多载波数字通信 - OFDM理论和应用

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1、多载波数字通信 OFDM 理论和应用前言前言 在过去的几年中，多载波调制特别是正交频分复用（OFDM）已经被成功 的应用于多种数字通信系统中。虽然 OFDM 当前被选择作为重要系统分集的物 理层标准，但是其理论、算法和应用技术仍然是当前一个很值得研究的课题。 这可以从当前技术杂志和会议中有关 OFDM 的大量文章中看出来。 本书的目的是对当前 OFDM 技术理论和应用的发展进行简要的阐述。作者 相信这一时机是成熟的，部分原因是因为本书的各位作者在无线系统或有线系 统的开发中有丰富的经验，本书尝试在不同信道的类型之上对 OFDM 的性能和 应用进行统一的阐述。希望这样不论对于系统的开发者和研究人

2、员以及数字通 信系统有关专业的大学毕业生都是有价值的。 为了简略起见，我们对于一般的通信方面知识的篇幅尽量压缩。这些理论 在很多有关通信理论和技术的书籍中已经讲述了。这本书中仅仅对一些必要的 不特定于多载波调制的基本概念作了简要回顾。 本书中，我们首先对多载波通信的历史作了回顾。在均衡技术提出之前， 在高度色散的信道中使用这种传输技术的优点，长期以来已经得到了人们的认 可。我们将着重讨论 OFDM 技术的带宽利用率，特别是数字信号处理技术使得 OFDM 的调制解调成为了可能。本书描述和分析了 OFDM 的实现中的一些重要 子系统的原理，例如同步、均衡和编码。本书对 OFDM 信号通过不同类型信

3、道 的性能进行了分析。本书中关于 OFDM 的限幅（剪切）效应的讲述是作者的研 究结果，过去还从未被发表过。 本书以对三种非常重要的 OFDM 应用的介绍作为结尾，这三种 OFDM 应用 已经制定了标准并投入实际应用。ADSL 在用户和市话局之间使用普通的电话 线提供了速率达到几 Mbps 的数字接入服务。数字广播提供了高品质的数字化 的音频和视频节目的无线接收。OFDM 可以实现通过地理上分布的发射机同时 广播相同的信号。最后介绍了可以提供几 Mbps 通信速率的无线局域网的新发 展。每一个这些成功的应用都得益于新的基础技术的发展。 多载波调制技术仍然在迅速的发展之中。我们希望此书能够看作对

4、过去多 载波技术的一个有价值的总结，对进一步取得新的进展以及目前有关的核心技 术的理解提供帮助。目录目录第一章 数字通信系统介绍 11背景 12OFDM 的发展 第二章 系统结构 21多载波系统基础 22DFT 23部份 FFT24循环扩展 25信道估计 26附录OFDM 在时变随机信道上性能的数学模型分析 第三章 时不变信道上的性能分析 31具有色噪声的时不变非平坦信道上的性能分析 32错误率 33子载波的比特分配 34对固定比特率的比特和功率分配算法 第四章 多载波系统的限幅（剪切）效应 41简介 42功率放大器的非线性 43误比特率分析 44带宽泄漏 第五章 同步 51OFDM 中的码元

5、定时误差和频率同步误差对性能的影响 52 同步子系统和系统结构 53码元定时和帧同步 54频偏估计 55相位噪声 第六章 均衡 61简介 62时域均衡 63DMT 中的均衡技术 64频域均衡 65回波抵消 66ARMA 模型的联合新息表示法 第七章 信道编码 71为什么要使用信道编码 72OFDM 中的分组码 73卷积编码 74级联码 75OFDM 中的网格编码 TCM 76OFDM 中的 Turbo Coding 第八章 ADSL 81高速率数字服务的有线接入 82线对（电话线）信道的传输特性 83ADSL 系统 第九章 无线局域网 91简介 92无线局域网的物理层技术 93无线局域网中的

