36、更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。为了推动3g的发展，人们开始研究将ofdm技术的优势引入到cdma系统中，推出mc-cdma技术。与普通的ds-cdma相比，mc-cdma系统具有下述优点： （1）具有更大的灵活性。例如，在ofdm信号中加入保护时间带来的灵活性，可以使得在不同小区环境中达到最佳的频谱利用率； （2）高容量，高性能。由于频率交织，系统提供了更多重数的频率分集，因此，可以应用不同检测方法充分挖掘这种分集提供的增益； （3）高抗干扰性； （4）不需要均衡。由于多载波调制的特性，它将高速率信号分割成多个低速率信号，使得信号波形间的干扰得到消除，因此可以不需要均衡。 综上所述，在

37、时代交替之际，旧有系统之整合与升级是产业关心的话题，目前大家谈的是gsm如何升级到第三代移动通信系统，而未来则是cdma如何与ofdm技术相结合？可以预计，cdma绝对不会在第四代移动通信系统中消失，而是将成为其应用技术的一部份，或许未来也会有新的整合技术如ofdm/cdma产生。前文所提到的数字音频广播，其实它真正运用的技术是ofdm/fdma的整合技术，同样是利用两种技术的结合。因此未来以ofdm为核心技术的第四代移动通信系统，也将会结合两项技术的优点。 第3章 ofdm技术在设备制造和运行中的优势 该技术可以处理多体数据业务的异步特性，可以提供比传统多址技术更高的容量，并且可以抗信道的频

38、率选择性衰落； 该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； 该技术能提供队列服务，克服传输介质中外界信号的干扰，使无线通讯在大部分地区可以稳定使用； 该技术解决了在移动传输高速数据时所引起的无线信道性能变差的问题，从而极大地提高了传输信道的质量保持； 该技术具有快速纠错功能，能够应对随时可能出现的干扰信号，并重建所有在传送过程中遭到破坏的信号数据位； 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

39、频率下的载波进行成功通信； 该技术可以实现较高的安全传输性能，它允许数据在复数的高速的射频上被编码； 该技术对传输线路上的多路径外界信号干涉有较强的抵抗力，非常适合工作在一些恶劣的通信环境中。 总之，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dab系统使用的就是ofdm调制技术。试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。它明显地改善了移动中接收无线广播的效果。用于dab的成套芯片的开发正在一项欧洲发展项目中进行，它将使ofdm接收机的价格大大降低。市场前景非常看好。当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中就有ofdm技术，欧洲hdtv传输系统已经采用cofdm（c

40、oded ofdm编码ofdm）技术。它具有很高的频谱利用率，进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。在无线局域网领域中，1999年ieee80211a通过了一个5ghz的无线局域网标准，其中ofdm调制技术被采用为它的物理层标准。etsi的宽带射频接入网（bran）的局域网标准也把ofdm定为它的调制标准技术。在未来的宽带接入系统中，ofdm是一项基本技术。由于该系统的良好的特性，也可能成为下一代蜂窝移动网络的无线接入技术。将ofdm调制技术应用于cdma系统也引起各公司很大的研究兴趣，即mc-cdma。与普通的ds-cdma相比，mc-cdma系统具有下述优点：（1）具有更大的灵活性

41、。如，在ofdm信号中加入的保护时间提供的灵活性可以使得在不同小区中易于达到最佳的频谱利用率。（2）高容量，高性能。由于频率交织，系统提供了更多重数的频率分集。可以应用不同检测方法充分挖掘这种分集提供的增益。（3）高抗干扰性。（4）不需要均衡。由于多载波调制的特性，它将高速率信号分割成多个低速率信号，使得信号波形间的干扰得到消除，因此可以不需要均衡。 随着ieee802.11a协议、etsi bran（broadband radio access network）和多媒体应用的引入，无线通信领域已经为ofdm技术的应用做好了准备。世界各国许多大公司、研究团体已经充分认识到ofdm技术的应用前景

42、。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，从而进一步推动了ofdm技术的商用化。此外ofdm的重要性不仅仅在于它是ieee802.11a等其他高性能无线技术的基础，更重要的是ofdm技术与传统的相关技术相比存在下面的优势特点： ofdm调制频带利用率高、抗脉冲噪声特性好，不过该系统网络上要有数字信号处理器来提供高速数据服务，系统实现起来相对复杂一点； ofdm技术能够应对随时可能出现的干扰信号，它可对使用多种频率方面存在的一些问题进行快速修正，并可以对

