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OFDM的原理及Matlab仿真

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    介绍了OFDM的原理,并且对其进行Matlab仿真

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     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 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。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;4G Abstract In 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 big 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 realizes 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 transmitted 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 divide, 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 the 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 technology develop prospect. Keywords: OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing); Modulation; Demodulation;4G 目 录 第1章 绪 论 1 1.1课题背景 1 1.2课题任务及要求 1 1.3课题内容及安排 2 第2章 OFDM技术的产生背景及发展过程 3 2.1OFDM的产生背景 3 2.2OFDM的发展过程 6 第3章 OFDM的基本原理 9 3.1 OFDM简介 9 3.2多载波传输 13 3.4OFDM的关键技术 29 3.5OFDM技术的优势 32 3.6OFDM技术的缺陷 33 第4章 OFDM技术在实际中的应用 36 OFDM技术的前景与展望 47 结束语 49 致 谢 50 参考文献 51 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)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进技术。最后介绍OFDM技术在实际领域中的应用。 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。 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 Access)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 1987~1996 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TDMA CDMA,可能与TDMA结合,或者与TDD和FDD结合 频段 800MHz 800+1900MHz 2GHz 实例 AMPS ,TACS,ETACS,NMT450/900,NTT,JTACS/NTACS CDMA,GSM/DCS-1900,US TDMA IS-136 CDMA2000,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(FDM)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R.w.Chang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,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。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。 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。 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。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,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,OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。 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。 3.2 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,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。 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/Ts ISI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5μs,则带宽为5 MHz。若用单载波实现,则符号周期Tsymb,SC= 0.2 μs,τmax=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,τmax=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 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,忽略了在通信系统中常用的滤波器。 图3-5 OFDM调制器 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) 其中: (3.2) 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: (3.4) 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) 因此解调器将完成以下运算: (3.6) 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) 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,IDFT)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。 (a)发射端 (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,成本较高;二是仅对时延较短的ISI效果比较好,对时延较长的ISI效果比较差,在这种情况下就需要采用OFDM。当ISI的时延与传输符号的周期处于同一数量级时,ISI的影响就会变得严重起来。因此,延长传输符号的周期可以有效地克服ISI的影响,这正是OFDM消除ISI的原理。OFDM由大量在频率上等间隔的子载波构成(设共有N个载波),各载波通常可以采用不同的调制方式调制,一般为BPSK,QPSK或QAM。串行传输的符号序列被分为N组,N组分别调制N个子载波,将N个子载波相加后一起发送。所以OFDM实质是一种并行调制技术。 将符号周期延长N倍,从而提高了对ISI的抵抗能力。子载波间的间隔如何选择,是OFDM的关键。