OFDM技術(shù)研究

2010.2數據通 信ForumOFDM技術(shù)研究鄧彩楊毅(重慶大學(xué)通信工程學(xué)院重慶40004)摘要:正交頻分復用是第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)之一,文章闡述了OFDM技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，介紹了OFDM系統的基本原理;根據OFDM技術(shù)的實(shí)際運用,討論了系統的優(yōu)缺點(diǎn)并提出了目前OFDM系統的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞:正交頻分復用;調制解調;循環(huán)前綴1 OFDM技術(shù)的發(fā)展概述在過(guò)去的幾十年中,0FDM技術(shù)得到廣泛應用。多載波調制是一種頻分復用技術(shù)。 在60年代中在有線(xiàn)通信中 ,非對稱(chēng)數字用戶(hù)線(xiàn)路(ADSL)采用離期,R.W.Chang"提出了OFDM系統的基本原理。與傳散多 音頻DMTDiscrele Muli-Tone)調制技術(shù),動(dòng)態(tài)分統的系統相比,新系統的主要特點(diǎn)是頻譜相互重疊，配各個(gè) 子信道的能量及比特數,提供N Mits的傳輸并且滿(mǎn)足正交性。Chang的論文發(fā)表不久Salzberg2速率 ,其中DMT是0FDM技術(shù)的一一種應用。 在無(wú)線(xiàn)通在分析了OFDM系統性能后得出了一-個(gè)重要的結論，信中 ,0FDM技術(shù)得到了更好的應用，尤其在無(wú)線(xiàn)多OFDM符號在無(wú)線(xiàn)信道傳輸過(guò)程中,色度亮度干擾對徑環(huán)境中 ,0FDM技術(shù)具有很強的抗干擾性能。目前系統性能的影響比相鄰信道間干擾產(chǎn)生的影響更OFDM作 為核心技術(shù)已經(jīng)被多種無(wú)線(xiàn)接人標準采納:強。1971年,Weinstein和Eher!首次提出 了運用離散在 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)領(lǐng)域的EEE802.11、歐洲數字音頻廣傅里葉逆變換(IDFT)和離散傅里葉正變換(DFT)實(shí)播 (DAB)和數字視頻廣播(DVB)網(wǎng)高清晰度電視現OFDM系統的基帶調制和解調。從而大大降低了多(HDTV)、中國移 動(dòng)多媒體廣^播(CMMB )無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)載波系統的實(shí)現復雜度,為OFDM技術(shù)演進(jìn)做出了巨標準IEE802.167等等。 同時(shí),0FDM除了作為- -種傳大的貢獻。由于數字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，輸技術(shù)， 還具有支持多用戶(hù)接人的能力。正因為OFDM系統可以采用快速傅里葉逆變換(FFT)和快0FDM潛在的 多徑對抗能力,且可以靈活地和其他接速傅里葉正變換來(lái)實(shí)現信息數據的調制和解調。入方式結合成衍生系統，因此在B3C/4G標準中, .當信息數據通過(guò)多徑衰落信道時(shí)，子載波的正OFDM 被LTE的下行鏈路標準采納，被列為3CPP交性將會(huì )被破壞,產(chǎn)生子載波間干擾(ICI), Weinstein LTE- Advanced和IMT- Advanced標準的首選技術(shù)。等通過(guò)插人- -段空白區作為保護間隔來(lái)消除ICI,但這種方法不能保證經(jīng)過(guò)色散信道后各子載波之間仍2 OFDM系統原理保持正交。1980年 , Ruizl"提出了循環(huán)前綴(CP)的概圖1為OFDM系統的完整框圖。念,用來(lái)消除ICI。循環(huán)前綴是將0FDM符號的循環(huán)擴由信源產(chǎn)生的發(fā)送信號首先進(jìn)行基帶調制(如展的部分填充到Weinstein等所提到的空白區域。當BPSK .QAM等),將二進(jìn)制信號映射為復數信號,但CP的長(cháng)度大于信道的最大時(shí)延擴展時(shí)，經(jīng)過(guò)多徑色基帶 調制的效率和調制后的復數信號間的干擾成反散信道后OFDM系統的誤碼率最小。CP的長(cháng)度將會(huì )影比關(guān)中國煤化工儒要選擇不同的響OFDM符號的有效長(cháng)度,但是采用循環(huán)前綴對系統基帶調CNMHG然后經(jīng)過(guò)串并轉性能的提高遠超過(guò)了符號有效長(cháng)度的丟失。換，再利用離散傅里葉逆變換完成多個(gè)子載波的調收稿日期:2010-03-24 17論壇Forum數據通信2010.2現。(4)無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的需求是非對稱(chēng)的,即上行和0日相02下行的所需要的傳輸速率不同，一般下行數據傳輸能力要強于上行要求。0FDM系統通過(guò)使用不同數量的子信道來(lái)實(shí)現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。(5)0FDM系統由多個(gè)子信道組成。