1、大连理工大学城市学院本科生毕业设计（论文）学 院：电子与自动化学院专 业： 电子信息工程 学 生： 指导教师： 完成日期： 2010 年 5 月 26 日 大连理工大学城市学院本科生毕业设计（论文）题目名称OFDM 的原理及其应用总计 毕业设计（论文） 50 页表格 2 个插图 14 幅OFDM 的基本原理及其应用I摘 要在现代通信系统中，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。
2、正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是当前一种非常热门的通信技术。它即可以被看作是一种调制技术，也可以被看作是一种复用技术。由于它具有抗多径衰落和频谱利用率高的特点，因此被广泛应用于高速数字通信领域，比如应用于 IEEE 802.11a 无线局域网（WLAN）的物理层等等。本文叙述了正交频分复用技术的产生背景、发展历史、基本原理和OFDM 系统的实现方法。其中 OFDM 的原理部分介绍了 OFDM 的系统组成、调制方式、信道的分配以及使用 OFDM 技术的优势与不足所在，指出在短波通信中采用 OFDM 体制需要解决的几个
3、关键性技术。最后总结了 OFDM 系统的性能特点以及在实际中的应用, 并且展望了今后的无线移动技术的发展前景。关键词：正交频分复用；调制；解调；4GOFDM 的基本原理及其应用IIAbstractIn modern communication system, how to transmit information with high speed reliablely become a focus that people pay attention to. Though now, data transmission theory and practice have gotten fairly b
4、ig progress, but along with the development of communication, especially the increase of wireless communication business but with a view to with frequency resource become tense day by day. The appearance of OFDM modulation technology is the modulation technology of interference rejection that realiz
5、es efficiency with raising the utilization rate of frequency band have opened up a new route. Because of wireless environment where multipath maybe significant, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), a special form of multicarrier modulation (MCM), where a single data stream is transmitt
6、ed over a number of lower rate subcarriers has recently received considerable attention for its robustness to multipath selective fading and high bandwidth efficiency. It can be seen as either a modulation technique or a multiplexing technique.This paper has narrated orthogonality frequency to divid
7、e, use again the technical realization method that produces the system of background, development history, basic principle and OFDM. In which, the principle system of OFDM that has introduced OFDM partially forms and makes the distribution of way and channel as well as uses insufficient place and th
8、e advantage of OFDM technology, point out in some crucialness technologies that short wave solves in communication with OFDM system needs. Have summarized the performance characteristic of OFDM system as well as the application in reality finally, and have looked ahead in the future wireless move te
9、chnology develop prospect.Keywords: OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）； Modulation； Demodulation；4GOFDM 的基本原理及其应用III目 录第 1 章 绪 论 11.1 课题背景 11.2 课题任务及要求 11.3 课题内容及安排 2第 2 章 OFDM 技术的产生背景及发展过程 .32.1 OFDM 的产生背景 32.2 OFDM 的发展过程5第 3 章 OFDM 的基本原理 .93.1 OFDM 简介 93.2 多载波传输 133.3 正交频分复用 153.3.1
10、基本原理 153.3.2 DFT 的实现 .193.3.3 OFDM 系统组成 203.3.4 保护间隔、循环前缀和子载波数的选择 243.3.5 调制方式 273.3.6 OFDM 的信道分配 283.4 OFDM 的关键技术 .293.4.1 同步技术 .293.4.2 功率峰值与均值比（PARP）的解决 .303.4.3 训练序列和导频及信道估计技术 .313.5 OFDM 技术的优势 323.6 OFDM 技术的缺陷 33OFDM 的基本原理及其应用IV第 4 章 OFDM 技术在实际中的应用 354.1 OFDM 在 ADSL 中的应用 354.2 OFDM 在电力线通信中的应用 .