在传统的频分复用FDM调制技术中,各载波上的信号频谱是互不重叠的,各载波间要加入保护频带,以便接收机能用滤波器将其分离,但这样做降低了频带利用率。在OFDM中,取载波最小间隔等于符号周期的倒数,即1/Ts,当符号由矩形时间脉冲组成时,每个载波信号的频谱为sin x/x形状,其峰值对应于所有其它载波频谱的零点,载波间隔的选择使这些载波在整个符号周期上是正交的,即在符号周期上的任何两个载波的乘积都为零。这样,即使各载波上的信号频谱间存在重叠,也能无失真地复原。并且OFDM所有子载波叠加到一起时,信号频谱接近于矩形频谱,因而其频谱利用率理论上可以达到Shannon信息传输理论的极限。 由于OFDM系统中的子载波数量常达几百乃至几千,所以实际应用中不可能像传统的FDM那样使用几百乃至几千个振荡器和锁相环进行相干解调。Weinstein经过严格的数学推导,发现OFDM信号可用快速傅立叶反变换IFFT来得到,将运算量从N2降为Nlog N,并能用数字信号处理器完成OFDM调制:输入的N个调制符号经过N点的IFFT后所得到的N个数据就是所需的OFDM合成信号的N个时域采样值,再经D/A变换后,就得到了OFDM信号波形。此信号乘以实际载波就可将OFDM信号搬移到所需的频带上。待传输的调制信号经过IFFT变换,在时域上的复数信号表示为: (3.9) 接受机由下变频、A/D转换器、带通滤波器、FFT、解调模块等部分组成。其工作过程为首先经下变频将串行数据还原为基带信号,采用FFT恢复基带信号,并采用相应的解调方式解调出N路低速数据,最后通过并/串转换合成原始高速数据流。接收端经FFT变换后还原为频域的基带信号表示为: (3.10) 3.3.2 DFT的实现 傅立叶变换将时域与频域联系在一起,傅立叶变换的形式有几种,选择哪种形式的傅立叶变换由工作的具体环境决定。大多数信号处理使用离散傅立叶变换(DFT)。DFT是常规变换的一种变化形式,其中,信号在时域和频域上均被抽样。由DFT的定义,时间上波形连续重复,因此导致频域上频谱的连续重复。快速傅立叶变换FFT仅是DFT计算应用的一种快速数学方法,由于其高效性,使OFDM技术发展迅速。 对于比较大的系统来说,OFDM复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变换(IDFT)方法来实现。为了叙述的简洁,对于信号以的速率进行抽样,即令,则得到: (3.11) 可以看到等效为对进行IDFT运算。同样在接收端,为了恢复出原始的数据符号,可以对进行逆变换 ,即DFT得到: (3.12) 根据以上分析可以看到,OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT和DFT来代替。通过点的IDFT运算,把频域数据符号变换为时域数据符号,经过射频载波调制之后,发送到无线信道中。其中每个IDFT输出的数据符号都是由所有子载波信号经过叠加而生成的,即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。 在OFDM系统的实际运用中,可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换(IFFT/FFT)。点IDFT运算需要实施次的复数乘法,而IFFT可以显著的降低运算的复杂度。对于常用的基-2 IFFT算法来说,其复数乘法次数仅为,但是随着子载波个数的增加,这种方法复杂度也会显著增加。对于子载波数量非常大的OFDM系统来说,可以进一步采用IFFT算法来实施傅立叶变换。 3.3.3 OFDM系统组成 图3-8为传统的OFDM发射接收系统。发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射,并进行离散傅里叶反变换(IDFT)将数据的频谱表达式变到时域上,接收端进行与发送端相反的操作,将射频(RF,Radio Frequency)信号与基带信号进行频混处理,并用FFT变换分解频域信号,子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。IFFT和FFT互为反变换,选择适当的变换将信号接收或发送。当信号独立于系统时,FFT变换和IFFT变换可以被交替使用。 子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。IFFT的变换与IDFT变换的作用相同,只是有更高的计算效率,所以适用于所有的应用系统。 (a) OFDM发射模块 (b) OFDM接收模块 图 3-8 OFDM发射接收系统 OFDM信号的发送过程需要经过下面几个步骤: (1)编码:在基于OFDM调制技术的系统中,编码采用Reed-Solomon码、卷积纠错码、维特比码或TURBO码。 (2)交织:交织器用于降低在数据信道中的突发错误,交织后的数据通过一个串并行转换器,将IQ映射到一个相应的星座图上。在这里I代表同相信号,Q代表正交信号。 (3)数字调制:在OFDM方式中,采用星座图将符号映射到相应的星座点上。星座映射是指将输入的串行数据,先做一次调制,再经由FFT分布到各个子信道上去。调制的方式可以有许多种,包括BPSK、QPSK、QAM等。下图示意了采用QPSK调制的星座图。 图 3-9 星座映射的过程 星座映射是OFDM通信系统中比较重要一部分,它将传输过来的数据映射成具有一定规则的星座。它的主要作用有两个:一是将数据规则化,变成经过设计的星座;另一个是为数据引入虚部,使数据流变成复数的数据流,可以进行FFT的处理。 OFDM中的星座映射,其实只是一个数值代换的过程。比如输入为“00”,输出就是“-1+1i”。它为原来单一的串行数据引入了虚部,使其变成了复数。这样一方面可以进行复数的FFT变换,另外,进行星座映射后,为原来的数据引入了冗余度。因为从原来的一串数,现在变成了由实部和虚部组成的两串数。引入冗余度的意义在于以牺牲效率的方式降低误码率。通过牺牲效率来换取可靠性在通信上是一种非常经典的思想。这一过程产生IQ值,它们被过滤并送到IFFT上进行变换。 (4)插入导频:为了能够使接收稳定,在每48个子载波中插入4个导频信息。 (5)串并转换:使串行输入的信号以并行的方式输出到M条线路上。这M条线路上的任何一条上的数据传输速率则为R/M码字/秒。 (6)快速傅立叶逆变换:快速傅立叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此,用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了处理。 (7)并串转换:用于将并行数据转换为串行数据。 (8)插入循环前缀并加窗:OFDM调制中还有一个必不可少的步骤是插入循环前缀。尽管OFDM通过串并变换已经将数据分散到了n个子载波,速率已经降低到了n分之一,但是为了最大限度地消除符号间的干扰(ISI),还需要在每个OFDM符号之间插入保护前缀,这样做可以更好地对抗多径效率产生的时间延迟的影响。 有意思的是,与FDM中的使用频率保护间隔类似,对于OFDM这样的频率使用率高的系统来说,需要在时域上插入保护间隔。如果对时域和频域相互关系理解较为深刻的话,也许可以找出其中的内在联系。 插入循环前缀本身非常简单,就是把每个OFDM符号的最后一部分提到符号前,使整个符号加长即可,如图3-10所示。 图 3-10 插入循环前缀 循环前缀为单个的OFDM符号创建一个保护带,在信噪比边缘损耗中被丢掉,以极大地减少符号间干扰。 接收器完成与发送器相反的操作。接收器收到的信号是时域信号。由于无线信道的影响发生了一定的变化,首先要通过训练序列定时和频率偏移进行估计,同时将符号的定时信息传送到去循环前缀功能模块,在这里训练序列和导频信息主要是用来信道纠错。然后将信号经过一个串行一并行的转换器,并且把循环前缀清除掉。清除循环前缀并没有删掉任何信息,循环前缀中的信息是冗余的,使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。