OFDM技术研究

2010.2数据通 信ForumOFDM技术研究邓彩杨毅(重庆大学通信工程学院重庆40004)摘要:正交频分复用是第四代移动通信的核心技术之一,文章阐述了OFDM技术的发展过程，介绍了OFDM系统的基本原理;根据OFDM技术的实际运用,讨论了系统的优缺点并提出了目前OFDM系统的关键技术。关键词:正交频分复用;调制解调;循环前缀1 OFDM技术的发展概述在过去的几十年中,0FDM技术得到广泛应用。多载波调制是一种频分复用技术。 在60年代中在有线通信中 ,非对称数字用户线路(ADSL)采用离期,R.W.Chang"提出了OFDM系统的基本原理。与传散多 音频DMTDiscrele Muli-Tone)调制技术,动态分统的系统相比,新系统的主要特点是频谱相互重叠，配各个 子信道的能量及比特数,提供N Mits的传输并且满足正交性。Chang的论文发表不久Salzberg2速率 ,其中DMT是0FDM技术的一一种应用。 在无线通在分析了OFDM系统性能后得出了一-个重要的结论，信中 ,0FDM技术得到了更好的应用，尤其在无线多OFDM符号在无线信道传输过程中,色度亮度干扰对径环境中 ,0FDM技术具有很强的抗干扰性能。目前系统性能的影响比相邻信道间干扰产生的影响更OFDM作 为核心技术已经被多种无线接人标准采纳:强。1971年,Weinstein和Eher!首次提出 了运用离散在 无线局域网领域的EEE802.11、欧洲数字音频广傅里叶逆变换(IDFT)和离散傅里叶正变换(DFT)实播 (DAB)和数字视频广播(DVB)网高清晰度电视现OFDM系统的基带调制和解调。从而大大降低了多(HDTV)、中国移 动多媒体广^播(CMMB )无线城域网载波系统的实现复杂度,为OFDM技术演进做出了巨标准IEE802.167等等。 同时,0FDM除了作为- -种传大的贡献。由于数字信号处理技术的快速发展，输技术， 还具有支持多用户接人的能力。正因为OFDM系统可以采用快速傅里叶逆变换(FFT)和快0FDM潜在的 多径对抗能力,且可以灵活地和其他接速傅里叶正变换来实现信息数据的调制和解调。入方式结合成衍生系统，因此在B3C/4G标准中, .当信息数据通过多径衰落信道时，子载波的正OFDM 被LTE的下行链路标准采纳，被列为3CPP交性将会被破坏,产生子载波间干扰(ICI), Weinstein LTE- Advanced和IMT- Advanced标准的首选技术。等通过插人- -段空白区作为保护间隔来消除ICI,但这种方法不能保证经过色散信道后各子载波之间仍2 OFDM系统原理保持正交。1980年 , Ruizl"提出了循环前缀(CP)的概图1为OFDM系统的完整框图。念,用来消除ICI。循环前缀是将0FDM符号的循环扩由信源产生的发送信号首先进行基带调制(如展的部分填充到Weinstein等所提到的空白区域。当BPSK .QAM等),将二进制信号映射为复数信号,但CP的长度大于信道的最大时延扩展时，经过多径色基带 调制的效率和调制后的复数信号间的干扰成反散信道后OFDM系统的误码率最小。CP的长度将会影比关中国煤化工儒要选择不同的响OFDM符号的有效长度,但是采用循环前缀对系统基带调CNMHG然后经过串并转性能的提高远超过了符号有效长度的丢失。换，再利用离散傅里叶逆变换完成多个子载波的调收稿日期:2010-03-24 17论坛Forum数据通信2010.2现。(4)无线通信业务的需求是非对称的,即上行和0日相02下行的所需要的传输速率不同，一般下行数据传输能力要强于上行要求。0FDM系统通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。(5)0FDM系统由多个子信道组成。同-时刻每个子信道的频率选择衰落深度是不同的,因此可以通过动态子信道分配或动态比特分配方式，充分利用信噪比较高的子信道,从而提高系统的性能。(6)0FDM由围1 OFDM系统框图于自身的特点，易于与其他多种接人方法相结合,构制工作,实际系统中通常采用FFT变换。为了消除符成正交频分多址系统。