11、364.3 OFDM 在有线电视网络中的应用 .384.4 OFDM 在数字电视中的应用 .394.5 OFDM 在数字音频广播中的应用 .404.6 OFDM 在第 4 代(4G)移动通信系统中的应用 .414.7 OFDM 在 3.5G 宽带无线接入中的应用 424.8 OFDM 在 WiMAX 无线城域网中的应用 .424.9 OFDM 在无线局域网中的应用 .43OFDM 技术的前景与展望 .46结束语48致 谢49参考文献 .50OFDM 的基本原理及其应用1第 1 章 绪 论1.1 课题背景无线通信与个人通信在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通信、从 FDMA 到 CDMA 的
12、巨大发展，目前又有新技术出现，比以CDMA 为核心的第三代移动通信技术更加完善，我们称之为“第四代移动通信技术”。纵观移动通信的发展史，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据；第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有 9.6bit/s，最高可达 32kbit/s；第三代移动通信系统数据传输速率可达到 2Mbit/s；而我们目前所致力研究的第四代移动通信系统可以达到 10Mbit/s 至20Mbit/s。虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求，第四代移动通信系统的提出便是希望能满足提供更大的频宽需求。第四代移动通信系统计划以 OFDM(正交频分复用
13、)为核心技术提供增值服务，它在宽带领域的应用具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种新技术的 OFDM 具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去。1.2 课题任务及要求介绍 OFDM 技术的产生，发展以及在科学技术领域的地位和作用，介绍 OFDM 的原理，具体包括：多载波传输，传统的频分复用，正交频分复用，相关数学表达式，OFDM 的系统实现过程，信号的发送与接收步骤，调制与解调的方式，OFDM 的信道分配，OFDM 技术的优势与缺陷以及相关的改
14、进技术。最后介绍 OFDM 技术在实际领域中的应OFDM 的基本原理及其应用2用。1.3 课题内容及安排本毕业设计主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，通过一些通俗易懂的图形，对正交频分复用（OFDM）的基本原理及其在移动通信中的应用进行了阐述。首先从高的频谱利用率和抗多径衰落出发，先对OFDM优点的基本原理进行了阐述，包括接收机技术和峰均比问题等；然后分析了循环前缀对时间弥散信道所带来的ISI和ICI 的消除。最后总结了OFDM系统的性能特点以及在实际中的应用。本文安排如下：第一章：绪论，概述论文写作背景。第二章：介绍 OFDM 的产生背景及其发展过程。第三章：介绍
15、OFDM 的原理的关键技术以及 OFDM 系统的性能特点。第四章：介绍 OFDM 技术在实际领域的应用。OFDM 的基本原理及其应用3第 2 章 OFDM 技术的产生背景及发展过程2.1 OFDM 的产生背景现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络接收和计算机技术的许多成果。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。1978 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS ） ，建成了蜂窝状模拟移动通信网，大大
16、提高了系统容量。与此同时，其它发达国家也相继开发出蜂窝式公共移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展,这个系统一般被当作是第一代移动通信系统。从 20 世纪 80 年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝模拟网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。80 年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统（GSM ：Global System for Mobile） 。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。20世纪 90 年代初，美国 Qualcomm 公司推出了窄带码分多址（CDMA：Code-Division Multiple Acce
17、ss）蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义的事件。从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们正在制定第三代（3G）移动通信系统。但是由于 3G 系统的核心网还OFDM 的基本原理及其应用4没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们已经
18、把目光越来越多得投向超三代（beyong 3G）的移动通信系统中，使其可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求。若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以CDMA 为核心技术，三代以后的移动通信系统则以正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）最受瞩目，特别是有不少专家学者针对 OFDM 技术在无线通信技术上的应用，提供了相关的理论基础，例如无线区域环路（WLL：Wireless Local Loop） 、数字音讯广播（DAB: Digital Audio Broadcasting）等，都将在
