2010.2數(shù)據(jù)通 信ForumOFDM技術研究鄧彩楊毅(重慶大學通信工程學院重慶40004)摘要:正交頻分復用是第四代移動通信的核心技術之一,文章闡述了OFDM技術的發(fā)展過程，介紹了OFDM系統(tǒng)的基本原理;根據(jù)OFDM技術的實際運用,討論了系統(tǒng)的優(yōu)缺點并提出了目前OFDM系統(tǒng)的關鍵技術。關鍵詞:正交頻分復用;調制解調;循環(huán)前綴1 OFDM技術的發(fā)展概述在過去的幾十年中,0FDM技術得到廣泛應用。多載波調制是一種頻分復用技術。 在60年代中在有線通信中 ,非對稱數(shù)字用戶線路(ADSL)采用離期,R.W.Chang"提出了OFDM系統(tǒng)的基本原理。與傳散多 音頻DMTDiscrele Muli-Tone)調制技術,動態(tài)分統(tǒng)的系統(tǒng)相比,新系統(tǒng)的主要特點是頻譜相互重疊，配各個 子信道的能量及比特數(shù),提供N Mits的傳輸并且滿足正交性。Chang的論文發(fā)表不久Salzberg2速率 ,其中DMT是0FDM技術的一一種應用。 在無線通在分析了OFDM系統(tǒng)性能后得出了一-個重要的結論，信中 ,0FDM技術得到了更好的應用，尤其在無線多OFDM符號在無線信道傳輸過程中,色度亮度干擾對徑環(huán)境中 ,0FDM技術具有很強的抗干擾性能。目前系統(tǒng)性能的影響比相鄰信道間干擾產(chǎn)生的影響更OFDM作 為核心技術已經(jīng)被多種無線接人標準采納:強。1971年,Weinstein和Eher!首次提出 了運用離散在 無線局域網(wǎng)領域的EEE802.11、歐洲數(shù)字音頻廣傅里葉逆變換(IDFT)和離散傅里葉正變換(DFT)實播 (DAB)和數(shù)字視頻廣播(DVB)網(wǎng)高清晰度電視現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的基帶調制和解調。從而大大降低了多(HDTV)、中國移 動多媒體廣^播(CMMB )無線城域網(wǎng)載波系統(tǒng)的實現(xiàn)復雜度,為OFDM技術演進做出了巨標準IEE802.167等等。 同時,0FDM除了作為- -種傳大的貢獻。由于數(shù)字信號處理技術的快速發(fā)展，輸技術， 還具有支持多用戶接人的能力。正因為OFDM系統(tǒng)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實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的調制和解調。入方式結合成衍生系統(tǒng)，因此在B3C/4G標準中, .當信息數(shù)據(jù)通過多徑衰落信道時，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。等通過插人- -段空白區(qū)作為保護間隔來消除ICI,但這種方法不能保證經(jīng)過色散信道后各子載波之間仍2 OFDM系統(tǒng)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(tǒng)的完整框圖。念,用來消除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)送信號首先進行基帶調制(如展的部分填充到Weinstein等所提到的空白區(qū)域。當BPSK .QAM等),將二進制信號映射為復數(shù)信號,但CP的長度大于信道的最大時延擴展時，經(jīng)過多徑色基帶 調制的效率和調制后的復數(shù)信號間的干擾成反散信道后OFDM系統(tǒng)的誤碼率最小。CP的長度將會影比關中國煤化工儒要選擇不同的響OFDM符號的有效長度,但是采用循環(huán)前綴對系統(tǒng)基帶調CNMHG然后經(jīng)過串并轉性能的提高遠超過了符號有效長度的丟失。換，再利用離散傅里葉逆變換完成多個子載波的調收稿日期:2010-03-24 17論壇Forum數(shù)據(jù)通信2010.2現(xiàn)。(4)無線通信業(yè)務的需求是非對稱的,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(shù)據(jù)傳輸能力要強于上行要求。0FDM系統(tǒng)通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。(5)0FDM系統(tǒng)由多個子信道組成。同-時刻每個子信道的頻率選擇衰落深度是不同的,因此可以通過動態(tài)子信道分配或動態(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(tǒng)的性能。(6)0FDM由圍1 OFDM系統(tǒng)框圖于自身的特點，易于與其他多種接人方法相結合,構制工作,實際系統(tǒng)中通常采用FFT變換。為了消除符成正交頻分多址系統(tǒng)。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(shù)模變換，MA OFDMA等,使得多個用戶可以同時利用0FDM技即可將信號發(fā)送到物理信道之上。在接收端,執(zhí)行上術進行信息的傳輸。述過程的逆過程,不同處在于,在DFT變換后加入信3.2 OFDM系 統(tǒng)的缺點道估計過程，通過信道估計方法獲得參考消息處的由于OFDM系統(tǒng)的每個符號是通過多個正交的信道狀態(tài)，再通過各種算法得到系統(tǒng)各個子信道的子載波傳輸,因此輸出的每個OFDM符號是多個子信頻率響應,利用此信息對已調信號進行解調,獲得發(fā)道傳輸信息疊加的結果。送端基帶數(shù)據(jù)信息。與單載波系統(tǒng)相比,0FDM系統(tǒng)存在以下缺點:(1)OFDM系統(tǒng)性能容易受到頻率偏差的影響.OFDM3 OFDM系統(tǒng)的優(yōu)缺點系統(tǒng)的子載波之間是相互重疊的，因此對其正交性3.1 OFDM系統(tǒng)的優(yōu)點要求特別嚴格。無線信道在傳輸過程中會引起無線OFDM技術的子載波經(jīng)過調制后頻譜相互重疊,信號頻譜偏移,同時,發(fā)射機與接收機的本地振蕩器并且滿足正交性提高了頻譜的利用率,極大地降低之間也 會存在頻率偏差,這些因素都會破壞OFDM系了子載波之間的干擾。統(tǒng)子載波之間的正交性,導致子信道間干擾(CN)。(2)OFDM技術具有以下優(yōu)點:(1)高速宰數(shù)據(jù)流經(jīng)OFDM 系統(tǒng)存在較高的峰值平均功率比。