6、OFDM 94接收机结构 第十章 数字广播 101数字音频信号的广播102信号格式 103其它的数字广播系统 104数字视频广播 第十一章未来发展 111OFDM 与单载波调制技术的比较 112限幅（剪切）效应的消除 113传输的重叠 114OFDM 与 CDMA 的结合 115OFDM 在实际应用中的进展第一章数字通信系统介绍1 1 背景数字通信物理层的功能一方面是将输入的数字信息映射为某种波形在物理 信道中传输，这时物理信道将引入各种各样的失真和噪声；另一方面在接收端 将接收到的信号波形映射为数字信息，我们希望在接收端恢复的数字信息与发 送端一致1。在概念上形式最简单的数字通信系统是脉冲幅

7、度调制（PAM） ， 如图 1。1 所示。这里被传输的波形可以如下表示： 1.1nnnTtgats)()(这里要传输的信息是，是符号率，是发射滤波器的冲击响应，发射naT/1)(tg滤波器通常是低通。是从符号数为的符号集中选取的。因此比特率为naL。这里假定符号集是零均值和等间隔分布的。的取值集合能写作LT2log/1na1.2.) 1(,),1(LAAALALL假定是等概率的，则发射信号功率为：na1.3dttgTLA)(3122 2图 1。1 基本的 PAM 系统在接收机端，信号经过滤波器，接收机可能包括一个自适应均衡器，然后)(tr 对输出进行取样，将符号集中最接近的符号作为判决输出。为

8、消除符号间干扰， 一种理想化的设计是使，对所有的，是非零整0)(*)()()(trthtgtxkTt k数，其中是信道冲击响应。这就是准则，其在频域表示为：)(thNyquist1.4mconstTmfX)(实现这种无失真传输，所需要的最小带宽是。这种情况的一个特)(txT2/1例是其频率响应在内为常数，其时间响应就是TfT2/12/11.5TtTttx/sin)(为了使得时间响应衰减得更快一些，通常需要占用更宽的带宽，例如使用升余弦滚降方法。这里要注意的是不是匹配滤波器，因为它必须满足符号)(tr 间串扰为零的限制。 如果我们能够得到这样的，使得的符号集各电平之间的间隔仍然是)(tr)0(x

9、，那么当取样点上的噪声满足（这时信号取符号集内部的点）或者A2An （信号为）或者（信号为）时判决出错。如果接An ) 1( LAAn) 1(LA收端噪声为具有功率谱密度为的高斯噪声，则噪声的方差为)( fN1.6dffRfN22)()(并且符号错误概率为1.7AQLLPe) 1(2其中1.8 xydyexQ2/221)( 是归一化错误概率函数。图 1。2 基本的 QAM 系统PAM 仅仅适用于有效频带最低可达到零频率但不一定包括零频率的信道。 如果信道不允许零频成份，就需要使用一种调制技术将信号频谱设定到指定的 频带上。满足这种要求的一种调制技术是 QAM，它同时也是 OFDM 中用到的 一

10、种技术。最简单的 QAM 如图 1。2 所示，可以看作是分别被两路同频正交载 波调制后的 PAM 信号的叠加。在接收端使用相同的同频正交载波解调分离出 两路不同信号。与其它的一些调制方式例如 FM 不同，QAM 的频带利用率高， 在相同的比特率下，QAM 所需要的带宽与 PAM 相同。而且 QAM 在噪声中的 性能与 PAM 是相近似的。 QAM 调制信号可以表示为：1.9nn nntnTtgbtnTtgasin)(cos)(它也可以写为另一种形式：1.10 ntj nenTtgc)(Re其中两个实信号码元和可以看作是一个复信号码元。传输这nanbnnnjbac样的复信号码元的所需带宽为。复信

11、号码元值可以用复平面的星座图来表T/1 示。图 1。3 是 16 点 QAM 信号的星座图，它可以用 4 点 PAM 来合成。图 1。3 一种 QAM 星座图星座图不一定是正方形的。图 1。4 显示了如何将输入信息码元任意的映射为星 座点。具有更接近圆形边界的星座图的信号具有更好的抗噪声性能。通过将 n 个连续的复信号码元组成一个单元，我们可以将这种单元看作是在 2n 维空间上的符号。在这种情况下，图 1。4 能够进一步扩展，使其具有更大的能够容纳 n 个符号中所有比特的串并转换器，和一个有 2n 个输出的查找表。图 1。4 QAM 调制的一般结构 13OFDM 的发展正交频分复用（OFDM）