总体来说整个接收过程需要经过下面几个步骤: ①定时和频率同步,②去循环前缀,③串并转换,④快速傅里叶变换,⑤并串转换,⑥信道校正,⑦数字解调,⑧去交织,⑨解调。 3.3.4 保护间隔、循环前缀和子载波数的选择 应用OFDM的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。通过把输入数据流串并变换到个并行的子信道中,使得每一个调制子载波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的倍,因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降低倍。为了最大限度的消除符号间干扰,还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔(Guard Interval),而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中的最大时延扩展,这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不插任何信号,即是一段空白的传输时段。然而在这种情况下,由于多径传播的影响,则会产生载波间干扰(ICI), 即子载波之间的正交性遭到破坏,不同的子载波之间的产生干扰。这种效应可见图 。 由于每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号,而且也可同时出现该OFDM符号的时延信号,图3-11给出了第一子载波和第二子载波的时延信号。从图中可以看到,由于在FFT运算时间长度内,第一子载波和第二子载波之间的周期个数之差不在是整数,所以当接收机试图对第一个子载波进行解调时,第二子载波会对第一子载波造成干扰。同样,当接收机对第二子载波进行解调时,也会存在来自第一子载波的干扰。 图 3-11 多径情况下,空闲保护间隔在子载波间造成的干扰 在系统带宽和数据传输速率都给定的情况下,OFDM信号的符号速率将远远低于单载波的传输模式。例如在单载波BPSK调制模式下,符号速率就相当于传输的比特速率,而在OFDM中,系统带宽由个子载波占用,符号速率则倍低于单载波传输模式。 正是因为这种低符号速率使OFDM系统可以自然地抵抗多径传播导致的符号间干扰(ISI),另外,通过在每个符号的起始位置增加保护间隔可以进一步抵制ISI,还可以减少在接收端的定时偏移错误。这种保护间隔是一种循环复制,增加了符号的波形长度,在符号的数据部分,每一个子载波内有一个整数倍的循环,此种符号的复制产生了一个循环的信号,即将每个OFDM符号的后时间中的样点复制到OFDM符号的前面,形成前缀,在交接点没有任何的间断。因此将一个符号的尾端复制并补充到起始点增加了符号时间的长度,图3-12显示了保护间隔的插入。 图 3-12 加入保护间隔的OFDM符号 符号的总长度为=+其中为OFDM符号的总长度,为采样的保护间隔长度,为FFT变换产生的无保护间隔的OFDM符号长度,则在接收端采样开始的时刻T x应该满足下式: (3.13) 其中是信道的最大多径时延扩展,当采样满足该式时,由于前一个符号的干扰只会在存在于[0, ], 当子载波个数比较大时,OFDM的符号周期相对于信道的脉冲响应长度很大,则符号间干扰(ISI)的影响很小,将会没有符号间干扰(ISI);而如果相邻OFDM符号之间的保护间隔满足≧的要求,则可以完全克服ISI的影响。同时,由于OFDM延时副本内所包含的子载波的周期个数也为整数,时延信号就不会在解调过程中产生ICI。 OFDM系统加入保护间隔之后,会带来功率和信息速率的损失,其中功率损失可以定义为: (3.14) 从上式可以看到,当保护间隔占到20%时,功率损失也不到1dB。但是带来的信息速率损失达20%。而在传统的单载波系统中,由于升余弦滤波也会带来信息速率(带宽)的损失,这个损失与滚降系数有关。但由于插入保护间隔可以消除ISI和多径所造成的ICI的影响,因此这个代价是值得的。 3.3.5 调制方式 OFDM系统的各个载波可以根据信道的条件来使用不同的调制,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。选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大频谱效率。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,达到30dB之多,信噪比也大幅下降。使用与信噪比相匹配的调制方式可以提高频谱利用率。众所周知,可靠性是通信系统运行是否良好的重要考核指标,因此系统通常选择BPSK或QPSK调制,这样可以确保在信道最坏条件下的信噪比要求,但是这两种调制的频谱效率太低。如果使用自适应调制,那么在信道好的时候终端就可以使用较高的调制,同样在终端靠近基站时,调制可以由BPSK(1bit/s/Hz)转化成16QAM ~ 64QAM(4~6 bit/s/Hz),整个系统的频谱利用率得到大幅度的改善,自适应调制能够使系统容量翻番。但任何事物都有其两面性,自适应调制也不例外。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采用的调制方式,并且,终端需要定期更新调制信息,这又势必会增加更多的开销比特。 OFDM技术将这个矛盾迎刃而解,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。 失真、频偏也是在选择调制时必须考虑的因素。传输的非线性会造成互调失真(IMD),此时信号具有较高的噪声电平,信噪比一般不会太高;失步和多普勒平移所造成的频率偏移使信道间失去正交特性,仅仅1%的频偏就会造成信噪比下降30dB。信噪比限制了最大频谱利用率只能接近5~7bit/s/Hz。自适应调制要求对信道的性能有充分的了解,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,影响系统的可靠性。多用户OFDM系统的导频信道或参考码字可以用来测试信道的好坏。发送一个已知数据的码字,在满足通信极限的情况下测量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。 3.3.6 OFDM的信道分配 为用户分配信道有多种方式,最主要的两种是分组信道分配、自适应信道分配。 (1)分组信道 最简单的方法是将信道分组分配给每个用户,这样可以使由于失真、各信道能量的不均衡和频偏所造成的用户间的干扰最小。但载波分组会使信号容易衰落。载波跳频可以解决这个问题。分组随机跳频空闲时间较短,约11个字符时间。利用时间交织和前向纠错可以恢复丢失的数据,但是会降低系统容量增加信号时延。 (2) 自适应跳频 这是一种新的基于信道性能的跳频技术。信道用来传递对它来说具有最佳信噪比的信号。因为每个用户的位置不同,所以信号的衰落模式也不相同,因此每个用户收到的最强信号都不同于其他用户,从而相互之间不会发生冲突。初步研究表明,在频率选择性信道采用自适应跳频可以大幅提高信号接收功率,能够达到5~20dB,令人惊异。事实上,自适应跳频消除了频率选择性衰落。 多径信道中,速率为1Gbit/s的信号的频响特性每15cm就会发生很大的变化,因此信号的频率刷新速率要比15cm的移动速率快很多,一般情况下终端每移动5cm刷新一次就足够了。比如终端以每小时60km的速度移动,刷新速率就是大约330次/秒。跳频的开销比特数量与用户速率、用户数量以及系统是全双工还是半双工有关。全双工系统的接收机和发射机的工作频率的间隔至少应大于40MHz,信道数量是用户数的两倍,发射的参考码字的数量比用户数多1个,也就是说除了每个用户需要发送一个参考码字外,基站的前向信道也必需发送一个。采用并行通信可以减少参考码字,20个用户可以共用一个参考码字。对于一个10Mbit/s带宽全双工系统,有100个速率为50kbit/s的用户,调制方式是QPSK,其开销比特将占整个数据的30%~50%。而时分半双工系统可以减少开销比特,只有10%~15%。 