江苏大学通信原理OFDM自学报告

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1、OFDM 自学报告电信科技 1202沈丹婷3120504033OFDMOrthogonal Frequency DivisionMultiplexing正交频分复用技术OFDM 在 4G 中的应用一、简介OFDM含义是正交频分复用技术，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为 载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。OFDM系 统具有频谱利用率高、抗多径干扰等特点，能够有效地抵抗无线信道带来的影响， 包括信道的频率选择性衰落、脉冲噪声和共信道干扰的影响。OFDM还易于结 合空时编码、分集、干扰(包括ISI和ICI)抑制以及智能天线等技术，最大限度地 提高物理层信息传输的可靠

2、性。 1二、发展背景及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

3、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。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。数据传输速率是各代的卞要区别之1G提供模拟语音服务和简

4、中的信令，了 专输速率约2. 4kbps ; 2G中用户传输速率为9. 6kbps，要传输数字语音夕也可以同 时使用多个时隙实现相对较高速率的数据通信，3G数据传输速率最高达7Mbps， 其中静比环境为2Mbps，慢速移动环境为384kbps，快速移动环境为144kbps，卫 星移动通信为9. 6kbp:而4G在低速移动的局部区域范围内可达到lGbp:的数据传 输速率，在高速移动的大区域范围内夕可提供lOOMbp:的峰值数据速率相比各代 系统而言，4G数据传输速率高得多这就要求4G在技术上需要有质的飞跃，而 小仅仅是在3G的基础上加以改进。2OFDM技术在4G移动通信系统中的应用 正交频分复用

5、(OFDM)是一种特殊的多载波数字调制技术。不像常规的单载 波技术，如AM/FM(调幅/调频)在某一时刻只用单一频率发送单一信号,OFDM在 经过特别计算的正交频率上同时发送多路高速信号。OFDM技术的最大优点是 对抗频率选择性衰落或窄带干扰,同时又提高了频谱利用率。OFDM已经吸引了 许多世界级电信设备制造商包括Alcatel-Lucent,Nortel(北电网络),Cisco,Nokia等 公司的极大兴趣和认可,纷纷开始对其关键技术和标准进行研究和开发,希望能够 在无线通信领域新的潜在市场中首先占领制高点，一些公司希望OFDM能推动更 高速的第四代移动通信系统(4G)的形成。人们开始集中越

6、来越多的精力开发 OFDM技术在移动通信领域的应用，在无线宽带接入及未来4G领域中,OFDM技 术都将成为继CDMA技术之后的又一核心技术。3三、基本原理(1)正交频分复用的基本原理可以概述如下;把一路高速的数据流通过串并变 换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输。在频域内将信道划分为 若干相互正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过 各个子信道独立地进行传输。(2)由于多径传播效应会造成接收信号相互重叠，产生信号波形间的相互干 扰，形成符号间干扰，如果每个子信道的带宽被划分的足够窄，每个子信道的频 率特性就可近似看作是平的，如图1 所示。在接收端不需要使用复杂

7、的信道均衡 技术即可对接收信号可靠地进行解调。在OFDM系统中，通过在OFDM符号之 间插人保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，及消除由于多径传播效应所引 起的OFDM符号间的干扰。因此，OFDM特别适合于在存在多径衰落的移动无 线信道中高速传输数据。(3) OFDM与CDMA技术的比较分析作为 4G 中的核心技术， 4G 通信系统在频谱利用率、高速率多媒体服务的 支持、调制方式的灵活性及抗多径信道干扰等方面优于3G通信系统。这主要缘 于4G采用的OFDM技术与3G中采用的CDMA技术在其技术特点上存在着差 异。下面就从抗多径干扰、调制技术以及峰均功率比这三个方面对 OFDM 与 CDMA

8、的技术特点进行对比分析。1 抗多径干扰。a.无线信道中，由于信道传输特性不理想容易产生多径传播效应，多径传播 效应会造成接收信号相互重叠，产生信号波形间的相互干扰，使接收端判断错误， 从而严重地影响信号传输的质量，易造成符号间干扰。b. CDMA系统中，为了减小多径干扰，CDMA接收机采用了分离多径(RAKE) 分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源,RAKE接收机提供 一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等。c. OFDM将高速率的信号转换成低速率的信号，从而扩展了信号的周期，减 弱了多径传播的影响，同时通过加循环前缀的方式，使各子载波之间相互正交， 减少了 ISI和各信道间

9、的干扰，在4G的多媒体通信中能够提高通信质量。2 调制技术。a. CDMA系统中，下行链路采用了多载波调制技术，但每条链路上的调制方 式相同，上行链路不支持多载波调制，这使得CDMA系统丧失了一定的灵活性; 同时，由于此链路的非正交性，使得不同调制方式的用户会产生很大的噪声干扰。b. OFDM的上、下行链路都采用多载波调制技术，并且每条链路中的调制方 式也可以根据实际信道的状况/自适应调制0从而更加灵活。在信噪比(SNR)满 足一定要求的前提下，对质量好的信道可以采用高阶调制技术(16QAM等);在信 道质量差的情况下，可以采用低阶调制技术(QPSK等)，从而使系统可以在频谱利用率和误码率之间