19、未来采用OFDM 技术。目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，然而基于支持话音业务的电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要,但是对于高速数据业务来说，单载波 TDMA（Time Division Multiple Access）系统和窄带 CDMA 系统中都存在很大的缺陷。由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较严重的符号间干扰（ISI：Inter-Symbol Interference） ，因此对单载波 TDMA 系统中使用的均衡器提出非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，而均衡算法的复杂度也会大
20、大增加。对于窄带 CDMA 来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就大大限制了 CDMA 系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量受到一定的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应的提高带宽。此外，CDMA 系统内的一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进行探测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延，因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在缺陷。因此，人们开始关注正交频分复用（OFDM）系统，希望通过这种OFDM 的基本原理及其应用5
21、方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度。移动通信系统的发展状况如表 2-1 所示。表2-1 通信系统的发展状况第一代（1G） 第二代（2G） 第三代（3G）时间 19871996 1990 2001业务 模拟移动电话语音 数据 数字语音消息 高速数据， 宽带 视频，多媒体结构 宏蜂窝 微蜂窝，微微蜂窝， 无线本地环路无线技术模拟调频 FDD FDMA数字调制，CDMA使用 TDD 和 FDD的 TDMACDMA,可能与TDMA 结合，或者与 TDD 和FDD 结合频段 800MHz 800+1900MHz 2GHz实例AMPS
22、,TACS,ETACS,NMT450/900,NTT,JTACS/NTACSCDMA,GSM/DCS-1900,US TDMA IS-136CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA在通信传输体制中，并行传输与串行传输一直是两种重要的传输方式。早期由于种种技术原因的制约，限制了并行传输技术在实际中的应用。串行方式一直占据着主导地位，串行在严重的码间干扰或信道衰落下，高速率的串行方式传输将变得非常困难。而并行传输体制则带来了一种新的、高效的调制解调技术。他将所要传输的数据流分解成若干个比特流，使得每一个子数据流具有低得多的比特传输速率，从而使抗码间干扰或信道衰落的能力增强。传统的频分复用（F
23、DM）的优点是简单、直接。但是频谱的利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且在频分路数 N 较大时多个滤波器OFDM 的基本原理及其应用6的实现使系统复杂化。带宽在移动通信中是稀缺的资源，所以必须采用先进的技术有效利用频率资源，同时要克服在无线信道下的多径衰落，降低噪声和多径干扰，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正是在这一背景下被提出来的。2.2 OFDM 的发展过程OFDM 的历史要追溯到 20 世纪 60 年代中期，当时 RwChang发表了关于带限信号多信道传输合成的论文。他描述了发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道
24、间干扰(ICI)和符号间干扰（ISI)的原理。此后不久，Saltzberg 完成了性能分析。他提出 “设计一个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰(crosstalk)而不是完成单个信道，因为前者的影响是决定性的。”1970 年，OFDM 的专利发表，其基本思想就是通过采用允许子信道频谱重叠，但又相互间不影响的频分复用(FDM )的方法来并行传送数据，不仅无需高速均衡器，有很高的频谱利用率，而且有较强的抗脉冲噪声及多径衰落的能力。OFDM 早期的应用有 ANIGSC-1O(KATH-RYN)高频可变速率数传调制解调器(Modem) 。该 Mo-dem 利用 34 路子信道并行传
25、送 34 路低速数据，每个子信道采用相移键控(PSK)调制，且各子信道载波相互正交，间隔为 84 Hz。但是在早期的 OFDM 系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。对 OFDM 做主要贡献的是 Weinstein 和 Ebert 在 1971 年的论文，Weinstein 和 Ebert 提出使用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT) ，实现 OFDM 系统中的全部调制和解调功能的建议。因而简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间的严
26、格同步的问题，为实现 OFDM 的全数字化方案作了理论上的准备。用离散傅里叶变换(DFT)完成基带调制和解调，这项工作不是集中在单个信道，而是旨在引入消除子载波间干扰的处理方法。为了抗 ISI 和 ICI，他们在时OFDM 的基本原理及其应用7域的符号和升余弦窗之间用了保护时间，但在一个时间弥散信道上的子载波间不能保证良好的正交性。另一个主要贡献是 Peled 和 Ruiz 在 1980 年的论文，他引入了循环前缀(Cyclic Prefix ，CP )的概念，解决了正交性的问题。他们不用空保护间隔，而是用 OFDM 符号的循环扩展来填充，这可有效地模拟一个信道完成循环卷积，这意味着当 CP
