淺談ofdm原理及其應用

1、1OFDM原理11概述正交頻分復用（OFDM，thogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一種多載波數(shù)字調制技術，也可以被當作一種復用技術。具有頻譜利用率高、抗多徑干擾等特點，OFDM系統(tǒng)能夠有效地抵抗無線信道帶來的影響，例如信道的頻率選擇性衰落，脈沖噪聲和共信道干擾的影響。12OFDM系統(tǒng)模型OFDM系統(tǒng)的調制器、解調器的原理框圖如圖1所示。每個子載波上的信號采用差分相位鍵

2、控（PSK）調制方式。一個OFDM符號之內包括多個經過調制的子載波的合成信號，其中每個子載波都可以受到相移鍵控（PSK）或者正交幅度調制（QAM）符號的調制。采用復等效基帶信號來描述OFDM的輸出信號，其中實部和虛部分別對應于ＯFDM符號的同相和正交分量，在實際中可以分別與相應子載波的cos分量和sin分量相乘，構成最終的子信道信號和合成的OFDM符號。OFDM符號頻譜可以滿足奈奎斯特準則，即多個子信道頻譜之間不存在相互干擾，但這

3、是出現(xiàn)在頻域中的。這種一個子信道頻譜的最大值對應于其它子信道頻譜的零點可以避免子信道間干擾（ICI）的出現(xiàn)。21數(shù)字音頻廣播（DAB）OFDM在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中應用，其中數(shù)字音頻廣播（DAB）標準是第一個正式使用OFDM的標準。選擇OFDM作為數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻廣播（DVB）的主要原因在于：OFDM技術可以有效地解決多徑時延擴展問題。DAB是在現(xiàn)有模擬AM和FM音頻廣播的基礎上發(fā)展起來的，它可以提供更優(yōu)質的語音

4、質量、更新的數(shù)據(jù)業(yè)務以及更高的頻譜效率，它所提供的語音質量可以與CD音質相媲美。在DAB系統(tǒng)中使用OFDM的一個重要原因就是可以使用單頻網絡，這樣就可以大大提高系統(tǒng)的頻譜效率。在單頻網絡中，用戶從不同的接收機同時接收相同的信號。由于不同發(fā)射機之間存在傳播差異，因此不同的達到信號之間會存在時延，這一點可從圖3中看到，其中不同的信號時延（距離差異除以光速）先后到達用戶。而對于用戶來說，這種情況相當于兩徑的衰落信道。因此，只要這兩個信號之間

5、的傳播差異小于OFDM符號的保護間隙，就不會出現(xiàn)ISI和ICI。兩個時間移位信號的疊加，使得合成信號處于深度衰落的概率要遠遠低于一個信號處于深度衰落的概率，故可獲得分集接收的好處例如當兩個發(fā)射機相距40km，信號的時延擴展會達到133μs。系統(tǒng)中存在的另外一種限制就是多譜勒頻移和接收機內本地振蕩器的頻率波動，這就要求在子載波之間必須存在最小的頻率間隔，由此存在最大的符號周期長度限制。對于工作于240MHz的DAB系統(tǒng)來說，如果車輛

6、移動速度為31ms，則多譜勒頻移可以達到25Hz，為了盡量減少由此造成的子載波間的干擾，子載波間隔必須遠遠大于多譜勒頻移。被發(fā)個錯誤字節(jié)。然后，經過外編碼的比特再由交織器進行交織，在12個字節(jié)深度內按字節(jié)進行交織。并且再按編碼的效率可以被提高到23、34、56或78。最后，卷積編碼比特再經過內交織器的交織，被映射為QPSK、16QAM或64QAM符號。DVBT系統(tǒng)的接收機框圖參見圖7。模擬前端信號經過降頻轉換和AD轉換之后，數(shù)字A

7、GC被用于調整模擬前端電路的可變增益放大器（VGA）的增益。粗頻率偏差糾正用于降低子信道間的干擾。頻率偏差估計利用固定導頻信號進行初始估計，利用均勻分布的導頻信號進行隨后的精確同步。為了保證檢測和軟譯碼的準確性，還要進行信道估計，其中利用導頻信號進行信道估計，并且還利用時域和頻域的內差，獲得所有信號位置的信道估計。23MagicWMagicW（無線ATM網絡演示設備）是歐洲ACTS（高級通信技術和服務器）項目中一個組成部分

8、。MagicW研制人員在OFDM調制的基礎上，設計實施ATM網絡。這一設計方案為5GHz頻段內的標準化工作帶來巨大的影響。首先，通過采用基于OFDM的調制解調器，使OFDM得到了廣泛的認可，使其可以作為高速無線通信中的可變速率調制類型。其次，MagicW中基于ATM的無線方案構成HIPERLAN2標準中的數(shù)據(jù)鏈路層的基礎。OFDM子載波采用8PSK調制。如果符號速率為133M符號秒，則可以獲得40Mbits的原始比特速率。速率為

9、12的互補編碼把比特速率降低到20Mbits。子載波間隔為125MHz，3dB帶寬為20MHz。圖8中給出WOFDM使用的OFDM接收機的框圖。RF接收機負責對信號進行放大，以及實施降頻轉換。由于要求在接收開始的3μs時間內，就要確定自動增益控制的增益值，因此這也是接收機實施的難點之一。模擬數(shù)字轉換（AD）之后，必需要對信號頻率進行估計，并且加以糾正。如果可以準確地確定FFT窗口的起始位置，則接收機可以得到16個子信道中的

10、符號中的符號幅度和相位估計。從初始訓練序列開始，接收機必須能夠得到并且能夠跟蹤所有子信道的參考相位。最終經過相位補償之后，可以從16個子載波復信號中得到個比特。24IEEE80211、HIPERLAN2和MMAC無線局域網標準WLAN系統(tǒng)的一個典型例子就是Lucent公司的WaveLAN，其早期系統(tǒng)在900MHz或24GHz頻段中采用直接序列擴頻（DSSS）或跳頻擴頻（FHSS）的物理層技術，提供2Mbits的數(shù)據(jù)傳輸

11、速率，現(xiàn)在的系統(tǒng)能提供55Mbits和11Mbits的速率，甚至實現(xiàn)54Mbits的傳輸速率。WaveLAN的LLC子層使用CRC校驗，MAC子層使用帶有沖突避免的載波監(jiān)聽多址接入技術（CSMACA），并且可以與以太網兼容。WLAN的標準主要有IEEE80211，它是工作于24GHzISM頻段的第一個WLAN標準，其中規(guī)定使用不同的物理層技術——直接序列擴頻、調頻，可以提供2MHzs的數(shù)據(jù)速率。IEEE80211a工作在5