OFDM的原理与应用

第1页/共17页总第x期xxxxx内部刊物OFDM的原理和应用目录一、OFDM的发展历程............................................................................2第2页/共17页二、OFDM系统的基本原理.....................................................................5三、OFDM系统中的关键技术.................................................................73.1OFDM中的同步技术........................................................................83.1.1载波同步...........................................................................................83.1.2样值同步...........................................................................................83.1.3符号同步...........................................................................................93.2峰值平均功率比...............................................................................9四、OFDM技术的优势..........................................................................11五、OFDM技术需要克服的缺陷...........................................................12六、OFDM在LTE系统的应用................................................................13七、OFDM的应用现状及前景...............................................................16一、OFDM的发展历程随着移动通信技术的蓬勃发展，无线通信系统呈现出移动化、宽带化和第3页/共17页IP化的趋势，移动通信市场的竞争也日趋激烈。现代社会对通信的依赖和要求越来越高，于是设计和开发效率更高的通信系统就成了通信工程界不断追求的目标。通信系统的效率，说到底就是频谱利用率和功率利用率。特别是在无线通信的情况下，对这两个指标的要求往往更高，尤其是频谱利用率。由于空间可用频谱资源是有限的，而无线应用却越来越多，使得无线频谱的使用受到各国政府的严格管理并统一规划。各种各样的具有较高频谱效率的通信技术不断被开发出来，OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力，是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一。正交频分复用（OFDM)技术并不是如今发展起来的新技术，它的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统中。当时由于OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。20世纪70年代，人们提出了采用离散傅里叶变换（DFT）来实现多载波调制，从而大大简化了其系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化；20世纪80年代，人们研究了如何将OFDM技术应用于高速MODEM；进入20世纪90年代以来，OFDM技术的研究已深入到无线宽带数据传输中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、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。在广播应用中欧洲的ETSI（EuropeanTelecommunicationStandardInstitute，欧洲电信标准学会）已经制定了采用OFDM技术的数字音频广播（DigitalAudioBroadcasting,DVB）的标准，数第4页/共17页字视频广播（DigitalVideoBroadcasting，DVB）的标准也正在制定中；在宽带无限接入应用中，IEEE802.11a及IEEE802.16都有基于OFDM技术的建议，ETSI的HiperLANII也是一种基于OFDM技术的标准；在有线宽带接入技术中，例如xDSL（各种高速数字用户线）技术中，OFDM的一种特殊形式——DMT（DiscreteMultitone）以获得广泛应用；在数字蜂窝移动通信中应用中，OFDM是目前应用和研究的热点技术之一，2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过被称为LongTermEvolution(LTE)即“3G长期演进”的立项工作。项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM，上行SC(单载波关FDMA。OFDM由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识；等等。OFDM在这些应用中已经表现出强大的生命力，随着制约OFDM应用的一些关键问题的解决，相信OFDM在未来的通信应用中将会扮演越来越重要的角色。目前，由于OFDM系统具有许多优点，比如其可更好的对抗频率选择性衰落或窄带干扰等，受到越来越多的关注。人们希望通过OFDM来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以提供带宽要求更高的多媒体业务和更快的网络浏览速度等。此外，OFDM还易于结合空时编码、分集、干扰（包括ISI和ICI）抑制以及智能天线等技术最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步得到优化。第5页/共17页二、OFDM系统的基本原理OFDM的英文全称为OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，中文含义为正交频分复用技术。OFDM技术属于多载波调制（Multi-CarrierModulation,MCM）的一种，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通常是非平坦的，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，并且各子载波并行传输。这样，每条链路都可以独立调制，因而该系统不论在上行还是在下行链路上，都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。因此，尽管总的信道是非平坦的，且具有频率选择性，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，这样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。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被外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输环境中。传统的FDM（频分复用）技术将带宽分成几个子信道，中间用保护频带来降低干扰，它们同时发送数据。例如：有线电视系统和模拟无线广播等，接收机必须调谐到相应的频率。而OFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少得多。由于使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道上的数据。为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数第6页/共17页据到噪声小的子信道上。传统OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代，人们提出了采用DFT/IDFT（离散傅立叶变换/离散傅立叶逆变换）来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。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，OFDM系统组成见图2-1。图2-1OFDM系统的组成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/离散傅立叶逆变换（DFT/IDFT）代替多载波调制和解调，而目前，采用DSP或FPGA实现DFT/IDFT的技术已非常成熟和方便。子载波间正交可以使载波间交叠而彼此间又不会因交叠失真,正交的子载第7页/共17页波可通过离散傅里叶变换（DFT）获得（在实际应用中，用快速傅里叶变换FFT）。在接收端，对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，因为在每个子载波频率最大值处，所有其他子载波的频谱值恰好为0，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。因此用正交子载波技术可以节省宝贵的频率资源，如图2-2，图2-3所示。图2-2传统的频分复用(FDM)多载波技术图2-3OFDM多载波调制技术三、OFDM系统中的关键技术在实际的OFDM系统中，有两方面的问题非常关键，即：系统同步、峰值平均功率比。本章主要阐述以上问题对系统性能的影响及其解决方法。第8页/共17页3.1OFDM中的同步技术同步性能的好坏对OFDM系统的性能影响很大。OFDM系统中的同步包括载波同步、样值同步和符号同步三部分，如图3-1所示。图3-1OFDM系统中的同步示意图3.1.1载波同步所谓载波同步是指接收端本地载波的振荡频率要与发送载波同频同相。对于多载波系统来说，发射机与接收机之间的载波频率偏差将导致接收信号在频域内发生偏移，子载波之间的正交性遭到破坏，从而在子载波之间引入干扰，使得系统的误码率性能恶化。3.1.2样值同步样值同步是指接收端模/数（A/D)变换器取样频率要与发射端数/模（D/A)变换器的取样频率一致。如图3-1所示，在接收机中，经过载波调制的OFDM连续信号首先必须进行抽样和A/D变换，才能利用FFT变换到频域，进行各子载波上信号的解调。若接收机和发射机中的样值频率存在偏差，则会存在以下影响：第一，产生时变的定时偏差，导致接收机必须跟踪时变的相位变符号同步样值同步载波同步IFFTFFTD/AA/D载波调制载波解调信道第9页/共17页化；第二，样值频率的偏差就意味着FFT周期的偏差，因此经过抽样的子载波之间不再保持正交性，从而产生了子载波之间的信号干扰。3.1.3符号同步符号同步是指接收端每个OFDM符号块的起止时刻要与发送端的起止时刻一致。由于在OFDM符号之间插入了循环前缀（CP）保护间隔，因此，只要CP的长度大于最大时延扩展，基本上可以完全消除由于多径引起的符号间干扰（ISI）；另一方面，在保护间隔内，对OFDM符号进行周期扩展，就可以避免引起子信道间的干扰（ICI）。所以，子载波频率的正弦函数在FFT运算窗口内必须包含整数个周期，且振幅恒定，才可保证各子载波之间的正交性，从而完全消除ISI和ICI。只有当FFT运算窗口超出了符号边界，或者落入符号的幅度滚降区间，才会引起ISI和ICI。在实际系统中，上述三种同步并不是孤立的，它们之间互相影