10、得到最佳配置。3 峰均功率比。a. 峰均功率比就是峰值与均值的功率比，定义为信号的最大峰值功率和同一 信号平均功率之比，简称峰均比。b. 在实际应用中这是一个不容忽视的重要因素。因为较高的PAPR将导致发 送端对功率放大器的线性要求也较高，这意味着要设备的功耗将增大，因此就要 提供额外功率、电池备份和扩大设备的尺寸，从而导致设备成本的提高。c. CDMA系统的PAPR 一般在5 一 11dB，并会随着数据速率和使用码数的 增加而增加。OFDM信号是由多个独立的经过调制的正交子载波信号叠加而成, 这种合成信号有可能产生比较大的峰值功率，从而带来较大的 PAPRod. 综上所述，在抗多径干扰、调制

11、技术方面，OFDM的性能优于CDMA技 术，并且可以通过其他技术来降低其峰均功率比。与第三代移动通信系统相比， OFDM 以其更加灵活的调制方式、更强的抗多径干扰的能力以及更高的频谱利 用率，全面提高了 4G通信系统的性能，改善了 4G移动业务的服务质量，并且 大幅度降低了 4G通信系统的成本，因而成为4G中不可或缺的核心技术。4(4)OFMD 的主要种类 许多大的通信公司和研究团体都在积极进行 OFDM 的应用研究，日前开发出来 的将要应用在4G中的OFDM技术主要有以下几种：W-OFDMWi-LAN公司开发 W-OFDM(宽带OFDM, Widcband OFDM)，已经正式通 过IEEE

12、组织的认证，成为IEEE 802.16。标准(无线城域网的国际通用标准)中的 物理层调制技术 W-OFDM 在正交信道之问引入额外频率空问，通过在 W-OFD M 数据的每帧插入此已知数据来减小频率选择性衰落的影响，并且对()FDM传输中存在的非线性问题有了更高的容 忍度此外， W-OFDM 能够减小对邻近链路的十扰，使得独立的信道可以采取点 对点和点对多点的力式来组网V-OFDM由Iospxn公司和Cisa，公司开发V-OFDM(矢量OFDM , VectorOFDM)该系 统使用空问分集技术，利用多重信号发射以提高带宽，使用特殊天线和信号处理 来实现MIMO-OFDMMIMO ( Mult

13、iple Input Multiple Output )即多输入多输出它利用多发射和 多接收天线进行空问分集的技术各发送天线同时发送的信号占用同频段，所以在 没有增加带宽的情况下，成倍地提高了系统的容量和频谱利用率而 OFDM 是将 信道分成若十正交J性信道，将串行的高速数据流转换成并行的低速J性数据流, 用来调制。5(5) OFMD 技术需要克服的缺陷1 该系统对相位噪声和频率偏移很敏感各个子载波之间的正交性皆因 OFDM 系统受到了格外严格的要求，该系统 的主要缺点足对频率偏差很敏感。OFDM系统子载波之间的正交性都会因为无 线传输信道存在的时变性遭到破坏，除此之外，也会因为发射机载波频率

14、与接收 机本地振荡器之间存在的频率偏差受到破坏，进而使得子信道之间的信号相勺_ 受到干扰。此外，在接收端进行 FFT 变换之前，必须估计并补偿频率偏差，从而确保子 载波之间的正交性顺利的维持卜去。对于频率的估计可以选择循环前缀的方法， 利用这一特性，司一将信号延迟后与原信号进行相关运算。2 存在较高的峰值平均功率比由于 OFDM 系统的输出足多个子信道信号的鲁加，当多个信号同相时，所 得H.加信号的瞬时功率就会远远超过信号的平均功率，导致出现较大的峰值平 均功率比(PAPR-Peak to AveragePower Ratio)。目前降低 OFDM 信号 PAPR 的 算法总体上可分为二类:信

15、号预畸变算法(主要有压缩变换算法和限幅类算法)、编 码类算法和概率类算法(主要包括选择映射法SLAM，部分传输序列算法PTS等)。6四、小结正是由于 OFDM 技术批有良好的抗噪声性能、抗多径衰落性能和较多的频 谱利用率，才使它符合4G对于在无线条件下稳定可靠的实现高速率数据传输的 要求，成为4G的核心技术但没有项技术是完美无缺的，OFDM也有很多缺陷， 比如对频偏和相位噪声比较敏感，功率峰值与均值比(PAPP)较人，导致射频放人 器的功率效率较低，负载算法和自适应调技术会增加系统复杂度等等所以， OF DM 技术的成熟取决于这此关键技术的突破。日前在这些方面已取得了很大的进 步。五、参考文献1 OFDM 技术简介 冯建和2 OFDM技术在4G移动通信系统中的应用 毕明雪刘芳钱钱博3 OFDM 第四代移动通信的主流技术 陈良民4 基于OFDM技术的4G通信网络应用 张海涛OFDM技术原理及其在4G网络中的应用 张建伟OFDM技术在4G移动通信系统中的应用 刘巧平，董军堂