1、毕业设计文献综述通信工程OFDM技术概论摘要本论文简单介绍了OFDM系统的发展历程，还介绍了OFDM系统的基本原理以及OFDM技术的优势所在，最后展望了今后OFDM技术的发展前景。在简单介绍OFDM原理的同时，还介绍了OFDM实现的关键技术。主要包括了OFDM系统保护间隔、同步技术、信道估计技术、信道编码和交织技术以及降低峰值平均功率比技术。关键词OFDM技术，同步技术，PAPR，原理，应用1引言OFDM，全称为ORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING，中文名称为正交频分复用技术。实际上，OFDM是多载波调制MCMMULTICARRIERMODULATIO
2、N的一种。其主要思想是采用频分复用技术将传输信道分成若干个正交子信道。同时，将高速的串行数据通过串并转换转换成低速的并行子数据流。再将并行的子数据流分别调制到各个子信道上进行传输1。并且通过相关技术在接收机部分分开正交信号，这样可以削弱信道间的干扰ICI。由于子信道的信号带宽比传输信道的信号带宽要小。因此，可以把每一个子信道都认为是平坦性衰落的信道。由于每个子信道的带宽小于传输信道的带宽，所以信道均衡会相对比较简单。2OFDM技术发展历史20世纪60年代，就已经有人提出了频分复用的概念FDMFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEX。20世纪70年代，韦斯坦WEISTEIN和艾伯特E
3、BERT等人应用快速傅里叶方法FFTFASTFOURIERTRANSFORMATION技术研制了一个完整的多载波传输系统，即正交频分复用技术OFDMORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING2。OFDM中各个子载波之间相互正交这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系所以采用FFT来实现这种调制方式3。快速傅里叶变换技术解决了如何产生多个互相正交的子载波的问题，快速傅里叶逆变换技术解决了如何从子载波中恢复出原信号的问题。这两种技术的发展解决了多载波传输系统发送和接收的难题。应用快速傅里叶变换可以使得多载波传输系统的大大降低其复杂度。由此，OFDM技术走向现
4、实成为了可能。但是OFDM系统仍然有着其他大量复杂的信号处理过程，而缺乏数字处理功能强大的元器件直接使得OFDM技术从理论迈向实践的脚步放缓了4。在20世纪80年代，得益于多载波调制MCMMULTICARRIERMODULATION的进步，FFT技术不再是制约OFDM技术的难题。其它的难题也随着技术的发展得到了有效的解决。OFDM技术从此走上了通信舞台5。2OFDM原理在OFDM工作中，用户的信息首先要经过串并的转换，转变为多个低速率的数据码流，这样可以降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，同时由于每个子载波的正交性，大大提高了频谱的利用率。通过编码后，调制为射频信号。在调制这环节上，
5、传统的调制技术在同一个时刻只能用一种频率进行数据的传送，而OFDM则可以在正交的频率上同时发送多路信号，即并行的传送多路信号，这样OFDM能够充分地利用信道的带宽。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换FFT来选用那些正交的波形。OFDM的接收机是通过FFT实现的一组解调器。将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内进行积分运算，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会影响信息的提取6。OFDM的传输速率与子载波的数量也有关。OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。实际的接收系统中主要有以下几个模块组成1载波解调；2定时和频率同步；3去循环前缀；4串并变换；