当信道变化太快,跳频速度跟不上时,用随机跳频代替自适应跳频。由于这种转换非常快,所以衰落时间很短暂,采用时间交错和前向纠错能够补偿这种衰落。时间交错要求尽可能短,否则会增加时延。 3.4 OFDM的关键技术 3.4.1 同步技术 在OFDM系统中,N个符号的并行传输会使符号的延续时间更长,因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说,无线信道存在时变性,在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏,相位噪声对系统也有很大的损害。 由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差,每个信号样本都一定程度地偏离它正确的采样时间,此偏差随样本数量的增加而线性增大,尽管时间偏差破坏子载波之间的正交性,但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时,就可以用内插滤波器来控制正确的时间进行采样。 相位噪声有两个基本的影响,其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量,跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响,其次也会引入一定量的信道间干扰(ICI),因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/T了。 载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加,它们之间的正交性有严格的要求。无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移,多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。多普勒展宽会导致频率发生弥散,引起信号发生畸变。从频域上看,信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此对于要求子载波严格同步的OFDM系统来说,载波的频率偏移所带来的影响会更加严重,如果不采取措施对这种信道间干扰(ICI)加以克服,系统的性能很难得到改善。 OFDM中的同步通常包括3方面的内容: ①帧检测,②载波频率偏差及校正,③采样偏差及校正。 由于同步是OFDM技术中的一个难点,因此,很多人也提出了很多OFDM同步算法,主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行,其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法,其中ESPRIT算法虽然估计精度高,但计算复杂,计算量大,而ML算法利用OFDM信号的循环前缀,可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计,而且与ESPRIT算法相比,其计算量要小得多。对OFDM技术的同步算法研究得比较多,需要根据具体的系统具体设计和研究,利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。OFDM系统对定时频偏的要求是小于OFDM符号间隔的4%,对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的1%~2%,系统产生的3dB相位噪声带宽大约为子载波间隔的0.01%~0.1%。 3.4.2 功率峰值与均值比(PARP)的解决 OFDM包络的不恒定性可以用PAPR来表示。PAPR(PeaktoAveragePower Ratio)是峰值功率与平均功率之比。PAPR越大,系统的包络的不恒定性越大。因此要改善系统性能,就是要设法减小PAPR。 由于OFDM信号为多个正弦波的叠加,当子载波个数多到一定程度时,由中心极限定理,OFDM符号波形将是一个高斯随机过程,其包络是不恒定的。这种现象在非线性限带信道中是不希望出现的,经非线性放大器后,包络中的起伏虽然可以减弱或消除,但与此同时却使信号频谱扩展,其旁瓣将会干扰临近频道的信号。这在OFDM系统中将引起相邻信道之间的干扰,破坏其正交性。一般而言,发射机中的高频放大器HPA具有很强的非线性特征。为了不使频谱扩展得太厉害,HPA必须工作在有很大回退量(Backoff)的状态,这样会浪费很大功率。因此如果没有改善OFDM对非线性的敏感性的措施,OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统,如手机等移动设备。一般通过以下几种技术解决。 (1)限幅(Clipping)技术:是一种简单而有效的降低PAPR的方法,但是它可以导致带内信号的失真和带外频谱弥散,从而使误码率性能恶化。高速率编码是一种对信码进行的简单编码,它可以从统计特性上降低大的PAPR出现的概率。 (2)编码技术:分组编码的方法既可以绝对地降低PAPR,也具有一定的纠错能力。OFDM信号的复包络依赖于发送数据信号序列的非周期自相关函数旁瓣。如果旁瓣小,则信号的起伏就小,即PAPR小,就可以得到准恒定(Quasi-Constant)幅度信号。因此,需要寻找自相关函数旁瓣小的发送信号序列。Golay二进制序列(即Complementary)就是一种旁瓣小的序列。即使是它扩展到多相位序列,也仍然满足旁瓣小的特性。可以证明,Golay序列的PAPR不超过3dB。基于互余序列的分组码的基木思想就是避免使用PAPR高的码子。通过采用基于互余序列的分组码,在PAPR的控制在3-6dB情况下,系统可以得到很大的编码增益,并改善了error-floor性能。 (3)扰码技术:采用扰码技术,使生成的OFDM的互相关性尽量为0,从而使OFDM的PAPR减少。这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置,典型的有PTS和SLM。 3.4.3 训练序列和导频及信道估计技术 接收端使用差分检测时不需要信道估计,但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考,差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量,但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中,系统对频偏比较敏感,所以一般使用相干检测。 在系统采用相干检测时,信道估计是必须的。此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息,训练序列通常用在非时变信道中,在时变信道中一般使用导频信号。在OFDM系统中,导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度,可以插入连续导频和分散导频,导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽,在时域上,导频的间隔应小于相干时间;在频域上,导频的间隔应小于相干带宽。在实际应用中,导频模式的设计要根据具体情况而定。 3.5 OFDM技术的优势 (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。 (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进行成功的通信。该技术可以自动地检测到在传输介质下,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。 (3)OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中,单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败,但是在多载波系统中,仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。