43、那些在通信传输过程中遭到破坏的信号数据位进行自动重建； ofdm技术通过在复数的高速的射频上对传送的信号进行编码，让被传输的信号在传输过程中不容易被窃取，从而保证信号传送具有更高的安全性； ofdm技术对传输线路上的多路径外界信号干涉有较强的抵抗力，它不仅可以克服信号传输的障碍，而且还能提高通信传输的速度，因此在一些恶劣环境中通讯它将非常有吸引力； ofdm技术每赫兹的带宽更高，这样无线系统的容量也就更大，而且它抗信号衰落性能更好，目前ofdm技术已经被采用在无线局域网环境中，在未来该技术能使无线通信速度达到10mbit/s左右； ofdm技术通过提供队列服务，来解决了在移动传输高速数据时所引

44、起的无线信道性能变差的问题，从而克服传输介质中外界信号的干扰，提高传输信道的通信质量； ofdm技术既可用于移动的无线网络，也可以用于固定的无线网络，它通过在楼层、使用者、交通工具和现场之间的信号跳换，解决其中的信息冲突问题。 随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，ofdm技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。 可以看出，ofdm技术具有良好的应用前景。第4章 下一代移动通信系统中的ofdm技术第一代模拟移动通信系统正逐渐退出历史舞台，第二代数字移动通信系统正在以前所未有的速度发展，它们都是以传输语音业务为主要目的。第三代移动通信系统正处在大规模商用化的前夕，它将提出语音

45、、数据以及视频等多媒体通信业务。继第三代以后的下一代移动通信系统“beyond 3g”或“4g”的技术研究和标准建议工作目前也正在紧张开展。 从移动通信系统提供的传输速率来看，第一代模拟系统提供模拟语音服务和简单的信令；第二代数字n-cdma两个系统为代表，主要传输数字语音，当然可以同时使用多个时隙实现相对较高速率的数据通信；而第三代移动通信系统数据传输速率最高可达2mbps，其中，静止环境为2mbps，慢速移动环境为384mbps，快速移动环境为144mbps，卫星移动通信为9.6mbps；下一代（4g）移动通信系统预计系统速率可达到20mbps，甚至更高，国际电信联盟正在着手有关标准的组织

46、工作。为了实现这一目标，必须从通信网络的交换、传输和接入等各个环节进行研究和突破，尤其是在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定可靠高效地支持高速率的数据传输值得研究。正交频分复用（ofdm）技术因其网络结构高度可扩展，且有良好的抗噪声性能和抗多径信道干扰的能力以及频谱利用率高而被普遍认为是下一代移动通信系统必不可少的技术。关于下一代移动通信系统的研究工作已经提交给itu-r第8研究组和世界无线电大会（wrc）。许多世界著名通信公司已经投入巨资研究下一代移动通信系统。早在1997年日本ntt docomo公司已经启动第四代系统的开发研究工作，并于2001年6月15日向国际电联提交了有关建议：西

47、门子正积极与国内外颇具实力的高校进行下一代系统的合作研究；爱立信也已宣布进行第四代手机的研发；at&t公司正在研究以提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问因特风速率为目的的第四代移动通信系统。总的来说，下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求：（1）用户速率在准静止（低速移动和固定）情况下达20mbps，在高速移动情况下达2mbps；（2）容量要达到第三代系统的5-10倍，传输质量相当于甚至优于第三代系统；（3）条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统；（4）具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量；（5）网络的每比特成本要比第三代低。在功能方面主要有以下要求：（1）支持下一代因特

48、网和所有的信息设备、家用电器等；（2）实现与固定网或专用网的无缝化连接；（3）能通过中间件支持和开通多种多样的ip业务；（4）能提供用户定义的个性化服务；（5）按服务级别收费。由于信道传输特性不理想，各类无线和移动通信中，普遍存在着符号间干扰（isi）。克服符号间干扰的措施通常是采用自适应均衡器，但是，在高速数字通信系统中，为了保证克服isi，往往要求均衡器的抽头数很大，尤其是在城市，环境可能要求均衡器的抽头数上百个。这样，必然大大增加了均衡器的复杂程度，使设备造价和成本大大提高。为了能在下一代移动通信中有效解决这一问题，可采用频谱利用率高，抗多径衰落性能好的ofdm技术，以取代复杂而昂贵的自

49、适应均衡器。近年来，由于dsp技术的飞速发展，ofdm作为一种可以有效对抗isi的高速传输技术，引起了广泛关注。ofdm技术已经成功地应用于数字音频广播（digital audio broadcasting, dab）、高淅晰度电视（high-definition television, hdtv）、无线局域网（wireless local area network, wlan），它在移动通信中的运用也是大势所趋。对传统的频分复用（fdm）系统而言，为了避免载波间的相互干扰，载波间通常加保护频带而使频谱利用率下降。而正交频分复用（ofdm）系统则使各子载波早期采用正交滤波器将信道分成多个子信道