0FDM系統(tǒng)過串并轉換后，每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)時間的輸出是 多路信號的疊加，當各路信號的相位一致變長,進而降低了由于多徑衰落帶來的ISI,可以不采時 ,疊加后的幅度值會遠遠大于信號的平均功率,導用均衡器，僅通過插人循環(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法來消除ISI對系統(tǒng)的不利影響。(2)傳統(tǒng)的頻分多路Power Ratio)o這就要求發(fā)射機內放大器的線性性能非傳輸方法是將整個頻帶劃分成為若干個不相互重疊常好， 如果放大器的動態(tài)范圍不滿足信號的變化,則的子信道,為了子信道間不產(chǎn)生干擾，每個子信道間可能帶 來信號的畸變,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,還采用各 個子信道間的正交性,產(chǎn)生干擾,惡化系統(tǒng)的性能。帶通濾波器。而OFDM系統(tǒng)的各子信道的頻譜是相互重疊的,并且滿足正交性。因此與傳統(tǒng)的頻分復用系4 OFDM系統(tǒng)的關鍵技術統(tǒng)相比，可以最大限度地利用頻譜資源且極大地降在實際應用中,0FDM系統(tǒng)需要解決的關鍵問題低了干擾。(3 )OFDM符號的各個子信道的調制和解包括以下幾個方面: .調可以通過采用離散傅里葉反變換(IDFT)和離散傅同步技術:同步性能好壞對OFDM系統(tǒng)的性能影里葉變換(DFT)的方法實現(xiàn)。對于子載波數(shù)很大的系響很大。OFDM系統(tǒng)中的同步包括載波同步、符號同統(tǒng)，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(tǒng)相同,載波來實現(xiàn)信息的調制解調。隨著大規(guī)模集成電路技術同步是YHCN MH G干解調，而符號和數(shù)字信號處理技術的發(fā)展,IFT與FFT非常容易實同步是為了標記OFDM符號塊,起到區(qū)別每個符號的18論壇匕2010.2數(shù)據(jù)通信Forum邊界。因為每個OFDM符號包括N個樣值,此樣值同步自適應技術:采用OFDM技術的好處是可以根據(jù)是為了使接收端與發(fā)送端的取樣時刻- -致。OFDM系信道的頻率選擇性衰落情況， 進而動態(tài)的調整子載統(tǒng)的同步分為捕獲和跟蹤兩個階段,對于突發(fā)式的波 上的發(fā)射功率,獲得系統(tǒng)性能的優(yōu)化。在多用戶情數(shù)據(jù)傳輸,一般是通過發(fā)送輔助信息來實現(xiàn)同步。與況下 ,如何合理地為每個用戶最優(yōu)地分配系統(tǒng)資源，單載波系統(tǒng)相比,OFDM系統(tǒng)對同步精度要求更高，使 系統(tǒng)的發(fā)送功率最低或傳輸速率最高是-個非常同步偏差將會引起OFDM系統(tǒng)中的ISI和ICI。復雜的問題。OFDM系統(tǒng)的自適應技術還應考慮頻率信道估計:在接收端實現(xiàn)解調有相干解調和非分組 、時間間隔信道總時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,因此在實際的移動通信系統(tǒng)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)進行準確估計。信道估計從發(fā)射天線到接收天線之間的無線信道的頻率響應,即[1] R.W.Chang.Synthesis of band-limited orthogonal signals for根據(jù)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接收序列來辨識信道的傳輸特性。OFDM系統(tǒng)是估計[2] B.Salzberg.Performance of an Eficient Parallel Data Transmis-出每個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:在時域中,0FDM信號表現(xiàn)為N個正[3] s .Weinstein.Dale tansmission by frequency division multi-交子載波信號的疊加,當這N個信號恰好均以峰值相plexing u8ing the discrete fourier tranform.IEE Trans.On加時,0FDM信號將出現(xiàn)最大峰值，此時的峰均功率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線性度。OFDM系統(tǒng)的性能降低會直接影響實際應[5] Radio bradasting stem:Digtal Audio Bradasting (DAB)to用,為了解決這一問題,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。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，通常在實際應用中同時采用信道編碼和交織來Bradband W reless Access Systems.2004改善整個系統(tǒng)的性能。OFDM系統(tǒng)的結構便于在子載波間進行編碼,形成COFDM方式。編碼可以采用如分作者簡介:鄧彩，重慶大學通信工程學院碩士研究生,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、無線通信;楊毅,重慶大學通信工程學院碩士研究生,主要研究方向是MIMO技術OFDM信道估計。■(上接第16頁)復用光器件的成本尤其是無源光器件的成本大幅度社,2003下降，質優(yōu)價廉的WDM器件不斷出現(xiàn)，未來[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- -步conm/info/news_ show/infn_ id20947/page_ break, 2008,11[3]魯俊鵬挑戰(zhàn)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MYHC N M H G司第二十八研究所,[1] Waler CGoralski.光網(wǎng)絡與波分復用[M].北京:人民郵電出版主要從事通 信系統(tǒng)集成方面的研究與工作。■19