12、的应用可以追溯到一个世纪以前，那时很多个低 速率的信号，例如电报，分别使用多个不同的载波频率和相对较宽的带宽进行 传输。为了方便在接收端能够将信号区分出来，各个载波频率之间间隔足够远， 以使得信号频谱不相互交叠。各载波频率之间间隔的频谱区间可保证接收端可 以使用很容易实现的滤波器将信号分离开来。结果导致频谱利用率非常低。 另一种方法是使用不同频率的载波来传送单个高速率信息流的不同比特， 而不是使用它们分别传输不同的信息流。这种情况下，信号源应该采用并行输 出，或者串行的信号源输出通过一个串并变换器之后的成为并行输出。 在同一种信道下可以将这种并行传输技术与单载波高速率的串行传输技术 进行比较。

13、对于并行系统如果直接采用多对发射机和接收机来构成，与单载波 系统相比，其实现起来的代价当然更高。并行系统中每一个子信道将传输低速 率的信息流，速率由子信道的带宽决定。所有子信道的信息率之和一般小于在 与并行系统相同的带宽下采用单载波串行传输方案的信息率，这是由于在并行 系统子载波之间存在一些保护间隔。但在另一方面，单载波系统更容易产生符 号间串扰。这是由于串行高速率传输的每个信息码元的周期短，占用带宽较宽， 并行传输的每个子信道上码元周期长，占用带宽窄，从而串行高速率传输容易 引入更大的失真。在均衡技术产生之前，虽然需要更高的造价以及它的频带利 用率低，但并行传输技术是在色散信道上实现高速率传

14、输的有效方法。并行传 输技术的一种额外的优点是它能抵抗多种形式的脉冲噪声。 第一种解决带宽有效性问题（不是复杂性问题）的多音频传输系统也许是 “Kineplex”系统。 “Kineplex”系统是由 Collins Radio Co.2开发的，用于在具 有严重多径衰落的 H.F.无线信道中的进行数据传输的目的。在此系统中，有 20 个子载波，每个子载波上采用差分 4-PSK 调制，没有基带滤波器。因此各自载 波形状的频谱非常严重的相互交叠。然而，与现代的 OFDM 类似，fkf / )sin( 各子载波之间的频率间隔几乎等于码元速率，因此在接收端能够将其区分开来。图 1。5 所示为“Kinep

15、lex”系统的接收机方案。每个子载波通过一对调谐 电路检测接收的信号。不同子载波的信息码元被选通进入相应的两个调谐电路 之一，在这一个调谐电路中将当前收到的信息码元在下一个信息码元到达的时 间内进行保持。两个调谐电路的输出信号比较相位差，就得到传输的信息。两 个调谐电路中保存的码元较旧的一个就将其保存的码元删除并且允许输入下一 个码元。这项技术的关键是每个调谐电路对与其对应子载波之外的其它子载波 的时间响应在选通门打开的一段时间后为零，这就要求选通门打开的这一段时 间等于子载波之间频率间隔的倒数。选通门打开的时间比码元周期略短，以消 除码间串扰，但仍然可以获得达到速率 70%的频带利用率。虽然

16、采用Nyquist 了很高的造价，但是在实际的 H.F.信道上获得了很好的性能。由于完全采用晶 体管实现，系统的体积是两大个机柜。图 1。5 Collins 公司的 Kineplex 接收机一种后来实现的多载波系统在每个子载波上使用 9 点的 QAM 调制，接收 机使用相关检测。子载波之间的频率间隔等于码元速率，这样达到了最优的频 谱利用率。这项技术的另一个特点是在频域使用了简单的编码。 上面的这种方法确实满足了以码元速率为间隔的多载波信号之间的正交性 要求。然而每个子载波上形状的频谱特性不够理想。这样注定大量子fkf / )sin( 载波之间的频谱相互交叠。并且，由于最低和最高的两个子信道的频谱衰减较 慢，使得整个多载波系统的频谱占用更大的空间。由于这些原因，我们希望每 个子信道的频谱带限，仅