2010.2數(shù)據(jù)通 信ForumOFDM技術(shù)研究鄧彩楊毅(重慶大學(xué)通信工程學(xué)院重慶40004)摘要:正交頻分復(fù)用是第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)之一,文章闡述了OFDM技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，介紹了OFDM系統(tǒng)的基本原理;根據(jù)OFDM技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用,討論了系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)并提出了目前OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞:正交頻分復(fù)用;調(diào)制解調(diào);循環(huán)前綴1 OFDM技術(shù)的發(fā)展概述在過(guò)去的幾十年中,0FDM技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。多載波調(diào)制是一種頻分復(fù)用技術(shù)。 在60年代中在有線(xiàn)通信中 ,非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)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(diào)制技術(shù),動(dòng)態(tài)分統(tǒng)的系統(tǒng)相比,新系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是頻譜相互重疊，配各個(gè) 子信道的能量及比特?cái)?shù),提供N Mits的傳輸并且滿(mǎn)足正交性。Chang的論文發(fā)表不久Salzberg2速率 ,其中DMT是0FDM技術(shù)的一一種應(yīng)用。 在無(wú)線(xiàn)通在分析了OFDM系統(tǒng)性能后得出了一-個(gè)重要的結(jié)論，信中 ,0FDM技術(shù)得到了更好的應(yīng)用，尤其在無(wú)線(xiàn)多OFDM符號(hào)在無(wú)線(xiàn)信道傳輸過(guò)程中,色度亮度干擾對(duì)徑環(huán)境中 ,0FDM技術(shù)具有很強(qiáng)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(shù)已經(jīng)被多種無(wú)線(xiàn)接人標(biāo)準(zhǔn)采納:強(qiáng)。1971年,Weinstein和Eher!首次提出 了運(yùn)用離散在 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)領(lǐng)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(shí)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(diào)制和解調(diào)。從而大大降低了多(HDTV)、中國(guó)移 動(dòng)多媒體廣^播(CMMB )無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)載波系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,為OFDM技術(shù)演進(jìn)做出了巨標(biāo)準(zhǔn)IEE802.167等等。 同時(shí),0FDM除了作為- -種傳大的貢獻(xiàn)。由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，輸技術(shù)， 還具有支持多用戶(hù)接人的能力。正因?yàn)镺FDM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(duì)抗能力,且可以靈活地和其他接速傅里葉正變換來(lái)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)。入方式結(jié)合成衍生系統(tǒng)，因此在B3C/4G標(biāo)準(zhǔn)中, .當(dāng)信息數(shù)據(jù)通過(guò)多徑衰落信道時(shí)，子載波的正OFDM 被LTE的下行鏈路標(biāo)準(zhǔn)采納，被列為3CPP交性將會(huì)被破壞,產(chǎn)生子載波間干擾(ICI), Weinstein LTE- Advanced和IMT- Advanced標(biāo)準(zhǔn)的首選技術(shù)。等通過(guò)插人- -段空白區(qū)作為保護(hù)間隔來(lái)消除ICI,但這種方法不能保證經(jīng)過(guò)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(lái)消除ICI。循環(huán)前綴是將0FDM符號(hào)的循環(huán)擴(kuò)由信源產(chǎn)生的發(fā)送信號(hào)首先進(jìn)行基帶調(diào)制(如展的部分填充到Weinstein等所提到的空白區(qū)域。當(dāng)BPSK .QAM等),將二進(jìn)制信號(hào)映射為復(fù)數(shù)信號(hào),但CP的長(zhǎng)度大于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展時(shí)，經(jīng)過(guò)多徑色基帶 調(diào)制的效率和調(diào)制后的復(fù)數(shù)信號(hào)間的干擾成反散信道后OFDM系統(tǒng)的誤碼率最小。CP的長(zhǎng)度將會(huì)影比關(guān)中國(guó)煤化工儒要選擇不同的響OFDM符號(hào)的有效長(zhǎng)度,但是采用循環(huán)前綴對(duì)系統(tǒng)基帶調(diào)CNMHG然后經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)性能的提高遠(yuǎn)超過(guò)了符號(hào)有效長(zhǎng)度的丟失。換，再利用離散傅里葉逆變換完成多個(gè)子載波的調(diào)收稿日期:2010-03-24 17論壇Forum數(shù)據(jù)通信2010.2現(xiàn)。(4)無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的需求是非對(duì)稱(chēng)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(qiáng)于上行要求。