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ofdm技术及其应用

目录

OFDM技术及其应用1

摘要1

Abstract2

前言3

第1章OFDM技术4

第1节OFDM基本原理简介7

第2节OFDM的算法理论与基本系统结构8

第3节OFDM技术特点11

第4节OFDM技术突出的地方13

第5节OFDM的技术优点13

第6节OFDM的两个缺陷14

第2章OFDM技术在各个领域中的应用16

第1节高清晰度数字电视广播16

第2节无线局域网16

第3节宽带无线接入17

第4节3GCDMA的新概念18

第3章OFDM技术在设备制造和运行中的优势20

第4章下一代移动通信系统中的OFDM技术24

第5章OFDM技术的应用现状与前景29

小结33

致谢34

参考文献35

结束语36

OFDM技术及其应用

摘要

OFDM技术是一种多载波调制技术，最初用于军事通信，由于采用DFT实现多载波调制，同时LSI的发展解决了IFFT/FFT的实现问题以及其他关键技术的突破，OFDM开始向诸多领域的实际应用转化，现在成为一种很有发展前途的调制技术。

本文首先分析了OFDM的基本原理，并说明其技术优点和缺点，然后提及有关OFDM技术发展方面的一些信息。

现在，OFDM在许多领域取得成功应用，这里对有关无线局域网中的OFDM应用现状作了简要说明，对OFDM的应用前景也作了展望。

关键词：

正交频分复用（OFDM），原理，特点，发展，应用

Abstract

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing（OFDM）isakindoftechnologyofMulti-CarrierModulation（MCM）.DependingonDiscreteFourierTransform（DFT）torealizeMCMandthequickdevelopmentofLargeScaleIntegration（LSI）tosolvethequestionofthesolutionofIFFT/FFT,OFDMbegantobeusingpracticallyinmanyfieldsandisbecomingaprosperousMCM-technique.Inthispaper,firistlytheprinciplesofOFDMareanalyzedanditscharacters（meritanddefect）arereviewed,thensomeinformationaboutthedevelopmentofOFDMisintroduced.Atcurrenttime,OFDMhassucceededinmanyfields,givenanexample,thepresentsituationofusingOFDMonwirelesslocalareanetisstated,finallytheprospectofusingOFDMisimaged.

Keywords:

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing（OFDM）;Character;Development;PresentSituationandProspectofApplication

前言

随着通信技术的不断成熟和发展，如今的通信传输方式可以说多种多样，变化日新月异，从最初的有线通信到无线通信，再到现在的光纤通信。

然而，从通信技术的实质来看，上面所述基本上都是传输介质和信道的变化，突破性的进展并不多。

近年来，随着DSP芯片技术的发展，傅立叶变换／反变换、高速Modem采用的64／128／256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，引起了广泛关注。

人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计第三代以后的移动通信的主流技术将是OFDM技术。

第1章OFDM技术

OFDM的英文全称为Orthogonal（直角的，相互垂直的）FrequencyDivisionMultiplexing，中文含义为正交频分复用技术。

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70年代，人们提出了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。

八十年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。

进入九十年代以来，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和视频领域和民用通信系统中，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。

OFDM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大多是非平坦的，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，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，因此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。

OFDM技术属于多载波调制（Multi-CarrierModulation,MCM）技术。

有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。

MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：

OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而MCM，可以是更多种信道划分方法。

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/离散傅立叶变换（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。

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个链路不可用，但在多载波的OFDM系统中，只会有一小部分载波受影响。

此外，纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上的信息。

通过合理地挑选子载波位置，可以使OFDM的频谱波形保持平坦，同时保证了各载波之间的正交。

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每个载波所使用的调制方法可以不同。

各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。

我们通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。

无线多径信道的频率选择性衰落会使接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。

为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。

可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。

OFDM技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。

比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK（频谱效率1bit/s/Hz）转化成16QAM－64QAM（频谱效率4～6bit/s/Hz），整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的提高。

自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必须包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。

终端还要定期更新调制信息，这也会增加更多的开销比特。

OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。

信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如64QAM），或者在低调制方式（如QPSK）时降低发射功率。

功率控制与自适应调制要取得平衡。

也就是说对于一个发射台，如果它有良好的信道，在发送功率保持不变的情况下，可使用较高的调制方案如64QAM；如果功率减小，调制方案也就可以相应降低，使用QPSK方式等。

自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和精确的了解，如果在差的信道上使用较强的调制方式，那么就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。

OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏。

发送一个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。

第1节OFDM基本原理简介

OFDM是一种高速数据传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。

这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落等恶劣传输条件的性能。

传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。

同时，为了减小各个子载波间的相互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利用率。

而现代OFDM系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。

同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠（如图1所示），但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。

当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。

为解决这个问题，在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展得到的。

只要多径时延超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。

第2节OFDM的算法理论与基本系统结构

由上面的原理分析可知，若要实现OFDM，需要利用一组正交的信号作为子载波。

我们再以码元周期为T的不归零方波作为基带码型，经调制器调制后送入信道传输。

OFDM调制器如图2所示。

要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了M个复数序列，此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为T的M路并行码，码型选用不归零方波。

用这M路并行码调制M个子载波来实现频分复用。

在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调，恢复出原始信号。

OFDM解调器如图3所示。

下面对OFDM的信号流程作较详细地分析，经过BPSK、QPSK、16QAM、64QAM中的数字调制映射得到的串型符号流{dn}，n=0，1，…，M-1，先取M个符号将其分配到M路子信道中，每个符号调制M个子载波（下面用复指数表示为：

exp（jωkt）,k=0,1,…M-1）中的一个，然后将调制后得到的信号相加，得到OFDM符号再重复上述过程，发送下M个符号。

设一个OFDM符号周期为T，子载波间隔为1/T，子载波频率为fi=f0+i/T,i=0,1,…M-1,fi为第i个子载波的频率，均为1/T的整数倍，则调制后一个OFDM的复基带信号为：

在接收端，主要由混频器和积分器完成解调，在不考虑同步误差及信道干扰的情况下，因为在载波之间相互正交，在一个符号周期内有：

则对第k个在载波进行解调，在一个符号周期内进行积分得

由此看见解调部分能完全恢复原始信号。

然而上述方法所需设备非常复杂，当M很大时，需要大量的正弦波发生器，滤波器，调制器和解调器等设备，因此系统非常昂贵。

为了降低OFDM系统的复杂度和成本，通常考虑用离散傅立叶变换（DFT）和反变换（IDFT）来实现上述功能。

对

（1）中等效复基带信号以T/M的速率进行抽样，即令t=kT/M,（k=0,1,…，M-1）,得到：

看见Sk即是对di进行IDFT运算，容易推得在接收端同样可以用DFT恢复原始的数据信号{dn}，在接收端对接收到的Sk进行DFT变换即得：

由于DSP技术的发展，在OFDM系统调制解调的实际应用中可以采用快速算法IFFT/FFT实现IDFT/DFT的理论计算，这为OFDM技术的推广创造了极为有利的条件。

另外，为消除码间干扰（ISI），在实际OFDM系统中采用插入循环前缀（CP）的方法，即将OFDM符号尾部的一部分复制后放到符号前面，CP使所传输的符号表现出周期性，当CP的持续时间比信号在信道传输延迟时间大时，码间干扰仅仅会干扰OFDM符号体前面的CP从而消除ISI[6]。

根据上面所述，OFDM的系统框图如图（4）

第3节OFDM技术特点

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来实现的一组解调器。

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的数据速率也与子载波的数量有关。

OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。

各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK,QPSK,8PSK,16QAM,64QAM等，以取得频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。

无线多径信道的频率选择性衰落会导致接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。

为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。

可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比满足要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。

OFDM技术使用了自适应调制，可以根据信道条件来选择使用不同的调制方式。

比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK（频谱效率1bit/（s.Hz）转换成16～64QAM（频谱效率4～6bit/（s.Hz），整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的改善。

自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必需包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。

终端还须定期更新调制信息，这也会增加开销比特。

OFDM还采用了功率控制与自适应调制相协调的工作方式。

信道条件好的时候，发射功率不变就可以采用高调制方式（如64QAM），或者在低调制方式（如QPSK）时降低发射功率。

如果在差的信道上使用较高的调制方式，就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。

自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和准确的了解，OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏，发送一个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。

实现OFDM的关键技术包括：

同步技术、降低PAPR（功率峰均值比）技术、信道估计与均衡、信道编码与交织等。

第4节OFDM技术突出的地方

（1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。

OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全的运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎，例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约Flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大Wi-LAN工学院也开始使用这项技术。

（2）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信；

（3）该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信；

（4）OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号撒播的地区，高速的数据传播及播音都希望删除多路影响的地方。

第5节OFDM的技术优点

首先，抗衰落能力强。

OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声（ImpulseNoise）和信道快衰落的抵抗力更强。