27、大于信道的脉冲响应时就能保证子载波间的正交性，但有一个问题就是能量损失。随着 VLSI 的迅速发展，已经出现了高速大阶数的 FFT 专用芯片及可用软件快速实现 FFT 的数字信号处理 (DSP)的通用芯片，且价格低廉，使利用 FFT 来实现 OFDM 的技术成为可能。1981 年 Hirosaki 用 DFT完成的 OFDM 调制技术，试验成功了 16QAM 多路并行传送 19.2 kb/s的电话线 Modem。而在无线移动信道中，尽管存在着多径传播及多普勒频移所引起的频率选择性衰落和瑞利衰落，但 OFDM 调制还是能够减轻瑞利衰落的影响。这是因为在高速串行传送码元时，深衰落会导致邻近的一串码
28、元被严重破坏，造成突发性误码。而与串行方式不同，OFDM 能将高速串行码流转变成许多低速的码流进行并行传送，使得码元周期很长，即远大于深衰落的持续时间，因而当出现深衰落时，并行的码元只是轻微的受损，经过纠错就可以恢复。另外对于多径传播引起的码间串扰问题，其解决的方案是在码元间插入保护间隙，只要保护间隙大于最大的传播时延时间，码间串扰就可以完全避免。正基于此，1984 年，Cimini 提出了一种适于无线信道传送数据的OFDM 方案。其特点是调制器发送的子信道副载波调制的码型是方波，并在码元间插入了保护间隙。虽然各子信道的频谱为 sin x/x 形，但由于码元周期很长，单路子信道所占的频带很窄，
29、因而位于信道频率边缘的子信道的拖尾，对整个信道带宽影响不大，可以避免多径传播引起的码间串扰。同时由于省去了升余弦滤波器，使实现的方案非常简单，因此后来的大多数 OFDM 方案都是以此为原形实现的。美国军方早在上世纪的 50、60 年代就创建了世界上第一个 MCM系统，在 1970 年衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的 OFDM 系OFDM 的基本原理及其应用8统。但在以后相当长的一段时间，OFDM 理论迈向实践的脚步放缓了。由于 OFDM 的各个子载波之间相互正交，采用 FFT 实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要
30、求等因素都成为 OFDM 技术实现的制约条件。后来经过大量研究，终于在 20 世纪 80 年代，MCM 获得了突破性进展，大规模集成电路让 FFT 技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此，OFDM 走上了通信的舞台，逐步迈入高速 Modem 和数字移动通信的领域。20 世纪 90 年代, OFDM 的应用又涉及到了利用移动调频(FM)和单边带(SSB)信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路(HDSL)、非对称数字用户环路(ADSL)、超高速数字用户环路(VHDSL)、数字音频广播(DAB)及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统。
31、1991 年，Casas 提出了 OFDM/FM 的方案，可利用现有的调频系统进行数据传输。OFDM 开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信，数字音频广播（DAB） 、高清晰度数字电视(HDTV)和无线局域网（WLAN） 。随着 DSP 芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应用。尽管 OFDM 在实现技术上比其他的数字调制方式复杂，但由于其高频带利用率和抗多径干扰的突出优点，成为某些特殊场合的首选方案，尤其在第三代固定无线通信领域，包括无线 LAN 和 MAN，如IEEE802.11a 和 802.16 标准，以及移动通信领域， OFDM 巨大的潜在
32、技术和市场威力，已经吸引着许多世界级的电信设备制造商的兴趣和认可，OFDM 在不久的将来，必将在高速数字无线通信领域得到广泛地应用。OFDM 的基本原理及其应用9第 3 章 OFDM 的基本原理3.1 OFDM 简介在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道（载波）。载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。 上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频率作子
33、载波，也就是我们所说的 OFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想，OFDM 既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。 OFDM 不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换（FFT ）来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。OFDM 是一种特殊的多载波传送方案，单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流（100 Hz 50 kHz），每个码流都用一条载波发送。在 OFDM 中，采用快速傅立叶变换(FFT)将可用带宽分成数学上正交的许多小带宽。而频带的重构是由快速傅立叶反变换(IFFT)完成的。 FFT 和 IFFT 都是定义得很完善的算
34、法，当大小为 2 的整数倍时，可被非常高效地实现。OFDM 系统的典型 FFT 大小是 512、1024 和 2048，而较小的 128和 256 也是可能的。可支持 5、10 和 20MHz 带宽。该技术的一个优异特性是易于改用其它带宽。即便整个可用带宽改变了，较小的带宽单元也可维持不变。例如：10MHz 可分成 1,024 个小频带；而 5MHz 可分成 512 个小频带。这些典型大小为 10kHz 的小频带被称为子载波，如图3-1 所示。OFDM 的基本原理及其应用10图 3-1 在 OFDM 系统中，可用带宽分割成许多子载波图 3-2 OFDM 信号的频谱OFDM 弃用传统的用带通滤波