同-時(shí)刻每個(gè)子信道的頻率選擇衰落深度是不同的,因此可以通過(guò)動(dòng)態(tài)子信道分配或動(dòng)態(tài)比特分配方式，充分利用信噪比較高的子信道,從而提高系統的性能。(6)0FDM由圍1 OFDM系統框圖于自身的特點(diǎn)，易于與其他多種接人方法相結合,構制工作,實(shí)際系統中通常采用FFT變換。為了消除符成正交頻分多址系統。其中包括多載波碼分多址號間千擾( ISI )和載波間干擾(ICI) ,將變換后的信號MC-CDMA、跳頻OFDM OFDM -TDMA .OFDM-CD-添加循環(huán)前綴，對并串轉換后的信號采用數模變換，MA OFDMA等,使得多個(gè)用戶(hù)可以同時(shí)利用0FDM技即可將信號發(fā)送到物理信道之上。在接收端,執行上術(shù)進(jìn)行信息的傳輸。述過(guò)程的逆過(guò)程,不同處在于,在DFT變換后加入信3.2 OFDM系 統的缺點(diǎn)道估計過(guò)程，通過(guò)信道估計方法獲得參考消息處的由于OFDM系統的每個(gè)符號是通過(guò)多個(gè)正交的信道狀態(tài)，再通過(guò)各種算法得到系統各個(gè)子信道的子載波傳輸,因此輸出的每個(gè)OFDM符號是多個(gè)子信頻率響應,利用此信息對已調信號進(jìn)行解調,獲得發(fā)道傳輸信息疊加的結果。送端基帶數據信息。與單載波系統相比,0FDM系統存在以下缺點(diǎn):(1)OFDM系統性能容易受到頻率偏差的影響.OFDM3 OFDM系統的優(yōu)缺點(diǎn)系統的子載波之間是相互重疊的，因此對其正交性3.1 OFDM系統的優(yōu)點(diǎn)要求特別嚴格。無(wú)線(xiàn)信道在傳輸過(guò)程中會(huì )引起無(wú)線(xiàn)OFDM技術(shù)的子載波經(jīng)過(guò)調制后頻譜相互重疊,信號頻譜偏移,同時(shí),發(fā)射機與接收機的本地振蕩器并且滿(mǎn)足正交性提高了頻譜的利用率,極大地降低之間也 會(huì )存在頻率偏差,這些因素都會(huì )破壞OFDM系了子載波之間的干擾。統子載波之間的正交性,導致子信道間干擾(CN)。(2)OFDM技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)高速宰數據流經(jīng)OFDM 系統存在較高的峰值平均功率比。0FDM系統過(guò)串并轉換后，每個(gè)子載波上的數據符號持續時(shí)間的輸出是 多路信號的疊加，當各路信號的相位一致變長(cháng),進(jìn)而降低了由于多徑衰落帶來(lái)的ISI,可以不采時(shí) ,疊加后的幅度值會(huì )遠遠大于信號的平均功率,導用均衡器，僅通過(guò)插人循環(huán)前綴充當保護間隔的方致 較大的峰值平均功率比PAPR (Peak to-Avere法來(lái)消除ISI對系統的不利影響。(2)傳統的頻分多路Power Ratio)o這就要求發(fā)射機內放大器的線(xiàn)性性能非傳輸方法是將整個(gè)頻帶劃分成為若干個(gè)不相互重疊常好， 如果放大器的動(dòng)態(tài)范圍不滿(mǎn)足信號的變化,則的子信道,為了子信道間不產(chǎn)生干擾，每個(gè)子信道間可能帶 來(lái)信號的畸變,使信號的頻譜發(fā)生變化,破壞用空白的頻段作保護,甚至當間隔不夠遠時(shí),還采用各 個(gè)子信道間的正交性,產(chǎn)生干擾,惡化系統的性能。帶通濾波器。而OFDM系統的各子信道的頻譜是相互重疊的,并且滿(mǎn)足正交性。因此與傳統的頻分復用系4 OFDM系統的關(guān)鍵技術(shù)統相比，可以最大限度地利用頻譜資源且極大地降在實(shí)際應用中,0FDM系統需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題低了干擾。(3 )OFDM符號的各個(gè)子信道的調制和解包括以下幾個(gè)方面: .調可以通過(guò)采用離散傅里葉反變換(IDFT)和離散傅同步技術(shù):同步性能好壞對OFDM系統的性能影里葉變換(DFT)的方法實(shí)現。對于子載波數很大的系響很大。OFDM系統中的同步包括載波同步、符號同統，可以采用快速傅里葉反變換和快速傅里葉變換步和村中國煤化工制系統相同,載波來(lái)實(shí)現信息的調制解調。隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)同步是YHCN MH G干解調，而符號和數字信號處理技術(shù)的發(fā)展,IFT與FFT非常容易實(shí)同步是為了標記OFDM符號塊,起到區別每個(gè)符號的18論壇匕2010.2數據通信Forum邊界。因為每個(gè)OFDM符號包括N個(gè)樣值,此樣值同步自適應技術(shù):采用OFDM技術(shù)的好處是可以根據是為了使接收端與發(fā)送端的取樣時(shí)刻- -致。OFDM系信道的頻率選擇性衰落情況， 進(jìn)而動(dòng)態(tài)的調整子載統的同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段,對于突發(fā)式的波 上的發(fā)射功率,獲得系統性能的優(yōu)化。在多用戶(hù)情數據傳輸,一般是通過(guò)發(fā)送輔助信息來(lái)實(shí)現同步。