50、，但要用尤其是当路数增多的时候。1971年，weinstein及ebert等将dft应用在多载波传输系统中，从而很方便地实现了多路信号的复合和分解。为了克服多径引起的ofdm符号帧之间的干扰（isi），通常在每个符号帧之间插入循环前缀（cyclic prefix,cp），即将ofdm符号帧的最后几个码元拷贝插入到本符号帧的前面。如果cp所占时长大于或等于最大时延扩展tmax，则所有多径信号将不会延伸到下一个ofdm帧周期。令插入cp对应g个码元，则发送符号帧s可表示为：s=xn-g,xn-g+1,xn-1,x0,x1,xn-1经过信道后，接收端移走接收到的符号帧s中的前g个码元，得到由n个码元

51、组成的ofdm符号帧y。再将y经检测等处理恢复出原始信号。ofdm系统与相同传输速率的单载波系统比较，每个子载波上的码元宽度是单载波系统码元宽度的n倍，通常远远大于信道的时延扩展，因此，ofdm系统每个子载波均具有极强的抗码间干扰的能力。由于ofdm系统传输高速数据，信道必然存在可辨多径，接收到的ofdm符号帧y存在多径干扰（mpi），接收端采用n点fft和单抽头均衡可以有效克服mpi。当然，为了进一步提高实际系统性能，通常还将增加频域交织、时域交织、导频和信道编解码等功能模块。ofdm系统的关键技术与下一代移动通信系统有关的ofdm系统关键系统技术有：（1）域和频域同步前面已经提及，ofdm

52、系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与fdma、tdma和cdma等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与其它数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时频域同时进行同步。（2）信道估计在ofdm系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频

53、信息的选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。（3）信道编码和交织为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在ofdm系统中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为ofdm系统自身具

54、有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被ofdm这种调制方式本身所利有了。但是，ofdm系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成cofdm方式。编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，卷积码的效果要比分组码好。（4）降低峰均功率比由于ofdm信号时域上表现为n个正交子载波信号的叠加，当这n个信号恰好均以峰值占相加时，ofdm信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的n倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比（peak to average power ratio, papr）的ofdm信号，发送端对高功率放大器（hpa）的线性度要求很高且发送效率极

55、低，接收端对前端放大器以及a/d变换器的线性度要求也很高。因此，高的papr使得ofdm系统的性能大大下降甚至直接影响实际误应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低ofdm系统papr的方法。（5）均衡在一般的衰落环境下，ofdm系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而ofdm技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，ofdm系统就不必再做均衡了。在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，cp的长度必须很长，才能够使isi尽量不出现。但是，cp长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是

56、很大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使cp的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。下一代移动通信系统的技术研究和标准制定工作已经开始，ofdm技术被普遍认为是下一代通信系统必不可少的技术。我们应该跟踪ofdm技术的最新发展，加快相关关键技术的研究，以便在下一代移动通信系统的研发中具有竞争力。第5章 ofdm技术的应用现状与前景20世纪60年代ofdm的多路数据传输已被成功地用于高频军事通信系统。过去10多年，ofdm技术被广泛应用于1.6 mb/s高比特率数字用(hdsl)、6 mb/s不对称数字用户线(adsl)、100 mb/s甚高速数字用户线(vdsl)、数字音频

57、广播和数字视频广播等方面。最近，ofdm又被用于54 mb/s无线局域网标准ieee 802.11a和ieee 802.11g、高性能局域网标准hiperlan/2、欧洲宽带无线接入网etsi-bran、ieee 802.16 man和集成业务数字广播(isdb-t)标准中。编码ofdm(cofdm)被美国联邦通信委员会(fcc)接受为数字电视(dtv)陆地广播标准，在6 mhz信道上将以19.3 mb/s的mpeg格式分组传输，并进行数字格状编码，计划2006年底进行dtv转换。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

58、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。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。另外，在电力线通信领域，ofdm也将作为主要的调制技术被采纳。 在未来的宽带接入系统中，ofdm会是一项基本技术，所谓宽带（broadband）是指速率高于10mbit/s 的传输系统，宽带无线接入系统是针对微波及毫米波段中新的空中接口标准，它具有速率高、抗干扰性强等特点，能支持无线多媒体通信，适用于商务大楼、热点地区及家庭用户的宽带接入。ieee 802.16工作组专门负责bwa方面的技术工作，开发了21