ofdm原理及其应用(本科生毕业设计论文)

ofdm原理及其应用(本科生毕业设计论文)内容摘要：

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 31 所示。 图 31 在 OFDM 系统中，可用带宽分割成许多子载波 图 32 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 sin ( )c fT 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 32，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 sinc 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。 频率 频率 带宽 带宽 导频子载波 数据子载波 1 数据子载波 2 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 和 ETSI（欧洲通信标准学会）的 HiperLAN/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。 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 31 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 31 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*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= 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=,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 33 和图 34 所示。 图 33 传统的频分复用多载波技术 f 图 图图 34 OFDM 多载波调制技术 正交频分复用（ OFDM） 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 35， 图 36 所示。 为了表达简单，忽略了在通信系统中常用的滤波器。 0nC 1nC1nNC ()St2j fte 2j fte 2j fte  图 35 OFDM 调制器 节省带宽 f 0T()1T()NT()0T1TNT0nC1nC1nNC 12 tjfe 22 tjfe 12 tNjfe   图 36 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： 1.0( ) ( )Nn k k snks t C g t nT    （ ） 其中： 12 tNjfe   （ ） 及： () 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： ( ) ( )nnS t F t  （ ） 因此 Fn(t)对应于符号组 Cn,k(k=O， 1， … ， N1)，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： 00( ) ( ) ( ) ( ) 0 SSTn m STnmg t g t dt T m ng t g t dt m n （ ） 因此解调器将完成以下运算： ( 1 ). 1 ( ) ( )ssnTn k knTsC s t g t dtT  （ ） 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： （ ） 这样，利用前面的关系式，我们可得：  12 / 2 /..0( ) [ ]Nj fm N j k m Nn n k n kkF m e C e N I D F T C   （ ） 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 Transform， 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37 给出基于 FFT 的 OFDM 通信系统。 串 并 转换（ s / p ）并 串 转换（ P / S ）插 入 循环 前 缀（ C P )快 速 傅 里叶 反 变 换（ I F F T )信 号 映射（ a） 发射端 去 除 循环 前 缀（ C P ）串 并 转换（ s / p ）快 速 傅 里叶 变 换（ I F F T )信 号 逆映 射并 串 转换（ P / S ）（ b） 接收端 图 37 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。