0FDM系統(tǒng)通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)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(gè)子信道組成。同-時(shí)刻每個(gè)子信道的頻率選擇衰落深度是不同的,因此可以通過(guò)動(dòng)態(tài)子信道分配或動(dòng)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(diǎn)，易于與其他多種接人方法相結(jié)合,構(gòu)制工作,實(shí)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(hào)間千擾( ISI )和載波間干擾(ICI) ,將變換后的信號(hào)MC-CDMA、跳頻OFDM OFDM -TDMA .OFDM-CD-添加循環(huán)前綴，對(duì)并串轉(zhuǎn)換后的信號(hào)采用數(shù)模變換，MA OFDMA等,使得多個(gè)用戶(hù)可以同時(shí)利用0FDM技即可將信號(hào)發(fā)送到物理信道之上。在接收端,執(zhí)行上術(shù)進(jìn)行信息的傳輸。述過(guò)程的逆過(guò)程,不同處在于,在DFT變換后加入信3.2 OFDM系 統(tǒng)的缺點(diǎn)道估計(jì)過(guò)程，通過(guò)信道估計(jì)方法獲得參考消息處的由于OFDM系統(tǒng)的每個(gè)符號(hào)是通過(guò)多個(gè)正交的信道狀態(tài)，再通過(guò)各種算法得到系統(tǒng)各個(gè)子信道的子載波傳輸,因此輸出的每個(gè)OFDM符號(hào)是多個(gè)子信頻率響應(yīng),利用此信息對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),獲得發(fā)道傳輸信息疊加的結(jié)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(diǎn):(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(diǎn)系統(tǒng)的子載波之間是相互重疊的，因此對(duì)其正交性3.1 OFDM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)要求特別嚴(yán)格。無(wú)線(xiàn)信道在傳輸過(guò)程中會(huì)引起無(wú)線(xiàn)OFDM技術(shù)的子載波經(jīng)過(guò)調(diào)制后頻譜相互重疊,信號(hào)頻譜偏移,同時(shí),發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的本地振蕩器并且滿(mǎn)足正交性提高了頻譜的利用率,極大地降低之間也 會(huì)存在頻率偏差,這些因素都會(huì)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(dǎo)致子信道間干擾(CN)。(2)OFDM技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):(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(guò)串并轉(zhuǎn)換后，每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間的輸出是 多路信號(hào)的疊加，當(dāng)各路信號(hào)的相位一致變長(zhǎng),進(jìn)而降低了由于多徑衰落帶來(lái)的ISI,可以不采時(shí) ,疊加后的幅度值會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的平均功率,導(dǎo)用均衡器，僅通過(guò)插人循環(huán)前綴充當(dāng)保護(hù)間隔的方致 較大的峰值平均功率比PAPR (Peak to-Avere法來(lái)消除ISI對(duì)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(jī)內(nèi)放大器的線(xiàn)性性能非傳輸方法是將整個(gè)頻帶劃分成為若干個(gè)不相互重疊常好， 如果放大器的動(dòng)態(tài)范圍不滿(mǎn)足信號(hào)的變化,則的子信道,為了子信道間不產(chǎn)生干擾，每個(gè)子信道間可能帶 來(lái)信號(hào)的畸變,使信號(hào)的頻譜發(fā)生變化,破壞用空白的頻段作保護(hù),甚至當(dāng)間隔不夠遠(yuǎn)時(shí),還采用各 個(gè)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(mǎn)足正交性。因此與傳統(tǒng)的頻分復(fù)用系4 OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)統(tǒng)相比，可以最大限度地利用頻譜資源且極大地降在實(shí)際應(yīng)用中,0FDM系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題低了干擾。(3 )OFDM符號(hào)的各個(gè)子信道的調(diào)制和解包括以下幾個(gè)方面: .調(diào)可以通過(guò)采用離散傅里葉反變換(IDFT)和離散傅同步技術(shù):同步性能好壞對(duì)OFDM系統(tǒng)的性能影里葉變換(DFT)的方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(hào)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(guó)煤化工制系統(tǒng)相同,載波來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)制解調(diào)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)同步是YHCN MH G干解調(diào)，而符號(hào)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,IFT與FFT非常容易實(shí)同步是為了標(biāo)記OFDM符號(hào)塊,起到區(qū)別每個(gè)符號(hào)的18論壇匕2010.2數(shù)據(jù)通信Forum邊界。