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散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。 (4)OFDM技术可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多。 (5)OFDM技术通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码,可以使系统性能得到提高。 (6)OFDM技术可以使用硬件模块集成基于IFFT/FFT的算法,通过这种方式实现的OFDM系统的运行速度,主要取决于硬件电路的运行速度,同时也简化了系统实现的复杂程度。 (7)OFDM技术的信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要;当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于2baud/Hz。 3.6 OFDM技术的缺陷 (1)对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化,仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。因此,OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。定时偏差会引起子载波相位的旋转,如图10所示,而且相位旋转角度与子载波的频率有关,频率越高,旋转角度越大,如果定时的偏移量与最大时延扩展的长度之和仍小于循环前缀的长度,此时子载波之间的正交性仍然成立,没有ISI和ICI(信道间干扰),对解调出来的数据信息符号的影响只是一个相位的旋转。如果定时的偏移量与最大时延扩展的长度之和大于循环前缀的长度,这时一部分数据信息丢失了,而且最为严重的是子载波之间的正交性破坏了,由此带来了ISI和ICI,这是影响系统性能的关键问题之一。 (2)功率峰值与均值比(PAPR)大,导致射频放大器的功率效率较低。与单载波系统相比,由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的,这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率,也就会带来较大的功率峰值与均值比,简称峰均值比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说,当N个子信道都以相同的相位求和时,所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。当然这是一种非常极端的情况,通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求,导致射频信号放大器的功率效率降低。因此如果多个信号相位一致时,所得的叠加信号的瞬时功率会远远高于信号的平均功率,如图3-13所示。因此可能带来信号畸变,使信号的频谱发生变化,子信道间正交性遭到破坏,产生干扰。 图 3-13 较高的峰值平均功率比 (3)负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度,并且当终端移动速度高于30km每小时时,自适应调制技术就不是很适合了。 (4)由于低压电力网不是专门用于通信目的,所以其信道特性十分恶劣,干扰多,衰减大。尤其是从最后一级变压器到用户的这一段,因线路缺少屏蔽层,极易受到雷电波、无线电波和热噪声的干扰。且连接负载众多,信号衰减大,相对较高的调制效率需要相对较高的信噪比,这对于硬件的设计提出了高要求。如美国Intellon公司基于Powerpacket技术的低压电力线载波通信芯片INT5130的载波频带为4.3~20.9 MHz,但该技术仍然仅限于家庭内部网的组建,还不能真正解决“最后一公里”的接入网问题。如何在此频带内实现信号的高速远距离传输,仍然是一个难点,需要硬件和软件技术的共同提高。 第4章 OFDM技术在实际中的应用 4.1 OFDM在ADSL中的应用 ADSL使用了正交频分复用技术将话音与数据分开,虽然话音与数据在同一条电话线上,但是话音和数据分别在不同的频带上运行,所以互不干扰。即使边打电话边上网,也不会发生上网速率下降,通话质量下降的情况。 FLASH-OFDM是Flarion为了在主网上实现使用IP网络的永久接入服务而开发的传输技术。由于用户在高速互联网接入服务中可以无线方式永久接入,因此还被称为“无线版ADSL”。 Flash-OFDM技术的前身OFDM技术已有近40年历史,起初使用在军事高频无线应用上。现在已经被广泛应用在DSL、无线广播、数字电视、移动数据通信以及无线局域网上。Nextel从2002年便开始对FLASH-OFDM进行技术检测和传输试验,韩国也有多家通信运营商进行试验服务。 Flash-OFDM全称Fast Low-latency Access with Seamless Handoff-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,即“快速低时延接入/无缝切换的正交频分复用”,俗称“快闪式—正交频分复用”,它采用OFDM原理并结合了跳频技术。简单地说,Flash-OFDM是由使用多个正交载波进行高速数据通信的OFDM技术衍生出来的通信方式之一。 Flash-OFDM采用FDD双工方式。上下行链路是数百个子信道组成的宽带载波(扩频的OFDM),传输数据时给每个用户分配子信道。每个子信道采用自适应调制和先进的编码技术,可以提高频谱利用率。Flash-OFDM的频带宽度为1.25MHz,使用频率间隔为12.5kHz的副载波,最大转输速度为3.2Mbit/s,平均数据传输速度达1.5Mbit/s。 Flash-OFDM在时间上以跳频方式使用OFDM的副载波,通过高速切换副载波,使得相邻节点可以使用相同频率的副载波,进而可提高频率利用率。Flash-OFDM利用快速跳频技术把信号扩频,具有频率分集能力,减小了同一小区内的用户间干扰,它同时具有OFDM和跳频扩频技术的优点。除了跳频外,为解决小区间干扰,采用了功率控制,用户只发射它能有效通信的功率。此外Flash-OFDM的空中接口采用分组业务,支持全IP通信。 3G是以话音为主的蜂窝网,它虽然比2G、2.5G等的传输速率快很多,但仍无法满足未来多媒体通信的要求,并且其投入成本高。现在Flarion提出的Flash-OFDM无线技术的主要优势是可以把大量数据塞入比较小的带宽里面,解决3G的不足。和现有的以OFDM为基础的系统(例如DSL)不同,Flash-OFDM不仅仅是一种物理层的解决方案,它更是一种采用了OFDM独特的物理特性的系统级技术,使得在蜂窝网络中能增强更高层的性能优势,获得非常有效的数据包传送,以及很低的信号延迟。它以IP透明方式使网络无缝延展到广阔的移动环境中,能够解决3G出现的问题、面对现在移动通信发展要求的挑战,因此这种技术在未来将是非常有前途的。Flash-OFDM的缺点就在于缺乏产业链条的支撑,这会使其陷入孤军奋战的境地,Flarion也意识到了这一点,正在积极寻找合作伙伴,并已经与西门子签订了合作协议,共同研发产品。如果Flash-OFDM能够像当年的CDMA那样寻找到一个可以大规模应用的市场,那么这项技术将独立地发展下去,否则最终只能与其它技术融合,成为下一代移动通信技术的一部分。 4.2 OFDM在电力线通信中的应用 电力线通信技术简称PLC (Power Line Communication)是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。目前只需通过连接在电脑上的“电力猫”,再插入家中任何一个电源插座,就可以实现最高14M的速度上网冲浪,这一速度比ADSL目前最高限速512k快20多倍,而且使用成本低廉。 