高速无线通信中的正交多载波调制技术OFDM

ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　ＮＯＴＥＳ

高速无线通信中的正交多载波调制技术OFDM

西安电子科技大学　　刘鹏　　李兵兵

概述

现代通信有多种传输方式，但根据信道基本可分为有线和无线。有线信道信号受外界干扰小，但须铺设传输线路，网络建立麻烦；而无线信道恰恰克服了这个缺点，降低了通信成本，在幅员辽阔的我国具有很好的发展前景。

无线信道由于地面情况复杂，信道条件恶劣，传输信号受干扰大，具有多径效应和时变性两个特征。多径效应是指接收机接收到的信号是通过不同路径到达的，这些幅度衰减和时延不同的信号相互重叠，就造成接收端判断错误，严重影响信号传输质量。这个特性也称为信道的时间弥散性，同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性。图１即多径接收时的信号情况，τｍａｘ为最大时延扩展。高速率传输时，收端信号重叠程度将进一步加深，信号间干扰将更加严重，所以时间弥散限制了无线信道传输速率的提高。

生的问题。一般所采用的单载波调制在数据传输速率不太高，多径干扰不是特别严重时，通过合适的时域均衡算法可使系统正常工作。但对于宽带业务来说，由于数据传输速率较高，时延扩展会造成数据符号间重叠，从而产生符号间干扰，这对均衡提出了更高的要求，需要引入非常复杂的均衡算法，实现比较困难。另外，当信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道还会造成频率选择性衰落。

而多载波调制采用多个载波信号，它把数据流分解为若干个子数据流，再利用这些子数据流分别去调制若干个载波。所以，多载波调制信道中，数据传输速率相对较低，码元周期加长，只要时延扩展与码元周期相比小于一定的门限，就不会造成码间干扰。因而多载波方案可以解决信道的时间弥散性问题。

多载波调制有多种技术途径来实现，如多音实现（Ｍｕｌｔｉｔｏｎｅ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ）、ＯＦＤＭ、ＭＣ－ＣＤＭＡ和编码ＭＣＭ。其中，ＯＦＤＭ由于其良好的性能，成为当前无线传输技术研究的一个热点。

正交多载波调制技术（ＯＦＤＭ）原理

传统频分多址（ＦＤＭＡ）是将频带分为若干不相交的子频带来传输并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各子

图１　

多径接收及多径接收信号

信道。这种方法简单、直接，但是频谱利用率低，子信道间要留有保护频带，Ｎ较大时多个滤波器的实现也比较复杂。图２是ＦＤＭＡ的频谱示意图。

正交频分复用ＯＦＤＭ调制的英文全称为ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，源于２０世纪６０年代中

时变性是指信道的传递函数ｈ（ｔ）是随时间变化的。发送端在不同时刻ｔ１、ｔ２发送相同的信号，在接收端收到的信号是不同的。时变性在无线通信系统中的具体体现就是多普勒频移，这样就造成了信道的频率弥散性，它对于载波频偏敏感的通信系统会产生很大影响。

多载波调制

采用多载波调制（ＭＣＭ）可以解决无线信道中多径效应产

图２　ＦＤＭ频谱图３　ＯＦＤＭ频谱

期，到７０年代提出用ＤＦＴ实现多载波调制后，简化了系统结构，ＯＦＤＭ技术才趋于实用化。２０世纪８０年代，人们研究如何将ＯＦＤＭ技术应用于高速调制解调器，９０年代以来，ＯＦＤＭ技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。在高速无线环境下，ＯＦＤＭ技术的优势很突出，现已被广泛应用于民用通信系统中。

ＯＦＤＭ的多个载波相互正交，一个信号内包含有整数个载波周期，每个载波的频点都是和相邻载波零点重叠，这种载波间的部分重叠提高了频带利用率，而且正交多载波的利用，使信道衰落引起的突发误码分散到不相关的子信道上，变为随机性误码，有效地减少和克服了码间干扰带来的影响。ＯＦＤＭ技术又采用了ＨＯＭＥ　ＰＬＵＧ技术，把所有并行子信号合并成一个独立信号传输，这样增加了数据的吞吐量，提高了传输速度。ＯＦＤＭ频谱示意图如图３所示。