35、器来分隔子载波频谱的方式，改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形，这种正交性还可以从频域角度来解释：每个 OFDM 符号在其周期 T 内包括多个非零的子载波。因此其频域可以看作是周期为 T 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频域上的 函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为的函数，这种函数的零点出现在频率为 1/T 整数倍的位置上。sin()cfT这种现象可以参见图 3-2，图中给出了相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形形成得到的符号的 函数频谱。在每个子载波频率最大值处，sinc所有其他子信道的频谱值恰好为零。因此在对 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
36、频率的最大值，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，而不会受到频率频率带宽带宽导频子载波 数据子载波 1数据子载波 2OFDM 的基本原理及其应用11其他子信道的干扰。 OFDM 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰。因此这种一个子信道频谱出现最大值而其他子信道频谱为零点的特点可以避免载波间干扰(ICI)的出现。因此我们说，OFDM 既可以当作调制技术，也可以当作复用技术。OFDM 增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用，但在多载波系统中，只会有一小部分载波受影响。纠错码的应用可以帮
37、助其恢复一些易错载波上的信息。像这样用并行数据传送和频分复用的思路早在 20 世纪 60 年代的中期就被提出来了。关于频带混叠的子信道方案，信息速率为 a，并且每个信道之间距离也为 a Hz，这样可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错，同时可以充分利用信道带宽,节省了 50%。为了减少各个子信道间的干扰，我们希望各个载波间正交。这种“正交”表示的是载波的频率间精确的数学关系。如前所述，传统的频分复用的载波频率之间有一定的保护间隔，通过滤波器接收所需信息。在这样的接收机下，保护频带分隔不同载波频率，这样就使频谱的利用率低。OFDM 不存在这个缺点，它允许各载波间频率互相混叠，采用了基于载波频率正交
38、的 FFT 调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波的正交。尽管还是频分复用，但已与过去的 FDMA 有了很大的不同：不再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是 OFDM 有别于其他系统的优点之一。 OFDM 的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后 在一个码元周期内积分，其他载波由于与所积分的信号正交，因此不会 对这个积分结果产生影响。OFDM 的高数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目就能提高数据的传送速率。OFDM 每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性，大多数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户，O
39、FDM 适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。OFDM 的基本原理及其应用12目前，OFDM 已经被国外的多个标准采用，如 IEEE802.11a 和ETSI（欧洲通信标准学会）的 HiperL-AN/2 标准同样采用 OFDM 作为调制方式，有线传输系统的应用也同样采用了基于 OFDM 的调制复用技术，如在 xDSL 中的离散多音频系统和有线调制器应用。OFDM 是一种特殊的多载波调制技术，用户的信息首先要经过串行到并行的转换，转变成多个低速率的数据码流，通过编码之后，调制为射频信号，传统的调制技术在同一个时刻只能用一种频率进行数据的传送，而 OFDM则可以在正交的频率上同时发送多路信
40、号，可以说是并行的传送多路信号，这样 OFDM 能够充分地利用信道的带宽。OFDM 不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换（FFT）来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。OFDM 尽管还是一种频分复用（FDM ） ，但已完全不同于过去的FDM。 OFDM 的接收机实际上是通过 FFT 实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响。OFDM 的数据传输速率也与子载波的数量有关。OFDM 系统的子载波可以自适应地根据信道的情况选择调制方式，并且能够实现在各种调制方式之间的切换。选择和切换的原则是频
41、谱利用率和误码率之间的平衡选择。在通常的通信系统中，为了保持一定的可靠性，选择通过采用功率控制和自适应调制协调工作的技术。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如 64QAM） ，或者在低调制（如 QPSK）时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡，也就是说对于一个远端发射台，它有良好的信道，若发送功率保持不变，可使用较高的调制方案如 64QAM；若功率可以减小，调制方案也相应降低，可使用 QPSK。OFDM 的基本原理及其应用133.2 多载波传输数据传输的典型形式是串行数据流，符号被连续传输，每一个数据符号的频谱可占据整个可利用的带宽。但在并行数据传输系统中，许多符号被同时传