然而,电力线作为通信信道,存在着高噪声、多径效应和衰落的特点。OFDM技术能够在抗多径干扰、信号衰减的同时保持较高的数据传输速率,在具体实现中还能够利用离散傅立叶变换简化调制解调模块的复杂度。OFDM技术用于提高电力线网络的传输质量,即使在配电网受到严重干扰时,OFDM仍可提供带宽并且保证带宽传输效率。实现PLC技术突破的基本技术是在物理层采用OFDM,即“正交频分复用”技术;以及在MAC层采用CSMA/CA,即“带碰撞检测的载波监听多路访问”技术。因此它在电力线高速通信系统中的应用有着非常乐观的前景。 2008年12月,法国电力集团的全资子公司法国电网输送公司(ERDF)宣布将制定和开发下一代电力线通信(PLC)规范及解决方案的合同交给Maxim公司。ERDF计划在全法国配备AMM基础设施中采用Maxim的首款基于OFDM的PLC调制解调芯片MAX2990,管理整个电力供应链——从电力供应商直至终端用户。 MAX2990是Maxim在2008年6月推出的首款基于OFDM的PLC调制解调器。MAX2990采用具有DBPSK调制和前向纠错(FEC)功能的OFDM技术,能够在存在窄带干扰、群延迟、信号阻塞、脉冲噪声和选频衰减等干扰的情况下进行可靠的数据通信。MAX2990符合国际电力线通信规范,包括CENELEC、FCC和ARIB。在工作频率范围10kHz至490kHz内,支持大于100kbps的有效数据速率。评估调制解调器时,最重要的一个因素是在给定信噪比(SNR)条件下的误码率(BER)。BER为在特定噪声级别下,错误比特数与传输总比特数的比值。 图4-1 调制解调芯片MAX2990 典型的FSK系统在2kbps数据速率、12dB SNR条件下具有104的BER,MAX2990在10kHz至95kHz的Cenelec波段、32kbps的数据速率、4dB SNR条件下可达到相同的BER。所以,采用具有纠错的OFDM技术能够在更高的数据速率下提升8dB的性能。 OFDM系统具有更多数量的信号频点,因而MAX2990能够完成诸如Reed Solomon和卷积编码等数据恢复算法。这些通道译码技术提供纠错位,能够在不同的频点上与数据同时传输,以提高数据恢复能力。 4.3 OFDM在有线电视网络中的应用 目前,为了提供上行回传信道,HFC接入网可采用SDM(空分复用法)、TDM(时分复用法)、WDM(波分复用法)和OFDM(正交频分复用法)等方式。但目前解决同轴电缆分配网双向传输的主要手段还是正交频分复用法。 空分复用法是采用双电缆线完成光节点以下信号的上下行传输,对于有线电视网来说,铺设双同轴电缆来完成双向传输,成本太高。 时分复用法是在相同的传输介质上,对上行和下行信号进行时分复用,由于其技术较复杂,成本也较高,所以实际应用也不很广泛。 波分复用法是采用单根光纤异波长双工工作方式,使上下行信号采用不同的光波长传送,波分复用法可用于光纤干线传输网部分。 正交频分复用法是将光节点以下的电缆的工作频率作频率分割,利用不同的频段实现上下行信号的同时传输,一般低频段用于上行信道,高频段用于下行信道,上下行频段的分割点频率的高低,主要取决于HFC接入网要实现的功能和所需传输的信息量。 另外,在HFC的共享设施上,数据的上行面临噪音对信号的干扰问题。信号抗干扰的能力取决于系统所采用的信号复用技术。宽带网络可以采用两种信号复用技术:TDM(时分复用)和OFDM(正交频分复用)。 举个例子,在一个频率较大的射频载波上可以分出许多个DS-0信道。而对载波中任意部分的干扰都会破坏载波所承载的信号。这种情况会对TDM用户带来严重的通信可靠性问题,原因就在于窄带干扰总是随时随机出现。 在理论上,避免干扰可以采用变频技术。可是,TDM采用的通信频带的大小必须和留作用来匹配变频的频带一样大。保留这么大的频带会严重地降低本已经存在局限的上行信道的信息承载能力。 OFDM技术,采用的措施则不同。它们在每个信道中可以划分出多达240个的DS-0,但同时把每一个DS-0都放在了它自己所在的窄带频率载波上。 单一的频率载波容易受到窄带干扰的影响,但是,把使用QPSK(四相移键控)的大量DS-0锁定的同类干扰却只能影响一个使用OFDM的DS-0,而其他DS-0则不受影响。这样,只需要在信道上保留一个小频段专门用来给受到影响的频率进行变频,而其他几乎所有的DS-0就都可以充分利用信道上的可用带宽了。当检测出对频率载波的干扰之后,受影响的DS-0即可重新分配给保留的载波之一传输,通常情况下不会引发线路的断开。 TDM承载的信号特别容易受到脉冲干扰的影响。因为每个TDM时隙都拥有完整的2MHz带宽,信号速度必须很高。因此每个信号的持续时间都很短,信号就容易被短暂的脉冲噪音所覆盖。 另一方面,OFDM可以同时传输很多信号、容许更长的符号周期却并不降低信息量。所以,在符号周期比较长的前提下,通常的脉冲比它能中断的符号周期短得多。结果载波噪音比的参数值就相当高,所以信息也可以保持其完整性和准确度了。假设载波噪音比确实因为较大的脉冲干扰而降低,对信号的中断影响也是有限的,而信号错误则可以通过纠错算法得以调整。 4.4 OFDM在数字电视中的应用 目前全球共有3套国际数字电视地面传输系统标准,美国1996年高级电视系统委员会(ATSC)研发的ATSC8-VSB;欧洲1997年提出的数字视频地面广播DVB-T COFDM;日本1999年提出的地面综合业务数字广播ISDB-T OFDM。   欧洲DVB-T COFDM系统是欧洲数字电视广播(DVB) 开发的系列标准中的数字地面电视广播系统标准,在系列标准中DVB-T是最复杂的DVB系统。使用MPEG-2传送比特流复用,里德-索罗门(RS) 前向纠错系统,采用COFDM调制方式,把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上,用1705个载波(“2K”)或6817个载波(“8K”) 模式。“2K” 模式用于普通网,“8K” 模式用于大小单频网(SFN) ,“2K”与“8K” 系统是兼容的。 日本提出的“综合业务数字广播”ISDB-T OFDM系统采用MPEG-2传送比特复用,OFDM调制方式,使用的编码方式、调制、传输与DVB-T COFDM基本相同,可以说是经修改的欧洲方式,不同之处在于接收方面增加了部分接收和分层传输,将整个6MHz频带划分为13个子带,每个子带432KHz,将中间一个用于传输音频信号,并大大加长了交织深度(最长达0.5秒),增加交织深度将引入长达几百毫秒的延迟影响频道转换和双向业务。ISDB-T 概念覆盖了各种服务,因此系统不得不面对各种需求,而且一个业务可能和另一个业务是不同的。 我国清华大学微波与数字通信国家重点实验室提出的地面数字多媒体与电视广播系统(DMB-T),它采用时域同步正交频分复用技术(TDS-OFDM)。 DMB-T传输系统既适用于地面数字多媒体电视广播系统,也适用于其它宽带传输系统。 4.5 OFDM在数字音频广播中的应用 数字音频广播DAB(Digital Autio Broadeasting)于70年代末期开始研制,1986年列为欧共体Eurekal47计划,1988年基础性研究和初步的开路实验结果都显示它成为新一代广播系统的强大生命力,引起了世界各国的重视,我国部分发达城市也已着手进行研制开发,DAB有巨大的市场和经济效益,它在未来20年时间内最终要取代调频广播。 数字音频广播的三项关键技术是:即信源编码、信道编码和网络覆盖规划。而DAB的信道编码技术是一种抗回波传输的信道编码技术,在具体处理上利用OFDM技术将信号分成大量的窄带子信道传输再用卷积码和Viterbi解码算法结合。在误码的比特与传输信道有最佳匹配,能提供大于20dB增益,这种方法的特点是使源编码的比特与传输信道有最佳匹配,有足够的误码保护,在多径反射在提供极好的服务,特别是在移动和便携状态下,接收具有高的频谱效率并能适应低的发射功率。OFDM在一定程度上综合了窄分段和宽分段各自的优点,在1.5MHz带宽中,可一起传送5-6套立体声高质量节目,信噪比可达80dB以上。 