其中包括多载波码分多址号间千扰( ISI )和载波间干扰(ICI) ,将变换后的信号MC-CDMA、跳频OFDM OFDM -TDMA .OFDM-CD-添加循环前缀，对并串转换后的信号采用数模变换，MA OFDMA等,使得多个用户可以同时利用0FDM技即可将信号发送到物理信道之上。在接收端,执行上术进行信息的传输。述过程的逆过程,不同处在于,在DFT变换后加入信3.2 OFDM系 统的缺点道估计过程，通过信道估计方法获得参考消息处的由于OFDM系统的每个符号是通过多个正交的信道状态，再通过各种算法得到系统各个子信道的子载波传输,因此输出的每个OFDM符号是多个子信频率响应,利用此信息对已调信号进行解调,获得发道传输信息叠加的结果。送端基带数据信息。与单载波系统相比,0FDM系统存在以下缺点:(1)OFDM系统性能容易受到频率偏差的影响.OFDM3 OFDM系统的优缺点系统的子载波之间是相互重叠的，因此对其正交性3.1 OFDM系统的优点要求特别严格。无线信道在传输过程中会引起无线OFDM技术的子载波经过调制后频谱相互重叠,信号频谱偏移,同时,发射机与接收机的本地振荡器并且满足正交性提高了频谱的利用率,极大地降低之间也 会存在频率偏差,这些因素都会破坏OFDM系了子载波之间的干扰。统子载波之间的正交性,导致子信道间干扰(CN)。(2)OFDM技术具有以下优点:(1)高速宰数据流经OFDM 系统存在较高的峰值平均功率比。0FDM系统过串并转换后，每个子载波上的数据符号持续时间的输出是 多路信号的叠加，当各路信号的相位一致变长,进而降低了由于多径衰落带来的ISI,可以不采时 ,叠加后的幅度值会远远大于信号的平均功率,导用均衡器，仅通过插人循环前缀充当保护间隔的方致 较大的峰值平均功率比PAPR (Peak to-Avere法来消除ISI对系统的不利影响。(2)传统的频分多路Power Ratio)o这就要求发射机内放大器的线性性能非传输方法是将整个频带划分成为若干个不相互重叠常好， 如果放大器的动态范围不满足信号的变化,则的子信道,为了子信道间不产生干扰，每个子信道间可能带 来信号的畸变,使信号的频谱发生变化,破坏用空白的频段作保护,甚至当间隔不够远时,还采用各 个子信道间的正交性,产生干扰,恶化系统的性能。带通滤波器。而OFDM系统的各子信道的频谱是相互重叠的,并且满足正交性。因此与传统的频分复用系4 OFDM系统的关键技术统相比，可以最大限度地利用频谱资源且极大地降在实际应用中,0FDM系统需要解决的关键问题低了干扰。(3 )OFDM符号的各个子信道的调制和解包括以下几个方面: .调可以通过采用离散傅里叶反变换(IDFT)和离散傅同步技术:同步性能好坏对OFDM系统的性能影里叶变换(DFT)的方法实现。对于子载波数很大的系响很大。OFDM系统中的同步包括载波同步、符号同统，可以采用快速傅里叶反变换和快速傅里叶变换步和村中国煤化工制系统相同,载波来实现信息的调制解调。随着大规模集成电路技术同步是YHCN MH G干解调，而符号和数字信号处理技术的发展,IFT与FFT非常容易实同步是为了标记OFDM符号块,起到区别每个符号的18论坛匕2010.2数据通信Forum边界。因为每个OFDM符号包括N个样值,此样值同步自适应技术:采用OFDM技术的好处是可以根据是为了使接收端与发送端的取样时刻- -致。OFDM系信道的频率选择性衰落情况， 进而动态的调整子载统的同步分为捕获和跟踪两个阶段,对于突发式的波 上的发射功率,获得系统性能的优化。在多用户情数据传输,一般是通过发送辅助信息来实现同步。与况下 ,如何合理地为每个用户最优地分配系统资源，单载波系统相比,OFDM系统对同步精度要求更高，使 系统的发送功率最低或传输速率最高是-个非常同步偏差将会引起OFDM系统中的ISI和ICI。复杂的问题。OFDM系统的自适应技术还应考虑频率信道估计:在接收端实现解调有相干解调和非分组 、时间间隔信道总时延和信道误差等因素,其相干解调方式。由于相干解调的性能优于非相干解中 信道估计误差对性能影响较大。调,因此在实际的移动通信系统中采用较多。而信道的状态信息对相干检测的性能影响很大，所以检测参考文献器必须对信道的状态进行准确估计。