OFDM系统基本原理及技术

第二章OFDM系统基本原理及技术概述正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波传输方案，既可看成一种调制技术，也可以当做一种复用技术。它能很好的对抗频率选择性衰落或窄带干扰，在没有使用传统的信道补偿的不均匀传输介质环境下，如无线信道上通信时依然可以稳定运行，而如果使用传统调制技术则信道上通信质量会出现波动。尤其适用于多信道传输所引起的频率选择性衰落较为严重的宽频信道上高速数据传输，在IEEE.802.11a、HiperLAN、IEEE802.16、HiperMAN、ASDL等标准中得到广泛应用。1966年正交频分复用（OFDM）的概念就已经出现，1970年一月首次公开发布了有关OFDM的专利。80年代以来，OFDM已经在数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、无线本地局域网（WLAN）及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称比特率数字用户线技术中得到了很大应用。90年代达到了足够成熟的可应用标准，1995年由欧洲电信标准协会（ETSI）制定了DAB标准，这是第一个使用OFDM的标准，1997年DVB标准也开始投入使用，1998年IEEE9802.11标准决定选择OFDM作为WLAN的物理接入方案，这是OFDM第一次用于分组业务通信中。2.1OFDM的原理2.1.1OFDM系统基本原理图2-1是系统收发端的典型框图，将数字信号转换成子载波相位于幅度的映射，进行IFFT将数据的频谱表达式变到时域。其中上半部分为发射机链路，下半部分为接收机链路。由于FFT与IFFT相似相反，所以收发机可以用同一硬件设备。交织编码数字调制插入导频串并变换解码解交织数字解调信道校正并串变换IFFTFFT并/串串/并插入循环前缀和加窗去除循环前缀RFTXDACRFRXADC定时和频率同步图2-1OFDM收发框图由于接收机进行与发送机相反操作，将RF信号与基带信号进行混频处理，并用FFT分解频域信号，子载波的频率相位采集出来转换为数字信号。IFFT和FFT互为反变换，选择适当的变换将信号接收或发送。当信号独立与系统时，FFT和IFFT可以交替使用。2.1.2DFT的实现方法对于N比较大的系统来说可以使用离散傅里叶变换（IDFT）来实现.12)exp()/(NoiNikiKjdNKTSS(10NK)(2.1)可以看到ks等效为对id进行IDFT运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号id，可以对ks进行逆变换，即DFT得到：)2exp(10NikjsdNkki10Ni(2.2)在OFDM系统的实际运用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换（IFFT/FFT）。点IDFT运算需要实施次的复数乘法，而IFFT可以显著的降低运算的复杂度。对于常用的基-2IFFT算法来说，其复数乘法次数仅为，但是随着子载波个数的增加，这种方法复杂度也会显著增加。对于子载波数量非常大的OFDM系统来说，可以进一步采用基-4的IFFT算法来实施傅立叶变换。2.1.3串并变换和载波调制1.串行传输和并行传输在传输过程中，要么是串行传输，要么是并行传输。所谓的串行传输，是一种比较传统的传输方式，其在传输信息时，信息码元占用整个信道，利用了信道中的所有资源，占用全部的频带，所以不会出现信道间串扰。而并行传输则是将传输的信道分成一个个小的子信道，而传输的码元也并行分成多路传输，每一路码元在各自的信道上传输，那么每一路的传输速率相对串行传输则小很多，且在传输过程中，并行的信道间会出现多径干扰等。那么，并行传输就要求注重其抗码间干扰图2-22.单载波与多载波通信技术的发展日新月异，在传输信息的年代，人们凭借聪慧的大脑发明了一个又系统。现在的移动通信技术已趋于高科技化，从几十年前的单载波系统到如今的多载波调制系统，为我们的生活增添了不少方便。所谓的单载波调制，是在传输过程中，采用一个信号载波来传输数据。单载波调制也有很多种方法，如4-QAM,8-QAM,16-QAM,32-QAM，脉冲编码调制，自适应差分脉码调制，增量调制等，其中4-QAM也叫着QPSK。学通信工程专业的同学应该都知道QAM的含义，其在大三的现代通信原理课程中专门讲解了该内容。QAM是正交幅度调制的简称，它的调制方式有多种，前面的数字表示在调制过程中映射都星座图上的模数。如图2-2图2-3由于单载波调制所要达到的速率不能满足现在的通信，所以我们正朝着另一个方向发展——多载波调制技术。多载波调制简称MCM，其英文全名为Multi-Carrier-Modulation。多载波调制就是在传输过程中，将高速传输的数据流通过串并转换等技术，变成为很多路低速的数据流，而每一路数据流则在各自的信道上传输。这样的情况下，数据流中的数据不会相互干扰，那么就可以看成是在自己的平坦信道上传输，可以有效减小ISI(符号间干扰)和ICI(载波间干扰)。其实，多载波调制技术也不是一个很新的技术，早在20世纪50年代，就由美国军方研制出了第一个多载波技术，只是由于在快速傅立叶变换的到来之前不易实现，所以，才由最近几十年的快速发展。OFDM是多载波调制的一种。其有很多优点，最重要的一个正交如下图：图2-4AOFDM频谱图2-4B一个OFDM子载波频谱上图B表示了正交频分复用子信道的频谱，图A表示了正交频分复用的频谱，通过选择子载波间的间隔，可以实现子载波间正交。下表列出了单载波与多载波传输方式在符号时间、速率、频带带宽和对ISI敏感度等几方面的比较。其中，N为子载波个数，为一个OFDM符号的持续时间。