OFDM

——读书报告电子1101班时国定31105030232OFDM1.简介OFDM的英文全称为OrthogonalFrequency-DivisionMultiplexing，中文含义为正交频分复用。这种技术是HPA联盟（HomePlugPowerlineAlliance）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受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。直到上世纪70年代，人们采用离散傅立叶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。80年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入90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、视频领域和民用通信系统，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。2.基本原理OFDM的基本原理是将高速信息数据编码后分配到并行的N个相互正交的载波上，每个载波上的调制速率很低（1/N）,调制符号的持续间隔远大于信道的时间扩散，从而能够在具有较大失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效地保护。OFDM对多径时延扩散不敏感，若信号占用带宽大于信道相干带宽，则多经效应使信号的某些频率分量增强，某些频率分量减弱。（频率选择性衰落）OFDM的频域编码和交织在分散并行的数据之间建立了联系，这样，由部分衰落或干扰而遭到破坏的数据，可以通过频率分量增强部分的接收的数据得以恢复，即实现频率分集。OFDM克服了FDMA和TDMA的大多数问题。OFDM把可用信道分成许多个窄带信号（一般为100—8000）。每个信道的载波都保持正交，由于它们之间可以非常接近，甚至频谱1/2交叠，却不需要像FDMA,那样多余的开销，也不存在TDMA那样的多用户之间的切换开销。过去的多载波系统，整个带宽被分成N个子频带，子频带之间没有交叠，为了降低子带之间的干扰，频带与频带之间采用了保护带，因而使得频谱利用率降低，为了克服这种频带浪费，OFDM采用了个交叠的子频带，每个子信道的波特率是1/T，子信道的间隔也是1/T。这时各子带之间是正交的。因而在收端无需将频谱分离即可以接收，可以证明这种正交的子载波调制可以用IFFT来实现。需要指出的是OFDM既是一种调制技术也是一种复用技术。图1给出了一个OFDM系统的原理实现框图，在系统中调制解调是使用IFFT和FFT来完成的。32.1基本模型正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。FDM/FDMA（频分复用/多址）技术其实是传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔（如图（a）所示），这大大降低了频谱效率。因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。但近几年，由于数字调制技术FFT（快速傅丽叶变换）的发展，使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性（以避免子载波之间干扰）。42.2用FFT实现OFDM的调制解调图1OFDM调制解调原理如图1所示OFDM信号ts可以表示为：10cosMkkktdts（1）设数据数列10,,MddD，对D进行离散傅里叶反变换IDFT得复矢量1-...10,21-021-0MnededsssSnktfjkMkMnkjknM，，，，，，（2）其中，,,tnttMkfnk1-0,1n,2coscosMsRtfdtnenkknTtb，aFDM频谱示意图5bOFDM频谱示意图图2因此，将矢量,1-0MssS，，的实部依次送入低通滤波器，就可以获得近似的频分复用信号ts。即用IFFT实现矢量10,,MddD的IDFT，就实现了OFDM调制，如图3所示。图3用IFFT实现OFDM调制因为在发射时仅传送反傅理叶变换IDFT的实部,所以接收端可以2倍速率对接收信号采样。采样信号为:1022cosMkkMnkdny，12,...,1,0Mn当信道无失真，接收端对2N个采样点进行DFT变换：1202MnnkMWnykYnkmMnMlklMnlM6nkmMnMlklMnlM12,...,2,1,0,2112010221MkWWdMnMlnlkMnklM由于其它,0,...1,0,2,21202qMqklMWMnnklM其它,0,...1,0,2-,2120-2qMqlkMWMnnlkM所以1-,...2,1,0,20MkMdkMdkYk因此，采样信号的DFT即为传送的信号,用FFT(减少DFT运算量的有效算法)实现采样信号的DFT,就是实现了OFDM的解调,如图4所示图4FFT实现OFDM解调OFDM调制解调可分别由IDFT、DFT运算实现。