信道估计从发射天线到接收天线之间的无线信道的频率响应,即[1] R.W.Chang.Synthesis of band-limited orthogonal signals for根据产生了幅度和相位畸变并叠加了高斯白噪声的multi- echannel data transmission.Bell Syt.Tech.J,Dec1966.45:1775-1796接收序列来辨识信道的传输特性。OFDM系统是估计[2] B.Salzberg.Performance of an Eficient Parallel Data Transmis-出每个子载波上的频率响应值。sion System.IEE Trans.on Commun, Dec 1967,156):805- -811峰均功率比:在时域中,0FDM信号表现为N个正[3] s .Weinstein.Dale tansmission by frequency division multi-交子载波信号的叠加,当这N个信号恰好均以峰值相plexing u8ing the discrete fourier tranform.IEE Trans.On加时,0FDM信号将出现最大峰值，此时的峰均功率Commun,, Oct 1971,19(5):628 -634比最大。为了承载传输信号不失真,发送端对高功率4 APeld,A.Rui Frequency domain data tasmisio using re放大器(HPA)的线性度要求很高且发送效率很低,接uced computational complexity algorithms.in Proc. IEEE 卜收端的前端放大器以及AD变换器必须具有很高的CASSP- -80,Denver,C0,1980,964 -967线性度。OFDM系统的性能降低会直接影响实际应[5] Radio bradasting stem:Digtal Audio Bradasting (DAB)to用,为了解决这一问题,人们提出了信号畸变、信号mobile,portable,and fixed receivers,ETSI-European Teleco m-扰码和信号空间扩展等技术。munication Standards Instutute,albonne,France, Feb 1995信道编码和交织:信道编码和交织可以显著提[6] Digial boadeating sytems for lelsin.ound and dalaservise.European Telecommunication Standard,April 1996高其抗干扰能力。采用信道编码对抗衰落信道中的随机错误，采用交织技术对抗衰落信道中的突发错] IEEE Standard 802.16- 200.EEE Standard for Local andMetroplian Area Network Part 16:Air Interface for Fixed误，通常在实际应用中同时采用信道编码和交织来Bradband W reless Access Systems.2004改善整个系统的性能。OFDM系统的结构便于在子载波间进行编码,形成COFDM方式。编码可以采用如分作者简介:邓彩，重庆大学通信工程学院硕士研究生,主要研组码、卷积码等,其中卷积码的效果要比分组码好。究方向围像处理、无线通信;杨毅,重庆大学通信工程学院硕士研究生,主要研究方向是MIMO技术OFDM信道估计。■(上接第16页)复用光器件的成本尤其是无源光器件的成本大幅度社,2003下降，质优价廉的WDM器件不断出现，未来[2邓志巍.CPON标准系列介绍(EB/OL]. ht:/w icbuy.WDM-PON可能以作为GPON补充的方式得到进- -步conm/info/news_ show/infn_ id20947/page_ break, 2008,11[3]鲁俊鹏挑战10C- -GPON WDM- PON面临成本拦路虎EB/04的应用。h::wwwbeien/news/200907/251010 15. htm,2009,7参考文献中国煤化工作者简MYHC N M H G司第二十八研究所,[1] Waler CGoralski.光网络与波分复用[M].北京:人民邮电出版主要从事通 信系统集成方面的研究与工作。■19