表1单载波与多载波传输方式比较2.1.4保护间隔和循环前缀传输方式系统参数符号时间速率总频带带宽ISI敏感度单载波多载波/sTNsT/sNT1sT2sNT较敏感较不敏感2/(2)ssNTNT应用OFDM的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并变换到N个并行的自信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔(guardinterval)，而且该保护间隔长度gT一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。传统的保护间隔插入方案，是在保护间隔时间内不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰(ICI)，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，前且也同时会出现该OFDM符号的时延信号，由于在FFT运算时间长度内，某一子载波与带有时延的另一子载波之间的周期差不再是整数，所以当接收机试图对其中一个子载波进行解调时，另一子载波会对此造成干扰，反之相同。通常前缀的插入是循环重复的，它用来消除多载波调制后的码间串扰，在插入保护间隔后OFDM的实际传输周期为，为保护间隔长度，如果保护间隔中插入的是一已知序列，比如随机序列或者全零码，在一个FFT运算时间长度内，由于多径扩展的影响，不同的子载波由于不同的时延后，信号周期之间数目只差不再是整数，而各子载波也不满足正交关系。这样，其余子载波的时延信号会影响接收机对某一子载波的解调时，引入子信道间干扰的OFDM系统，子载波间的正交性遭到破坏，不同子载波间产生严重干扰，如下图2-3：图2-5上图是在同一时刻接受的奥的两个子载波信号。如图所示，在一个符号周期长度内，子载波存在时延后的信号之间不再满足正交的关系，所以在解调时两个信号之间会彼此影响，这样，会导致整个系统的性能下降。循环前缀可以很好的解决这一问题，一般来说，循环前缀的长度大于多径信道的最大时延扩展长度。为了消除由于多径所造成的子载波间干扰（ICI），OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，即将一个符号的最后个采样点复制到本符号的开头，这样就可以保证在FFT周期内，OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。2.1.5OFDM参数选择实例各种OFDM参数的选择就是需要在多项要求冲突中进行折衷考虑。通常来讲，首先需要确定的是三个参数：带宽、比特速率以及时延扩展。时延扩展直接决定保护间隔的长短，按照惯例，保护间隔的时间长度一般应为时延扩展均方根值的2到4倍。一旦确定了保护间隔，则符号周期长度就可以固定。为了最大限度地减小由于插人保护比特所带来的信噪比损失，希望OFDM符号周期长度要远远大于保护间隔长度。但是符号周期长度又不可能任意大，否则就意味着OFDM系统中要包括更多的子载波，从而导致子载波间隔会相应减小，系统的实现复杂度就会增加，而且还加大了系统的峰值平均功率比，并且使系统对频率偏差会更加敏感。因此在实际应用当中，一般选择符号周期长度是保护间隔长度的5倍，这样由于插入保护比特所造成的信噪比损耗只有1dB左右。在确定了符号周期和保护间隔之后，子载波的数量可以直接利用-3dB带宽除以子载波间隔(即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数)得到。或者，可以利用所要求的比特速率除以每个子信道中的比特速率来确定子载波的数量。每个子信道中传输的比特速率可以由调制类型(例如QPSK、16QAM)、编码速率以及符号速率来确定。下面通过一个实例，来说明如何确定OFDM系统的参数，要求设计系统满足如下条件：·比特速率：20Mbit/s·可容忍的时延扩展：200ns·带宽：l5MHz200ns的时延扩展就意味着保护间隔的有效取值应该为800ns。选择OFDM符号周期长度为保护间隔的6倍，即6×800ns=4.8us，其中由保护间隔所造成的信噪比损耗小于ldB。子载波间隔取4.8-0.8=4us的倒数，即250kHz。为了判断所需要的子载波个数，需要观察所要求的比特速率与OFDM符号速率的比值，即每个OFDM符号需要传送(20Mbps)/(1/4.8us)=96bit。为了完成这一点，可以作如下两种选择：一是利用16QAM和码率为l／2的编码方法，这样每个子载波可以携带2bit的有用信息，因此需要48个子载波来满足每符号96bit的传输速率。另一种选择是利用QPSK和码率为3／4的编码方法，这样每个子载波可以携带l.5bit的有用信息，因此需要64个子载波来传输。然而64个子载波就意味着带宽为64*250kHz=16MHz，大于所给定的带宽要求。因此为了满足带宽的要求，子载波数量不能大于60，因此第一种采用16QAM和48个子载波的方法可以满足上述的要求。而且还可以利用64点的FFT／IFFT来实现，剩余的16个子载波补零，用于FFT／IFFT的过采样。另外一个影响参数选择的问题就是要求在FFT／1FFT运算时间内和符号间隔内的采样数量必须要为整数。例如在上述的实例当中，希望在FFT／IFFT间隔内正好有64个采样，以保持子载波之间的正交性。这样采样速率就可以达到64/4us=16MHz。然而在4.8us内，这一给定的采样速率不能保证采样数量为整数。唯一的解决方法就是稍微改变上述参数，以满足采样数量为整数的要求。例如每符号的采样速率可以被设定为78，即采样速率为78／4.8us=16.25MHz，这样FFT／IFFT运算时间长度就变为64／16.25MHz=3．9385us，因此保护间隔和子载波间隔都稍大于FFT／IFFT运算时问长度为4us时的情况，分别为861.5us和253kHz。参考书目：1人民邮电出版社《OFDM移动通信技术原理与应用》佟学俭罗涛编著2003年6月2清华大学出版社《移动通信技术及应用》邹铁刚孟庆斌丛红侠赵云红孔曦编著2013年8月3机械工业出版社《下一代宽带无线通信系统》OFDM&WIMAX彭木根王文博等编著2007年1月4北京邮电大学出版社《通信原理》周炯槃，续大我等著2009年5清华大学出版社程《数字信号处理教程》佩清著1995年