4.6 OFDM在第4代(4G)移动通信系统中的应用 近年来移动通信技术飞速发展,已经历了3个主要发展阶段。每一代的发展都是技术的突破和观念的创新。第一代起源于20世纪80年代,主要采用模拟和频分多址(FDMA)技术。第二代(2G)起源于90年代初期,主要采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术。第三代移动通信系统(3G)可以提供更宽的频带,不仅传输话音,还能传输高速数据,从而提供快捷方便的无线应用。然而,第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统,尽管其传输速率可高达2 Mb/s,但仍无法满足多媒体通信的要求,因此,第四代移动通信系统(4G)的研究随之应运而生。 第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输;抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术;高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线;大容量、低成本的无线接口和光接口;系统管理资源;软件无线电、网络结构协议等。但若从技术层面看,OFDM被认为是4G的核心技术之一。 移动通信信道的突出特点之一就是信道存在多径时延扩展,它限制了数据速率的提高,因为如果数据速率高于信道的相干带宽,信号将产生严重失真,信号传输质量大幅度下降。而OFDM技术由于具备频谱利用率高,有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力等特点,是对高速数据传输的一种潜在的解决方案,因此,OFDM技术已基本被公认为4G的核心技术之一。 业内分析人士指出,从理论上讲,OFDM技术要优于当前全球移动运营商所采用的标准技术。但问题是其成本和兼容性等问题与当前技术相比是否具有竞争力。目前,全球移动市场普遍采用的两大通信标准是GSM和CDMA技术,这二项都比传统的模拟技术快10倍左右,而OFDM技术的速度比GSM和CDMA还要快10倍左右。 4.7 OFDM在3.5G宽带无线接入中的应用 3.5GHz频段无线接入具备组网灵活,前期投入较低,成本回收较快的特点。由于无需管道和电线杆的基建支持,路由限制小,因此建网比较简单,能迅速提供服务。3.5GHz无线接入设备搬迁十分方便快捷,若加以有效的频率复用,能提供全面覆盖的接入服务。 3.5GHz无线接入作为光纤接入的一种补充,能有效地解决了部分中小用户对高速的数据传输的需求。 当前,3.5G地面固定无线接入技术在我国已经迅速铺开,并表现出良好的发展势头,目前已有一些公司,如中华通信公司、中国电信、中国移动、中国联通等公司采用3.5GHz无线接入网为集团用户提供宽带业务。它将有力地带动我国的无线接入技术的发展,将为用户提供更加丰富多彩的业务和服务。而在这其中OFDM更是开始广泛应用于3.5GHz无线接入系统的设备中。一些厂商纷纷在自己原有系统的基础上应用OFDM技术,大唐就是其中之一。   大唐结合市场的需求,采用了当前无线通信领域的先进技术,有针对性的推出了在该频段上采用OFDM技术、基于IP的R2000 ACCESS OFDM 宽带无线接入系统,为运营商提供了一种经济、高效、实用的IP业务接入解决方案。 4.8 OFDM在WiMAX无线城域网中的应用 IEEE 802.16标准是一种无线城域网络(WMAN)技术,利用该技术可以把无线热点(hotspots)连接起来,IEEE将这个新标准编号为802.16a,又称WiMAX,即全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access),它出现于2001年12月,在2003年1月正式获得批准,是一项无线城域网(WMAN)技术,是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。802.16a标准规范中明确定义了OFDM技术作为无线数据传输方式。 IEEE802.16a标准规定在特许频段,可以使用单载波调制或正交频分复用,对于非特许频段,必须使用正交频分复用调制方式。 IEEE802.16a标准采用了OFDM技术,大大改进了非视距性,增加了传输距离,降低了运营成本。 4.9 OFDM在无线局域网中的应用 (1)OFDM在802.11a 和802.11g中的应用 802.11a 和802.11g使用了OFDM,不同于802.11b使用的直接排序扩展频谱(DSSS)。在802.11a 和802.11g标准中,OFDM在20 MHz频段能够提供高达54 Mb/s速率的原始数据传输。另外为了支持高水准的数据容量和抵御因受各种各样无线电波影响而产生的衰减现象,OFDM 能够非常有效地使用可以利用的频谱资源。而后面的特性在未来几年内将成为非常关键的因素,因为无线网络资源已经用完,尤其是在企业环境中。 (2)OFDM在802.11n中的应用 802.11n专注于高吞吐量的研究,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甚至500Mbps。这样高的速率当然要有技术支撑,而OFDM技术、MIMO(多入多出)技术等正是关键。 OFDM技术是MCM(多载波调制)的一种,已经在802.11g标准中采用。其核心是将信道分成许多进行窄带调制和传输正交子信道,并使每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,用以减少各个载波之间的相互干扰,同时提高频谱的利用率的技术。OFDM还通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行的非对称性传输。 MIMO(多入多出)技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破,能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。 将MIMO与OFDM技术相结合,就产生了MIMO OFDM技术,它通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集,提高了信号质量,并增加了多径的容限,使无线网络的有效传输速率有质的提升。 (3)OFDM在HyperLAN2中的应用 无线局域网系列标准HiperLAN(高性能无线局域网)包括HiperLAN1和HiperLAN2,是由欧洲的欧洲通讯标准协会ETSI所制定的,在欧洲设置455MHz的频宽使用。 HyperLAN2的技术是采用在5GHz上传输,并可用不同速度进行,最快可达到54Mbps,由于其是采用OFDM技术,所以不仅可以在室外传送,就连在室内有许多阻碍物亦可用多重路径的方式来传送,通常室内覆盖半径可达30米,户外可达到150米。 在HiperLAN2的收发端使用FFT信号处理方式可以有效地实现OFDM,这样,与传统的FDM系统相比,采用OFDM的HiperLAN2系统可大大降低硬件设备的复杂度,并且有效提高频谱利用率,在时间扩散环境中尽可能的抑制因多径传输而产生的符号间干扰和码片间干扰。 (4)OFDM在超宽带(UWB)无线通信技术中的应用 UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术,UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲,这些脉冲都是经过精确计算的,每个只有几个毫微秒长,脉冲可以覆盖非常广泛的区域,它将会为无线局域网和个人区域网的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。UWB技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题,它开发了一个具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低,有低截获能力,系统复杂度低,能提供数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室内等密集场所的高速无线接入和军事通信应用中。 