因?yàn)槊總€(gè)OFDM符號(hào)包括N個(gè)樣值,此樣值同步自適應(yīng)技術(shù):采用OFDM技術(shù)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(shí)刻- -致。OFDM系信道的頻率選擇性衰落情況， 進(jìn)而動(dòng)態(tài)的調(diào)整子載統(tǒng)的同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段,對(duì)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(hù)情數(shù)據(jù)傳輸,一般是通過(guò)發(fā)送輔助信息來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。與況下 ,如何合理地為每個(gè)用戶(hù)最優(yōu)地分配系統(tǒng)資源，單載波系統(tǒng)相比,OFDM系統(tǒng)對(duì)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(gè)非常同步偏差將會(huì)引起OFDM系統(tǒng)中的ISI和ICI。復(fù)雜的問(wèn)題。OFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)技術(shù)還應(yīng)考慮頻率信道估計(jì):在接收端實(shí)現(xiàn)解調(diào)有相干解調(diào)和非分組 、時(shí)間間隔信道總時(shí)延和信道誤差等因素,其相干解調(diào)方式。由于相干解調(diào)的性能優(yōu)于非相干解中 信道估計(jì)誤差對(duì)性能影響較大。調(diào),因此在實(shí)際的移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用較多。而信道的狀態(tài)信息對(duì)相干檢測(cè)的性能影響很大，所以檢測(cè)參考文獻(xiàn)器必須對(duì)信道的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。信道估計(jì)從發(fā)射天線(xiàn)到接收天線(xiàn)之間的無(wú)線(xiàn)信道的頻率響應(yīng),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(lái)辨識(shí)信道的傳輸特性。OFDM系統(tǒng)是估計(jì)[2] B.Salzberg.Performance of an Eficient Parallel Data Transmis-出每個(gè)子載波上的頻率響應(yīng)值。sion System.IEE Trans.on Commun, Dec 1967,156):805- -811峰均功率比:在時(shí)域中,0FDM信號(hào)表現(xiàn)為N個(gè)正[3] s .Weinstein.Dale tansmission by frequency division multi-交子載波信號(hào)的疊加,當(dāng)這N個(gè)信號(hào)恰好均以峰值相plexing u8ing the discrete fourier tranform.IEE Trans.On加時(shí),0FDM信號(hào)將出現(xiàn)最大峰值，此時(shí)的峰均功率Commun,, Oct 1971,19(5):628 -634比最大。為了承載傳輸信號(hào)不失真,發(fā)送端對(duì)高功率4 APeld,A.Rui Frequency domain data tasmisio using re放大器(HPA)的線(xiàn)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(xiàn)性度。OFDM系統(tǒng)的性能降低會(huì)直接影響實(shí)際應(yīng)[5] Radio bradasting stem:Digtal Audio Bradasting (DAB)to用,為了解決這一問(wèn)題,人們提出了信號(hào)畸變、信號(hào)mobile,portable,and fixed receivers,ETSI-European Teleco m-擾碼和信號(hào)空間擴(kuò)展等技術(shù)。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(duì)抗衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，采用交織技術(shù)對(duì)抗衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)] IEEE Standard 802.16- 200.EEE Standard for Local andMetroplian Area Network Part 16:Air Interface for Fixed誤，通常在實(shí)際應(yīng)用中同時(shí)采用信道編碼和交織來(lái)Bradband W reless Access Systems.2004改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)便于在子載波間進(jìn)行編碼,形成COFDM方式。編碼可以采用如分作者簡(jiǎn)介:鄧彩，重慶大學(xué)通信工程學(xué)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(wú)線(xiàn)通信;楊毅,重慶大學(xué)通信工程學(xué)院碩士研究生,主要研究方向是MIMO技術(shù)OFDM信道估計(jì)?！?上接第16頁(yè))復(fù)用光器件的成本尤其是無(wú)源光器件的成本大幅度社,2003下降，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的WDM器件不斷出現(xiàn)，未來(lái)[2鄧志巍.CPON標(biāo)準(zhǔn)系列介紹(EB/OL]. ht:/w icbuy.WDM-PON可能以作為GPON補(bǔ)充的方式得到進(jìn)- -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(yīng)用。h::wwwbeien/news/200907/251010 15. htm,2009,7參考文獻(xiàn)中國(guó)煤化工作者簡(jiǎn)MYHC N M H G司第二十八研究所,[1] Waler CGoralski.光網(wǎng)絡(luò)與波分復(fù)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