OFDM正交频分复用技术

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1、正交频分复用技术及其应用图1正交频分复用信号频谱示意图摘要：简述了正交频分复用技术的发展及特点，论述了其原理及实现方法，构建了 OFDM系统的实现框图，并进行 了计算机仿真。最后介绍了几种典型应用。关键词：正交频分复用（OFDM）多载波调制随着通信需求的不断增长，宽带化巳成为当今通信技术领域的主要发展方向之一，而网络的迅速增长使人 们对无线通信提出了更高的要求。为有效解决无线信道中多径衰落和加性噪声等问题，同时降低系统成本， 人们采用了正交频分复用（OFDM）技术。OFDM是一种多载波并行传输系统，通过延长传输符号的周期，增 强其抵抗回波的能力。与传统的均衡器比较，它最大的特点在于结构简单，可

2、大大降低成本，且在实际应 用中非常灵活，对高速数字通信量一种非常有潜力的技术。1正交频分复用（OFDM ）技术的发展OFDM的概念于20世纪5060年代提出，1970年OFDM的专利被发表1，其基本思想通过采用允许子信道 频谱重叠，但相互间又不影响的频分复用（FDM）方法来并行传送数据OFDM早期的应用有AN/GSC_10（KATHRYN ）高频可变速率数传调制解调器等1。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，系统复杂且昂 贵。1971年Weinstein和Ebert提出了使用离散傅立叶变换实现OFDM系统中的全部调制和解调功能3的 建议，简化了振

3、荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案作 了理论上的准备。80年代以后，OFDM的调制技术再一次成为研究热点。例如在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT 完成的OFDM调制技术，试验成功了 16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM4。图2 OFDM调制器1984年，Cimini提出了一种适于无线信道传送数据的OFDM方案5。其特点是调制波的码型是方 波，并在码元间插入了保护间隙，该方案可以避免多径传播引起的码间串扰。进入90年代以后，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

4、、 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）、 数字声广播（DAB）及高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统。0*i/r湖(dM)信道VTA(th珈-1)数据解码器对 n(%K)图3 OFDM解调制2 OFDM的原理OFDM技术是一种多载波调制技术，其特点是各副载波相互正交。设fm 是一组载波频率，各载波频率的关系为：fm=f0+m/T m=0,1,2, N-1(1)式中，T是单元码的持续时间，f0是发送频率。作为载波的单元信号组定义为16:国 0,Tto其它心式中l的物理意义对应于“帧”(即在第l时刻有m路并行

5、码同时发送)。其频谱相互交叠，如图1所示。从图1可以看出，OFDM是由一系列在频率上等间隔的副载波构成，每个副载波数字符号调制，各载波上的 信号功率形式都是相同的，都为sinf/f型，它对应于时域的方波。m(t)满足正交条件L 牝(。叩m,。)也二0m砂冰 (3)以及切乂)由=(4)其中符号“ *”表示共轭。当以一组取自有限集的复数Xm,l表示的数字信号对祖m调制时，则:00s(t)= sr(t)= X 知牌0 1= 一址=-tA m - 0此S (t)即为OFDM信号，其中Sl (t)表示第l帧OFDM信号，Xm,l(m=0,1,，N-1) 为一簇信号点，分别在第l帧OFDM的第m个副载波上

6、传输。在接收端，可通过下式解调出Xm,lS啊乍)义(6)这就是OFDM的基本原理。当传输信道中出现多径传播时，在接收副载波间的正交性将被破坏，使得每个副 载波上的前后传输符号间以及各副载波之间发生相互干扰。为解决这个问题，就在每个OFDM传输信号前插 入一保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展而来。只要多径时延不超过保护间隔，副载波间的正交性就 不会被破坏。3 OFDM系统的实现由上面的分析知，为了实现OFDM，需要利用一组正交的信号作为副载波。典型的正交信号是1,cosQt,COs2 Qt,，cosmQt,，sinQt,sin2Qt，sinmQt,。如果用这样一组正交信号作为副载波，以码元

7、周期为T 的不归零方波作为基带码型，调制后经无线信道发送出去。在接收端也是由这样一组正交信号在0,T内分 别与发送信号进行相关运算实现解调，则中以恢复出原始信号。OFDM调制解调基本原理见图2、图3所示。 在调制端，要发送的串行二进制数据经过数据编码器(如16QAM)形成了 M个复数序列，这里D(m) =A (m) -jB(m)。此复数序列经串并变换器变换后得到码元周期为T的M路并行码(一帧)，码型选用不归零方波。 用这M路并行码调制M个副载波来实现频分复用。所得到的波形可由下式表示：M l京+8(时血1莅就(7)式中：sm=2nfm，fm=f0+mAf，Af=1/T为各副载波间的频率间隔；f

8、0为1/T的整倍数。在接收端，对d(t)用频率为fm的正弦或余弦信号在0,T 内进行相关运算即可得到A(m)、B(m)，然后经 并串变抵达和数据解码后复原与发送端相同的数据序列。这种早期的实现方法所需设备非常复杂，当M很大时，需设置大量的正弦波发生器，滤波器、调制器及相 关的解调器等设备，系统非常昂贵。为了降低OFDM系统的复杂度和成本，人们考虑利用离散傅立叶变换(DFT)及其反变换(IDFT)来实现上 述功能。上面(7)式可改写成如下形式：d(E)二Re 由(8) 如对d(t)以fs=N/T=1/(At)(N为大于或等于M的正整数，其物理意义为信道数，在这里N=M)的抽样速率 进行采样(满足

