宽带无线通信-OFDM系统

宽带无线通信—OFDM系统（1）OFDM技术概述一、OFDM技术的发展历程OFDM(Orthogona1FrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用，是一种多载波数字调制技术。OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小。当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。并行传送数据和正交频分复用的概念于20世纪50-60年代被提出。该技术的特点是易于实现信道均衡，降低了均衡器的复杂性，但由于OFDM技术要求大量的复杂计算和高速存储设备，当时的技术条件达不到，所以仅在一些军用系统中有过应用。第一个OFDM技术的实际应用是美国军用的无线高频通信链路。1970年，OFDM专利发表。1971年，Weinstein和Ebert提出了使用DFT来实现OFDM系统中全部调制解调功能的建议，简化了振荡器阵列及相关接收机中本地载波间严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化、大规模子载波传输方案做了理论上的准备。1981年，Hirosaki用DFT完成OFDM调制并试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbps的电话线MODEM。80年代中期以来由于无线通信技术，特别是无线多媒体技术的飞速发展，要求的数据传输速率越来越高。随着传输速率的提高，信道干扰更加严重，采用传统的单载波调制方式，其信道均衡的难度也随之增加，而采用OFDM调制技术可有效地处理信道干扰，提高系统的传输速率，因此倍受瞩目。1995年，欧洲电信标准委员会(ETSI)将OFDM作为数字音频广播(DAB)的调制方式，这是第一个以OFDM作为传输技术的标准。1997年，欧洲数字视频广播联盟采用OFDM作为其地面广播(DVB-T)调制标准。1999年，IEEE将OFDM作为其无线局域网标准IEEE802.lla的物理层的调制标准。OFDM和CDMA的结合也被用于宽带CDMA中。目前OFDM技术己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。随着DSP芯片技术的发展，傅立叶变换/反变换、高速Modem采用的64/128/256QAM技术、栅格编码技术、信道自适应技术、插入保护时段等成熟技术的逐步引入，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。OFDM技术由于使用正交重叠的频谱，频谱效率较高，另外还具有抗多径时延、硬件实现简单等优点，目前已基本被公认为Beyond3G的核心技术，尤其是OFDM、多载波作为一项核心技术和其他先进的发送和接收技术的结合，更是今后研究的热点。二、单载波与多载波通信系统单载波通信系统数据传输速率不太高的情况：多径效应造成的ISI不是特别严重，可以通过均衡算法加以解决。对于宽带业务：数据传输速率↑——时延扩展↑——ISI严重性↑——算法的可实现性与收敛速度↓另一个角度：当信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散性会造成频率的选择性衰落。多载波通信系统多载波传输通过把数据流分解成若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。在单载波系统中，一次衰落或干扰就可能严重影响整个链路的通信质量；在多载波系统中，某一时刻往往只有少部分的子信道会受到深衰落的影响。传统FDM偏置QAM偏置QAM（OffsetQuadrateAmplitudeModulation，OQAM）技术，相邻子载波在3dB处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的，子带的正交性通过交错同相或正交子带的数据得到。ATDB-T地面广播模式就采用此技术。OFDM012345678910-0.500.51各子信道频谱012345678910-0.500.511.5符号频谱各子载波有1/2的重叠，并保持正交。频谱效率提高近一倍。三、OFDM的主要优缺点优点有效减小ISI，降低了均衡的复杂度，通过插入循环前缀的方法就可以消除ISI。频谱利用率高。调制解调用IDFT/DFT，大系统中用IFFT/FFT，随着大规模集成电路与DSP的发展，易于实现。支持非对称高速数据传输。较好地克服频率选择性衰落，充分利用信噪比高的子信道。易于与其他接入技术结合。一定程度上抵抗窄带干扰。缺点易受频率偏差的影响，导致子信道间的正交性被破坏。较高的峰均功率比（PAR）。宽带无线通信—OFDM系统（2）OFDM基本结构OFDM系统收发信机结构串并转换串并变换是把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率多状态符号再去调制相应的子载波。由于调制模式可以自适应调节，所以每个子载波的调制模式是可变化的，因而每个子载波可传输的比特数也是可变化的，所以串并变换需要分配给每个子载波数据段的长度可以是不一样的。当一个OFDM符号在多径无线信道中传输时，频率选择性衰落会导致某几组子载波受到相当大的衰减，从而引起一连串的比特错误。为了提高系统的性能，大多数系统采用数据加扰作为串并转换工作的一部分。OFDM符号的表示一个OFDM符号之内包含多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM）符号的调制。如果N表示子信道的个数，T表示OFDM符号的宽度，di(i=0,1,…,N-1)是分配给每个子信道的数据符号，fc是第0个子载波的载波频，，则从t=ts开始的OFDM符号可以表示为子载波一般采用矩形脉冲成形，因此子载波的频谱是sinc(x)函数。