42、输，减少了那些在串行系统中出现的问题。在 OFDM 系统中，每个传输符号速率的大小大约在几十 bit/s 到几十 kbit/s 之间，所以必须进行串并变换，将输入串行比特流转换成可以传输的 OFDM 符号。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以变化的，因而每个子载波可传输的比特数也是可以变化的，所以串并变化需要分配给每个子载波数据段的长度不是一样的。在接收端执行相反的过程，从各个子载波处来的数据被转换回原始的串行数据。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，从而引起比特错误。这些在信道频率响应上的零点会造成在邻近的子载
43、波发射的信息受到破坏，导致在每个符号中出现一连串的比特错误。与一大串错误连续出现的情况相比较，大多数前向纠错编码（FEC）在错误分布均匀的情况下会工作的更有效。所以，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。这可以通过把每个连续的数据比特随机地分配到各个子载波上来实现。在接收机端，进行一个对应的逆过程解出信号。这样，不仅可以还原出数据比特原来的顺序，同时还可以分散由于信道衰落引起的连串的比特错误使其在时间上近似均匀分布。这样将比特错误位置的随机化可以提高前向纠错编码 FEC 的性能，并且系统的总的性能也得到改进。表 3-1 列出了单载波和多载波传输方式在符号时间，速率
44、，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， Ts 为一个 OFDM 符号的持续时间。OFDM 的基本原理及其应用14表 3-1 单载波与多载波的比较传输方式系统参数单载波 多载波符号时间 Ts/N Ts速率 N/Ts 1/ Ts总频带带宽 2*N/Ts 2* N/Ts+N*0.5/TsISI 敏感度 较敏感 较不敏感多载波就是把传输的带宽分成许多窄带子载波来并行传输，多载波可以在有限的无线传播带宽中获得更高的传输速率。比如要在无线环境中用 BPSK 调制信号，使数据速率达到 10 Mb/s，最大传输时延为 5s，则带宽为 5 MHz。若用单载波实现，则符号周期 Ts
45、ymb,SC= 0.2 s， max=25Tsymb，SC ，也就是符号间干扰会持续 25 个符号。而如果用128 个子载波的多载波来实现，每个符号的持续时间就是单载波的N(128)倍， max=0.039NTsymb,SC(NTsymb,SC 为多载波时的符号周期)，可见符号间干扰（ISI）减少了许多。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。因此用正交子载波技术可以节省宝贵的频率资源，如图 3-3 和图 3-4 所示。图 3-3 传统的频分复用多载波技术fOFDM 的基本原理及其应用15图图图 3-4 OFDM 多载波调制技术 3.3 正交频分复用（OFDM）3.3.1 基本原
46、理OFDM 是一种高效的数据传输方式，其基本思想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，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是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，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM 相对于一般的多载波传输的不同之处是他允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波问相互正交，则可以从混叠的子载波上分离出数据信号。由于 OFDM 允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。OFDM 最简单的调制和解调结构如图 3-5，图 3-6 所示。为了表达简单，忽略了在通信系
47、统中常用的滤波器。 0nC11nNC ()St2jfte2jfte2jfte图 3-5 OFDM 调制器节省带宽fOFDM 的基本原理及其应用160T()1T()NT()0T1NT0nC1n1nNC12 tjfe2 tjfe12 tNjfe图 3-6 OFDM 解调器OFDM 最常用的低通等效信号形式可写为一组并行发射的调制载波，为：（3.1）1.0()()NnksnkstCgtT其中：（3.2）12tNjfe及：(3.3)其中 Cn,k 是第 n 个信号间隔的第 k 个子载波的发射符号，每个周期 Ts,N是 OFDM 子载波数， fk 是第 k 个子载波的频率，f0 是所用的最低频率。子载波
48、在频域内是相互正交的。设 Fn(t)为第 n 个 OFDM 帧，Ts 是符号周期，则有：()()nnStFt（3.4）OFDM 的基本原理及其应用17因此 Fn(t)对应于符号组 Cn,k(k=O，1，N-1)，每个都是在相应子载波 fk 上调制发送。解调是基于载波 gk(t)的正交性，即：（3.5）0() 0SSTnmSgttdTmn因此解调器将完成以下运算：（3.6）(1). ()()ssnTnk ksCtgtd为了使一个 OFDM 系统实用化，可用 DFT 来完成调制和解调。通过对式(1)和式(4)的低通等效信号用采样速率为 N 倍的符号速率 1/Ts 进行采样，并假设 f0=0(即该载
49、波频率为最低子载波频率)，则 OFDM 帧可表示为：（3.7）这样，利用前面的关系式，我们可得：（3.8）12/ 2/. .0()NjfmjkmNn n nkkFeCeIDFTC这样，对于一个固定乘性因子 N，采样 OFDM 帧可通过离散傅里叶反变换(Inverse Discrete Fourier Trans-form，IDF T)来产生(调制过程)，而原始的发送数据可通过离散傅里叶变换(DFT)恢复出来 (解调功能)。图 3-7 给出基于 FFT 的 OFDM 通信系统。OFDM 的基本原理及其应用18串并转换（ s / p ）并串转换（ P / S ）插入循环前缀（ C P )快速傅里叶反变换（ I F F T )信号映射（a）发射端去除循环前缀（ C P ）串并转换（ s / p ）快速傅里叶变换（ I F F T )信号逆映射并串转换（ P / S ）（b）接收端图 3-7 基于 FFT 的 OFDM 通信系统由于多径时延和信道的线性失真，会在接收符号间产生符号间干扰（ISI）。目前有效消除 ISI 的技术有两种：时域均衡和正交频分复用（OFDM）。但时域均衡技术有两个缺点：一是结构复杂，