9、fs2fmax,fmax为d(t)的频谱的最高频率，可防止频率混叠)，则在主值区间t=0,T内 可得到N点离散序d(n)，其中n=0,1,，N-1。抽样时刻为t=nt，则:财Tjd(?i)=Re 弭=0可以看出，上式正好是D (m)的离散傅立叶逆变换(IDFT)的实部，即：d(n)=ReIDFTD(m) (10)这说明，如果在发送端对D (m)做IDFT，将结果经信道发送至接收端，然后对接收到的信号再做DFT，取 其实路，则可以不失真地恢复出原始信号D (m)。这样就可以用离散傅立变换来实现OFDM信号的调制与 解调，其实现框图如图4所示。读取波形文件串并变换用DFT及IDFT来实现OFDM

10、系统，大大降低了系统的复 杂度，减小了系统成本，为 OFDM的广泛应用奠定了基 础。数据分串行数据数据编码加入信道噪声4 OFDM实现方式 的计算机仿真由上节可知，要实现OFDM逐原波形文件读取波形文件图5多载波调制方式的计算机模拟流程图串并变换对复数矩阵进行1FIT变换I一加入信道噪声FFT变换取实部可以采用传统的多路正交副载波调制的方式，也可以采用傅立叶变换的方式， 这两种方式所组成的系统复杂度和成本有很大差别。目前实用的OFDM系统均采 用了傅立叶变换的实现方式，该方式与传统方式相比，大大简化了系统的构成， 降低了成本。这里用计算机仿真方法对两种方式进行模拟，进一步说明两种方 式具有相同

11、的系统效果。仿真系统用Matlab来实现，源数据采用一波形文件，采样后共有680个串行数 据，将其分为34帧，每帧的20个数据分别构成10路进行码的实部和虚部。在多路正交副载波调制方式中，用20个正交的三角波对10路码分别进行调制， 将结果相加作为巳调波。在接收端再用这20个三角波对接收波进行相关解调， 将解调数据与源数据进行比较。程序流程图见图5。在傅立叶变换方式中，使用快速傅立叶算法，直接对每帧数据进行IFFT，得到 巳调序列。在接收端对接收到的序列进行FFT，还原出原始数据。程序流程图 如图6所示。为了模拟无线通信环境，在信道中加入低幅度的高斯噪声。图7为源数据波形 与通过两种方式得到的

12、OFDM输出波形。可以看出，两种方式获得了相同的系统 效果。5 OFDM系统在宽带通信中的应用（1）数字声广播工程（DAB）欧洲的数字声广播工程（DAB）-DABEUREKA147计划巳成功地使用了 OFDM技术。 为了克服多个基站可能产生的重声现象，人们在OFDM信号前增加了一定的保护还原波形文件图6 DIT方式的计算机模拟和程图时隙，有效地解决了基站间的同频干扰，实现了单频网广播，大大减少整个广播占用的频带宽度。(2) 高清晰度电视(HDTV)由于现有的专用DSP芯片最快可以在100 u s内完成1024点FFT，这正好能满足8MHz带宽以内视频传输的 需要，从而为应用于视频业务提供了可能

13、。目前，欧洲巳把OFDM作为发展地面数字电视的基础；日本也将 它用于发展便携电视和安装在旅游车、出租车上的车载电视。(3) 卫星通信VSAT的卫星通信网使用了 OFDM技术，由于通信卫星是处于赤道上空的静止卫星，因此OFDM无需设置保护 间隔，利用DFT技术实现OFDM将极大地简化主站设备的复杂性，尤其适用于向个小站发送不同的信息。(4) HFC 网HFC(Hybrid Fiber Cable)是一种光纤/同轴混合网。近来，OFDM被应用到有线电视网中，在干线上采用光 纤传输，而用户分配网络仍然使用同轴电缆。这种光电混合传输方式，提高了图像质量，并且可以传到很 远的地方，扩大了有线电视的使用范

14、围。(5) 移动通信在移动通信信道中，由多径传播造成的时延扩展在城市地区大致为几微秒至数十微秒，这会带来码间串扰， 恶化系统性能。近年来，国外巳有人研究采用多载波并传16QAM调制的移动通信系统。将OFDM技术和交织 技术、信道编码技术结合，可以有效对抗码间干扰，这巳成为移动通信环境中抗衰落技术的研究方向。OFDM技术是近来年得到迅速发展的通信技术之一，由于其可以有效地克服多径传播中的衰落，消除符号间 干扰，提高频谱利用率，巳在宽带通信中获得了广泛的应用。在早期的OFDM系统中，采用一组正交函数作 为副载波，需要使用大量的正弦波发生器及调制解调器等，系统复杂，成本高。采用傅立叶变换方式可以 有效地降低系统复杂度，减小系统成本。对这两种实现方式的计算机仿真表明，两种方式具有相同的系统 效果。