ＯＦＤＭ的实现过程是，在发送端，串行码元序列先进行基带调制输出ｄ０，ｄ１．．．，ｄＮ－１，然后串并转换成Ｎ路子码元，分别调制在正交的Ｎ个ｆ０，ｆ１，．．．，ｆＮ－１子载波上，最后将Ｎ路调制信号相加发送出去。在接收端，首先对接收信号进行采样，然后使用Ｎ个相同的子载波进行Ｎ路解调，再将这Ｎ路解调信号并串输出，复现发送的原始信号。

Ｎ个正交子载波频率ｆｋ＝ｆ０＋ｋ／Ｔｂ，ｋ＝０，１，．．．，Ｎ－１　　　　（１）其中ｆ０为实际发射载波频率，Ｔｂ为符号周期，而１／Ｔｂ为子载波间隔。

设载波的单元信号为：ｐｋ（ｔ）＝则有：

Ｔｂ０

Ｎ－１

Ｎ－１

设ｆ０＝０，对信号进行抽样ｔ＝ｋＴｂ代入式（４）有：Ｄ（ｋＴｂ

Σｎ＝０

ｂ

ｄ（ｎ）ｅΣｎ＝０

ｊ２πｋｎ／Ｎ

＝Ｎ＊ＩＤＦＴ［ｄ（ｎ）］　　　　０≤ｋ≤Ｎ－１（５）

可以看到Ｄ（ｋ）是ｄ（ｎ）的ＩＤＦＴ，接收端在理想情况下ｄ（ｎ）是Ｄ（ｋ）的ＤＦＴ。

ｄ（ｎ）＝　　　Ｄ（ｋ）ｅ－ｊ２πｋｎ／Ｎ　＝ＤＦＴ［Ｄ（ｋ）］　　０≤ｎ≤Ｎ－１　

　（６）

ＯＦＤＭ调制原理虽然是用Ｎ个正交的载波分别调制Ｎ路子信道码元序列，但实际中很难独立产生Ｎ个正交的载波。ＯＦＤＭ就采用了ＶＬＳＩ技术，实际中用ＦＦＴ算法代替多载波调制和解调。使用ＦＦＴ实现时Ｎ个子载波自然是正交的，由此避免了由本振产生各子载波调制和解调时的子载波频偏。当子信道数目比较多的时候，采用ＦＦＴ可以大大减少系统的复杂度。用ＩＦＦＴ／ＦＦＴ实现ＯＦＤＭ调制解调，还有效地提高了ＯＦＤＭ调制解调速度。随着数字信号处理技术不断发展，ＦＦＴ的硬件实现越来越容易，这使得ＯＦＤＭ调制解调的实现变得更简单。

Ｎ－

１

Σｎ＝０

ＯＦＤＭ的优缺点

ＯＦＤＭ的主要优点：

●　

适应不同设计需求，灵活分配数据容量和功率，可提能提供较大的系统容量，且具有较强的抗多径干扰、

供灵活的高速和变速综合数据传输。

●　

｛０，其他

ｃｏｓ（２πｆｋｔ），０≤ｔ＜Ｔｂ

抗频率选择性衰落和频率扩散能力，适应多径和移动信道传

（２）

播条件，由于它较强的多径能力，可使用于单频网（ＳＦＮ）中。

●　

该技术可以实现较高的安全传输性能，允许数据在复

ｐｎ（ｔ）ｐｍ（ｔ）ｄｔ＝

｛０

Ｔｂ

ｍ　＝　ｎｍ≠

ｎ

（３）

数的高速的射频上被编码。

●　

该技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突

即子载波相互正交。ＯＦＤＭ系统框图如图４所示。然变化，并动态地与之相适应，然后接通和切断相应的载波以保证持续地进行通信。

ＯＦＤＭ的主要缺点：

●　

信号呈现很大的峰平功率比（ＰＡＰＲ），故比单载波系统

需要更宽的线性范围，需要动态范围很大的线性放大器，降低ＯＦＤＭ信号的峰平功率比是ＯＦＤＭ技术中的一个难点。

●　

ＯＦＤＭ的基础是子载波必须满足正交，如果正交性恶

化，系统性能会严重下降，产生ＯＦＤＭ特有的子载波串扰。

图５　ＯＦＤＭ系统框图

恶略的无线环境中实现子载波的精确正交是其另一难点。

调制后的合成传输信号Ｄ（ｔ）为：Ｄ（ｔ）＝　　　ｄ（ …… 此处隐藏：2443字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……