正交频分复用(OFDM)原理及其实现

1、正交频分复用（OFDM）原理及其实现高建勤 熊淑华（ 四川大学电子信息学院 成都610064 ）摘要 本文介绍了正交频分复用(OFDM)技术的基本原理，讨论了OFDM系统的实现方法，并简要分析了OFDM系统的性能特点。关键词 正交频分复用（OFDM）调制 解调 The Fundamental and Implementation of OFDMGao Jianqin Xiong Shuhua(College of Electronics & Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064 )Abstract：In

2、this paper, the principle of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is firstly introduced, and then its methods to implement are discussed. Finally, the performance properties of OFDM system are given briefly.Key words：Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Modulation Demodulat

3、ion 1.引言在现代通信系统中，如何高速和可靠地传输信息成为人们关注的一个焦点。虽然现在数据传输理论和实践已经取得了相当大的进展，但是随着通信的发展，特别是无线通信业务的增长，可以利用的频率资源日趋紧张。OFDM调制技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用率开辟了一条的新路径。OFDM调制技术的应用可以追溯到二十世纪60年代，主要用于军用的高频通信系统，也曾被考虑应用于高速调制解调器。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(H

4、DTV)、无线局域网（ WLAN）等。本文简要叙述了正交频分复用技术的基本原理和OFDM系统的实现方法，最后总结了OFDM系统的性能特点。2.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

5、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

6、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

7、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

8、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。 图3 OFDM解调器数据编码串并变 换换IDFTD/A变 换低通滤 波D(k)串行d(n) d(t) 数据图4 用离散傅立叶变换实现OFDM的调制器数据解码并串变 换DFTA/D变 换低通滤 波D(k)串行d(n) d(t) 数据图5 用离散傅立叶变换实现OFDM的解调器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

9、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技参考文献1 Sun Y, Tong L. Bandwidth efficient wireless OFDM. IEEE, November 2001;19(11):2267-22792 WEINSTEIN S B, EBERT P M. Data Transmission by Frequency Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform J . IEEE Trans Commun Technol, 1971 ,19(5):628-6343 A.Chouldy, A .Brajal, S.Jordan