而FFT和IFFT是有效计算DFT和IDFT的算法。目前,FFT的算法已在早期的基2算法的基础有了较大的发展。FFT算法的软件已非常成熟而且有效,同时随着集成电路的不断发展,FFT的硬件发展很快。主要表现在处理速度更快,使用更方便。因此,用FFT实现OFDM的调制解调,能有效地提高数据的传输速度。同时也非常经济、方便、实用。73.系统设计3.1参数的设计一个好的系统设计必须可以避免ISI和ICI，或者至少将他们抑制到可接受的程度。也就是说，要选择一个足够的CP以防止由频率选择性衰落而引起的ISI和ICI，同时要选择适当的OFDM符号长度，使信道冲激响应（CIR）至少在一个OFDM符号期间是不变的。由于OFDM系统对频偏和相位噪声敏感，因此OFDM子载波宽度必须仔细选定，既不能太大也不能太小。因为OFDM符号周期和子载波带宽成反比，所以在一定的CP(CyclePrefix循环前缀）长度下，子载波宽度越小，则符号周期越大，频谱效率也越高（因为每个OFDM符号前都要插入一个CP，CP是系统开销，不传输有效数据）。但如果子载波宽度过小，则对频偏过于敏感，难以支持高速移动的终端。CP长度的选择与无线信道的时延扩展和小区的半径大小息息相关，时延扩展和小区半径越大，需要的CP也越长。另外，在宏分集（Macrodiversity）广播系统中，由于终端收到各基站同时发出的信号，为了避免由于传输延迟差造成的干扰，需要额外加长CP。优化设计对OFDM系统来说是非常重要的，实际系统需要处理各种不同的环境（信道参数很不同）。一个解决问题的办法是根据最差的情况（宏小区高速移动用户）优化参数，另一个可选的方法是根据各种不同的环境（室内、室外、宏小区、微小区、微微小区等）优化参数，但这就需要设计高度灵活的收发信机。3.2信道估计和导频设计OFDM系统的信道估计，从某种意义上讲，比单载波复杂。需要考虑在获得较高性能的同时尽可能减小开销。因此导频插入的方式（时分复用还是频分复用）及导频的密度都需要认真考虑。（1）导频插入方式方式（a）：TDM插入方式。导频在所有子载波上发送，时域的最小单元是一个包含导频信息的OFDM符号，系统每隔若干个数据符号传送一个导频符号。这种插入方式适用于时域变化小的信道，如室内环境。方式（b）：FDM插入方式。导频信息在时域上持续发送，在频域上只占用少数特定的预留子载波，每隔若干子载波发送一个导频子载波。这种插入方式对移动性的支持较好，但需要在频域上进行内插（interpolation）。方式（c）：离散（Scattered）插入方式。这种插入方式是FDM和TDM方式的结合。在频域上，每隔若干子载波插入一个导频子载波。在时域上，每隔若干个符号插入一个导频符号。这种插入方式可以充分利用频域和时域上的相关性，用尽可能小的导频开销，支持高精度的信道估计，但这种方法需要同时在频域和时域上做内插。不同的导频插入方式适用于不同的用途（如同步、相位噪声补偿、信道估计等），例如，采用专用的导频子载波（即FDM插入方式）适合用于相位补偿和载8频的微调；采用专用的导频符号（即TDM插入方式）适合用于信道估计和时域/频域的粗同步;而离散的导频插入可同时用于信道估计和载频偏移的微调，从而有效地减少导频的开销。具体采用哪种插入方式，还要根据系统的实际需求选择。3.3链路自适应由于可以在频域划分空口资源，AMC（自适应调制和编码）和功率控制技术在OFDM系统中更容易使用。系统可以对某个子载波或子载波组独立做AMC和功控，不同的子载波（组）可以采用不同的调制编码速率和发射功率，大大增加AMC和功控的灵活性。另外可以根据信道的频率响应进行频域调度，选用信道质量较高的子载波（组）进行传输。链路自适应如果设计的好，可以最大限度地实现OFDM系统的容量。3.4控制信息的分布如何在时域和频域插入控制信道，还是比较自由的。图给出了一种控制信道插入方式。由于控制信息通常以最低的调制阶数进行调制，因此控制信息还可以作为额外的导频符号来提高信道估计的性能，并降低导频的开销。尤其是对高阶调制的数据的解调可以起到较大的辅助作用。不过这样一来，控制信息的位置必须与导频位置相对应，如果采用分散的导频插入方式，控制信道也应采用分散的插入方式。另外，这种方法要求先解调/解码控制信道，再开始数据的解调，因此增加了额外的处理时延。3.5上行同步在上行OFDM系统中，由于要保持各用户之间的正交性，需要使多个用户的信号在基站“同步接收”，即各用户的信号需要同时到达基站，误差在CP之内。由于各用户距基站的距离不同，需要对各终端的发射时钟进行调整，距离较远的终端较早发送，距离较近的终端较晚发送，这种操作称为“上行同步”或“时钟控制”（TimingControl）。3.6多小区多址和干扰抑制OFDM系统虽然保证了小区内用户间的正交性，但无法