與況下 ,如何合理地為每個(gè)用戶(hù)最優(yōu)地分配系統資源，單載波系統相比,OFDM系統對同步精度要求更高，使 系統的發(fā)送功率最低或傳輸速率最高是-個(gè)非常同步偏差將會(huì )引起OFDM系統中的ISI和ICI。復雜的問(wèn)題。OFDM系統的自適應技術(shù)還應考慮頻率信道估計:在接收端實(shí)現解調有相干解調和非分組 、時(shí)間間隔信道總時(shí)延和信道誤差等因素,其相干解調方式。由于相干解調的性能優(yōu)于非相干解中 信道估計誤差對性能影響較大。調,因此在實(shí)際的移動(dòng)通信系統中采用較多。而信道的狀態(tài)信息對相干檢測的性能影響很大，所以檢測參考文獻器必須對信道的狀態(tài)進(jìn)行準確估計。信道估計從發(fā)射天線(xiàn)到接收天線(xiàn)之間的無(wú)線(xiàn)信道的頻率響應,即[1] R.W.Chang.Synthesis of band-limited orthogonal signals for根據產(chǎn)生了幅度和相位畸變并疊加了高斯白噪聲的multi- echannel data transmission.Bell Syt.Tech.J,Dec1966.45:1775-1796接收序列來(lái)辨識信道的傳輸特性。OFDM系統是估計[2] B.Salzberg.Performance of an Eficient Parallel Data Transmis-出每個(gè)子載波上的頻率響應值。sion System.IEE Trans.on Commun, Dec 1967,156):805- -811峰均功率比:在時(shí)域中,0FDM信號表現為N個(gè)正[3] s .Weinstein.Dale tansmission by frequency division multi-交子載波信號的疊加,當這N個(gè)信號恰好均以峰值相plexing u8ing the discrete fourier tranform.IEE Trans.On加時(shí),0FDM信號將出現最大峰值，此時(shí)的峰均功率Commun,, Oct 1971,19(5):628 -634比最大。為了承載傳輸信號不失真,發(fā)送端對高功率4 APeld,A.Rui Frequency domain data tasmisio using re放大器(HPA)的線(xiàn)性度要求很高且發(fā)送效率很低,接uced computational complexity algorithms.in Proc. IEEE 卜收端的前端放大器以及AD變換器必須具有很高的CASSP- -80,Denver,C0,1980,964 -967線(xiàn)性度。OFDM系統的性能降低會(huì )直接影響實(shí)際應[5] Radio bradasting stem:Digtal Audio Bradasting (DAB)to用,為了解決這一問(wèn)題,人們提出了信號畸變、信號mobile,portable,and fixed receivers,ETSI-European Teleco m-擾碼和信號空間擴展等技術(shù)。munication Standards Instutute,albonne,France, Feb 1995信道編碼和交織:信道編碼和交織可以顯著(zhù)提[6] Digial boadeating sytems for lelsin.ound and dalaservise.European Telecommunication Standard,April 1996高其抗干擾能力。采用信道編碼對抗衰落信道中的隨機錯誤，采用交織技術(shù)對抗衰落信道中的突發(fā)錯] IEEE Standard 802.16- 200.EEE Standard for Local andMetroplian Area Network Part 16:Air Interface for Fixed誤，通常在實(shí)際應用中同時(shí)采用信道編碼和交織來(lái)Bradband W reless Access Systems.2004改善整個(gè)系統的性能。OFDM系統的結構便于在子載波間進(jìn)行編碼,形成COFDM方式。編碼可以采用如分作者簡(jiǎn)介:鄧彩，重慶大學(xué)通信工程學(xué)院碩士研究生,主要研組碼、卷積碼等,其中卷積碼的效果要比分組碼好。究方向圍像處理、無(wú)線(xiàn)通信;楊毅,重慶大學(xué)通信工程學(xué)院碩士研究生,主要研究方向是MIMO技術(shù)OFDM信道估計?！?上接第16頁(yè))復用光器件的成本尤其是無(wú)源光器件的成本大幅度社,2003下降，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的WDM器件不斷出現，未來(lái)[2鄧志巍.CPON標準系列介紹(EB/OL]. ht:/w icbuy.WDM-PON可能以作為GPON補充的方式得到進(jìn)- -步conm/info/news_ show/infn_ id20947/page_ break, 2008,11[3]魯俊鵬挑戰10C- -GPON WDM- PON面臨成本攔路虎EB/04的應用。h::wwwbeien/news/200907/251010 15. htm,2009,7參考文獻中國煤化工作者簡(jiǎn)MYHC N M H G司第二十八研究所,[1] Waler CGoralski.光網(wǎng)絡(luò )與波分復用[M].北京:人民郵電出版主要從事通 信系統集成方面的研究與工作?！?9