()1,/2rectttT10Re()exp2()()()20orNiscsssissTidrectttjftttttTstTttttT带通信号可以表示成等效基带信号形式。复等效基带信号来描述OFDM符号其中，s(t)的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际系统中可以分别与相应上变频载波的cos分量和sin分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。10()exp2()()20orNissssissTidrectttjtttttTstTttttTIDFT/DFT用复等效基带信号表示OFDM符号，令ts=0，对信号s(t)以T/N的速率来抽样，即令t=KT/N(k=0,1,…N-1)。经过N点IDFT运算，把频域符号di转换为时域符号sk，经过射频载波调制，发送到无线信道中。在接收端为恢复，进行逆变换。102expNkiiTiksskdjNN102expNikiikdsjN正交性分析每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差1个周期。这一特性可以用来说明子载波之间的正交性：01()1expexp0()TmmmnjtjtdtmnT对第k个子载波进行解调，然后在时间长度T内进行积分，就可以恢复出期望信号dk10101ˆexp(2())exp(2())1exp(2())ssssNtTksistiNtTisktikidjttdjttdtTTTikdjttdtdTT从频域角度看，每个OFDM符号在其周期T内包括多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为T的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为sinc(fT)函数，这种函数的零点出现在频率为1/T整数倍的位置上。在每个子载波频率最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。所以可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。012345678910-0.500.51各子载波频谱宽带无线通信—OFDM系统（3）OFDM保护间隔概述为了最大限度地消除ISI，需要在每个OFDM符号之间插入保护间隔（guardinterval），该保护间隔长度Tg一般要求大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。空白间隔保护间隔内不插入任何信号，即一段空白的传输时段。由于多径传播的影响，会产生载波间干扰，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间会产生干扰。从图中可以看到，由于在FFT运算时间长度内，第1子载波和第2子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对第1子载波进行解调时，第2子载波会对第1子载波造成干扰（不正交）。同样，当接收机对第2子载波进行解调时，也会存在来自第1子载波的干扰。第二子载波对第一子载波带来的ICI干扰第一子载波带有时延的第二子载波保护间隔FFT积分时间长度＝1/子载波间隔循环前缀为了消除由多径所造成的ICI，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀符号。插入CP就是将OFDM符号结尾处的若干采样点复制到此OFDM符号之前，CP符号长度必须长于主要多径分量造成的时延扩展，以保持子载波之间的正交性。timeCyclicPartPrefixFirstPartofthesignal…………LastPartofthesignalTgT这样就可以保证在FFT周期内，OFDM符号的延时副本内所包含波形的周期个数也是整数,保持正交性。符号的总长度为Ts=Tg+TFFT，其中Ts为OFDM符号的总长度，Tg为抽样的保护间隔长度，TFFT为FFT变换产生的无保护间隔的长度。保持整数倍周期第一子载波带有时延的第二子载波保护间隔FFT积分时间长度＝1/子载波间隔经过BPSK调制，在符号的边界处，有可能发生符号相位180度的跳变。如果多径时延小于保护间隔，就可以保证在FFT的运算时间长度内，不会发生信号相位的跳变，此时OFDM接收机所收到的是存在某些相位偏移的多个单纯连续正弦波形的叠加信号，而且这种叠加也不会破坏子载波之间的正交性。如果多径时延超过了保护间隔，则FFT运算时间长度内可能会出现信号相位的跳变，则叠加信号内就不再只包括单纯连续正弦波信号，导致子载波之间的正交性被破坏。一个例子48个子载波的OFDM系统内，3种不同保护间隔长度条件下的16QAM星座图。保护间隔的开销OFDM系统加入保护间隔之后，会带来功率和信息速率的损失，其中功率损失定义为可见，当保护间隔占到20％时，功率损失仅0.8dB，但是带来的信息损失却达20％。但是由于插入CP可以消除ISI和多径所造成的ICI的影响，因此这个代价是值得的。10log()10log(1)ggguardTTTTT宽带无线通信—OFDM系统（4）OFDM的加窗OFDM的带外辐射功率归一化的OFDM符号的复包络OFDM符号的功率谱密度|S(f)|2为N个子载波上的信号的功率谱密度之和，令fi=fc+i/T101()()exp22NiiciTistdrecttjtfTN2120sin[()]1()()NiiiiffTSfdTNffT功率谱密度分析下图给出了N=16的OFDM符号的功率谱密度图，横坐标为归一化带宽，纵坐标为归一化功率谱密度。虚线表示第一路调制子载波f0，各调制子载波的功率谱为将f0的功率谱密度依次在频率上进行i/T位移得到，所有N个子载波的功率谱密度构成以实线绘出的OFDM符号的功率谱密度。可看出，带外功率谱密度衰减比较慢，即带外辐射功率较大。随着N的增大，每个子载波功率谱密度主瓣和旁瓣变窄，所以OFDM符号功率谱密度的下降速度会逐渐增加。带内的幅频特性更加平