同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。

因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。

其次，频率利用率高。

OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。

再者，适合高速数据传输。

OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。

当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。

当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。

再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。

因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。

此外，抗码间干扰（ISI）能力强。

码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。

造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。

OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。

第6节OFDM的两个缺陷

（1）对频率偏移和相位噪声很敏感。

（2）峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。

不过近年来，围绕OFDM存在的两个缺陷，业内人士进行了大量研究工作，并且已经取得了进展。

OFDM技术既可用于移动的无线网络，也可以用于固定的无线网络，它通过在楼层、使用者、交通工具和现场之间的信号切换，有效地解决了其中的信息冲突问题。

尽管OFDM技术已经是比较成熟，并在一些领域也取得成功的应用，但尚有许多问题须待深入研究以进一步提高其技术性能。

多年来，围绕基于DFT（或FFT）的OFDM的关键技术，如同步、信道估计、均衡、功率控制等方面一直在探索更优的方案，这些研究使OFDM技术欲加成熟和完善。

另一方面，由于DFT－OFDM在具体实现过程中采用插入CP（循环前缀）来消除ISI（码间干扰），所以进一步提高频谱利用率仍有较大余地，另外，为降低插入CP带来的频谱损失，通常采用较长的DFT变换块，但是，如此将会造成系统对载频误差及Doppler频移非常敏感，引起系统性能下降，同时对信道估计带来难度。

针对这一点，有人提出基于小波/小波包的正交多载波调制技术，作为对基于DFT的多载波调制技术OFDM的发展和改进。

小波函数/小波包函数具有良好的尺度与平移正交性，因而可将其作为多载波调制的在载波，这种多载波调制方案被称为基于小波/小波包的正交多载波调制。

理论分析和仿真表明，小波/小波包调制技术具有与其他调制技术相同或更好的性能参数，同时具有更好的抗干扰性能。

小波/小波包调制与多址技术结合，如基于小波包变换的多载波码分多址系统（WPDM－CDMA）,更贴近于现代无线多址通信系统的实际应用，从而进一步表明小波/小波包调制技术的可行性与先进性，具有广阔的发展前景。

同时作为一个充满希望与潜力的新研究领域关于小波/小波包调制技术有许多问题尚待进一步研究

第2章OFDM技术在各个领域中的应用

第1节高清晰度数字电视广播

OFDM在数字广播电视系统中取得了广泛的应用，其中数字音频广播（DAB）标准是第一个正式使用OFDM的标准。

另外，当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中就包括OFDM技术，欧洲HDTV传输系统已经采用COFDM（codedOFDM：

编码OFDM）技术。

它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。

选择OFDM作为数字音频广播和数字视频广播（DVB）的主要原因在于：

OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。

因此不难看出，OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。

欧洲的DAB系统使用的OFDM调制技术其试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。

它明显地改善了移动中接收无线广播的效果，用于DAB的成套芯片的开发工作正在一项欧洲发展项目中进行，它将使OFDM接收机的价格大大降低，其市场前景非常看好。

第2节无线局域网

大家知道，HiperLAN/2物理层应用了OFDM和链路自适应技术，媒体接入控制（MAC）层采用面向连接、集中资源控制的TDMA/TDD方式和无线ATM技术，最高速率达54Mbps，实际应用最低也能保持在20Mbps左右。

另外，IEEE802.11无线局域网工作于ISM免许可证频段，分别在5.8GHz和2.4GHz两个频段定义了采用OFDM技术的IEEE802.11a和IEEE802.11g标准，其最高数据传输速率提高到54Mbps。

技术的不断发展，引发了融合。

一些4G及3.5G的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线局域网中，以提升WLAN的性能。

如802.11a和802.11g采用OFDM调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。

802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。

另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里（并且能够保障100Mbps的传输速率）。

而对于今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说，最高为54Mbps的数据传输速率还远远不够。

为了进一步提升无线局域网的数据传输速率，实现有线与无线局域网的无缝结合，IEEE成立了IEEE802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准。

IEEE802.11n计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps，成为802.11b/a/g之后的另一场重头戏。

和以往的802.11标准不同，802.11n协议为双频工作模式（包含2.4GHz和5.8GHz两个工作频段）。

这样802.11n保证了与以往的802.11a/b/g标准兼容。

第3节宽带无线接入

OFDM技术适用于无线环境下的高速传输，不仅应用于无线局域网，还在宽带无线接入（BWA）中得到应用。

IEEE802.16工作组专门负责BWA方面的技术工作，它已经开发了一个2GHz～11GHzBWA的标准—IEEE802.16a，物理层就采用了OFDM技术