MBOA的提议将UWB频带分为最少三个频段,并采利正交频分复用(OFDM)方式将三个频段进一步分为大量的窄通道。这样做的好处是各频带可单独使用,方便从低速到高速的扩展,并保证升级后的后向兼容性;提高抗多径干扰的能力;有效地利用到FCC所规定的整个7.5GHz频宽,提高频谱利用率和能量捕获能力;提高与其它无线设备共同工作和抗外来干扰能力(即电磁兼容性)。 这些优势使MBOA技术在相同条件下具有更高的速率和距离,但增加了电路复杂度和成本。 OFDM技术的前景与展望 OFDM具有抗频率选择性衰落和符号间干扰能力强、频谱利用率较高、数据传输率高等优点,是一种非常适用于无线环境的高速数据传输技术,受到了人们的泛关注。 2000年3月,OFDM论坛(OFDMForu:n)成立。山Wi一LAN公司倡导的OFDM论坛,是一个结合硬件制造商、软件公司与其它相关厂商的组织,共同致力于促进单一、兼容的OFDM标准,协调提交到IEEE的OFDM提案。并专门讨论OFDM在技术上、市场推)’‘上的各方面问题,进一步推动OFDM技术的商用化和市场化。 同年7月,IEEE工业标准技术组织IEEE一ISTO成立了宽带Intemet论坛(BwIF)宽带无线Internet论坛(BroadbandWirelessInternetForum,BWIF)BWIF是山一些业界领先的公司组成的一个非营利团体,致力于制定单一、统一的宽带无线接入的工业标准,提供低成本宽带无线接入技术。 OFDM论坛和BWIF构成了OFDM的两大阵营。国外各大通信设备制造公司纷纷对OFDM进行研究,并各自拥有了专利。专利覆盖了OFDM的各项关键技术:同步、均衡、信道估计、发射、功率控制等。其中,在发射、接收、同步方面的专利较多,而对功率控制和减小PAPR的专利较少。Lucent、Cisc。等公司都推出了自己的OFDM无线局域网产品。 OFDM也是适用于无线环境下的高速传输技术,在宽带无线接入(BroadbandWirlesSAceess,BWA)中得到应用,一些公司开发的技术虽然都基于OFDM,但有各自的特色,形成一些专利技术,如Cisc。和losPan公司的vectoroFDM,wi一LAN公司的城debandoFoM和Fxarion公司的Flash一oFoM。 OFDM在国内也引起了很大的研究兴趣,取得不少研究成果。根据中国专利局的检索结果,一书前(截止2004年)国内己申请了28项专利。同时,OFDM技术己经应用于我国的数字电视传输系统。 OFOM技术凭借其固有的对时延扩展较强的抵抗力和较高的频谱效率两大优势迅速成为研究的焦点并被多个国家广泛采用。 OFDM技术将在下列高速率无线通信的标准得以应用。 1.欧洲的地面数字音频广播(ETSIDAB) 2.数字视频广播 3.IEEE无线局域网标准502.11系列 4.高清晰度电视(HDTV) 5.非对称的数字用户环路(AoSL) 6.IEEE无线城域网标准IEEE802.16 7.HiperLAN/2 结束语 至此,所有关于毕设的内容就介绍完了。虽然我花费了一个学期的时间来尽力把毕设做好,但是由于时间和个人能力的原因,整个系统看起来还是显得非常的简单,只介绍了一些最基本的功能。 其实还有许多的地方可以做得更好,比如对OFDM理论部分的学习,对接收端的同步和均衡部分的设计,Viterbi解码的部分,A/D和D/A的部分,FIR滤波器的部分,甚至射频电路的设计等等。这些都成为了遗憾。也许以后有机会还可以在此基础上再做得更好些吧。 我一直认为毕业设计重在过程。确实是这样的。这个毕设的过程,其实也就是我不断学习的过程。在这个过程中我学到了许多新的知识,能力也提高了不少。这些收获给我带来的喜悦远远超过了完成毕设题目时给我带来的喜悦。我相信,以后再做这些设计的时候一定还可以做得更好。 致 谢 首先在这里感谢各位老师在百忙之中抽时间批阅我的论文。 本论文是在大连理工大学城市学院李婷老师的精心指导和大力支持下完成的。她以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。同时,在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于电子信息工程学方面的知识,各个方面都有了很大的提高。 另外,我还要特别感谢我们同小组的各位同学对我论文写作的帮助,关心和鼓励,大家都能够在我遇到困难的时候无私地帮我解答毕业设计过程中的一些疑问,并不时地给我加油打气。这些都是我一点点进步的源泉和动力。在此,我忠心感谢曾经教过我的各位老师以及实习单位的各位师傅的还有同学们的指导和支持。 本次毕业设计虽然结束了,但它却给我留下了很多美好的回忆,面对自己的劳动成果有一种油然而生的满足感和成就感,心里很是安慰。但我觉得最重要的还是这个过程,在这学期的毕业设计中,我收获了很多东西,学习了很多新的知识,每天都会有一些收获,一个学期下来,感觉自己有了很大的提高,心中充满了充实的喜悦感,没有付出,就没有收获。 再一次向所有曾经帮助过我的同学和老师说一声:谢谢你们! 参考文献 [1]佟学俭、罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用.人民邮电出版社,2003。 [2]Juha Heiskala、John Terry著,杨晓春、何建吾等译.OFDM无线局域网.电子工业出版社,2003。 [3]王亚莉,何非,张海林,王育民.一种适用于瑞丽衰落信道的有效的OFDM时频同步体制.《通信学报》,2003年第1期。 [4]黄武襄,王红线.第四代移动通信探讨与展望[J].移动通信, 2003, 27(6): 32-34。 [5] 徐啸涛,赵宏亮.浅谈第四代移动通信系统[J].移动通信, 2003, 27(3): 22-25。 [6]陈如明. 大容量数字微波传输系统工程. 人民邮电出版社,1998,9 [7]王世一. 数字信号处理. 北京理工大学出版社,1987 [8]王文博,郑侃.宽带无线通信OFDM技术[M].北京:人民邮电出版社,2003 [9] Sun Y, Tong L. Bandwidth efficient wireless OFDM. IEEE, November 2001;19(11):2267-2279 [10] WEINSTEIN S B, EBERT P M. Data Transmission by Frequency Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform [ J ]. IEEE Trans Commun Technol, 1971 ,19(5):628-634 [11] A.Chouldy, A .Brajal, S.Jordan “Orthogonal Multicarrier Techniques Applied to Direct Sequence Spread Spectrum CDMA Systems” Proc of Globecom93, 1993. [12]Sensitivity of Orthogonal Frequencydivision Multiple xed Systems to Carrier and Clock Synchronization Errors Signal Processing Steendam, Heidi; Moeneclaey,Marc2000,80(17):1217-1 229 [13]http://www.microelectronic.etechnik.tudarmstadt.de/lectures/winter/vlsi_comms/download/chap2_OFDM_ basics.pdf. OFDM Bas ics for Wireless Communications

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