6、5快速傅里叶变换FFT；6并串变换；7信道估计；8信号逆映射；9去交织；10信道解码7。输入数据解交织信号逆映射信道估计并串变换FFT串并变换去保护间隔定时和频率同步载波解调载波调制插入保护间隔并串变换IFFT串并变换插入导频信号映射交织信道编码高斯白噪声信道发射机信道接收机符号定时输出数据信道解码图1OFDM原理框图3OFDM的关键技术31保护间隔循环前缀在无线衰落信道中，由于多径的影响，引起码间串扰ISI，导致传输性能下降。为了避免ISI，应使码元的周期大于多径效应引起的时延扩展。OFDM系统中，降低码元速率可以降低ISI的影响，同时可以在每个OFDM符号之间加入保护间隔，进一步消除ISI
7、。目前，比较有效的方式是插入循环扩展，长度由信道的时延扩展决定。同时循环扩展还有一个更重要的作用实现系统同步。32同步技术OFDM系统中涉及的同步主要有码元同步、载波同步和采样频率同步。同步分为几个过程粗定时同步粗频偏校正精频率校正精定时校正。同步是OFDM技术中的一个难点，很多人针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号提出了很多OFDM同步算法。其中比较常见的有ESPRIT同步算法和ML估计算法。ESPRIT算法精度高，但计算复杂，计算量大；ML算法利用循环前缀，可以有效的估计OFDM信号的频偏和时偏，而且计算量要小的多。此外还有融合各种算法进行联合估计的研究。OFDM系统对定时频偏的要求是
8、小于OFDM符号间隔的4，对频率偏移的要求是小于子载波间隔的12，系统产生的3DB相位噪声带宽大约为子载波间隔的001018。33信道估计技术在OFDM系统中，系统对频偏比较敏感，所以接收端一般使用相干检测。采用相干检测时，信道估计是必需的。此时可以使用训练序列非时变信道和导频时变信道作为辅助信息。在OFDM系统中，导频信号是时频二维的，导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷，导频信号之间的间隔由信道的相干时间和相干带宽决定。通常，在时域上导频的间隔应小于相干时间，在频域上导频的间隔应小于相干带宽9。34信道编码和交织技术在OFDM系统中，对于突发误码，采用信道编码和交织技术。由于OFDM信号具
9、有时域和频域的二维结构特点，因此信道编码利用此特点，得到更好的纠错性能。再通过合理设计时域和频域的交织器，就可以很好地消除突发错误和人为干扰10。4OFDM技术的优势1OFDM系统具有大量传输数据的能力，即便是窄带带宽。它可以同时分开1000个以上的数字信号。它还可以在干扰信号的周围安全运行，又可以称为信号的“穿透能力”，这是目前的码分多址技术CDMACODEDIVISIONMULTIPLEACCESS所不具有的能力；2OFDM技术具有对抗频率选择性衰落的能力。这是它最大的优点。相较而言，单个衰落或干扰对单载波系统的影响是巨大的，有可能导致整个通信的失败。但是，在多载波系统中，单个衰落或干扰只
10、能使得一部分的载波受到影响。而且，即使受到了影响也可以通过对这些子信道进行纠错，改善系统性能；3适用于多径信道和衰落信道中的高速数据传输，可以有效地对抗信号波形间的干扰。信道中出现的频率选择性衰落只损害频带凹陷处的子载波。由于它对其它子载波没有影响，所以，总的系统性能要优良很多；4信道利用率很高。当子载波足够多时，系统的频谱利用率无限趋近于2BAUD/HZ11。5OFDM技术的应用20世纪90年代，OFDM被广泛应用于各种数字传输通信中，如高比特率数字用户线系统HDSL，移动无线FM信道等。1999年，IEEE802LLA协议通过的5GHZ带宽的无线局域网标准采用OFDM调制技术作为物理层标准
11、，该标准使传输速率可以达到54MBPS。完全能满够足室内、室外等各种场合应用的速率要求。欧洲电信组织ETSL也把OFDM定为宽带射频接入网的局域网标准的调制标准技术。2001年，IEEE80216通过了无线城域网标准，根据频段的不同，可分为视距传输和非视距传输两种。其中，211GHZ的频段，适合非视距传输，此时的系统会存在较强的多径效应。在免许可频段还存在干扰的问题。因此，系统调制方式采用了能够对抗多径效应、频率选择性衰落以及窄带干扰上有明显优势的OFDM调制。IEEE80216发展至今，终于在2006年2月，形成了最终的标准IEEE80216E。此时采用的调制方式仍然是OFDM调制。2004
12、年11月，3GPP通过“3G长期演进”的立项工作。项目的目标是制定3G演进型系统技术规范。3GPP经过讨论和融合，在2005年12月选定了下行OFDM，上行SCFDMA作为LTE的基本传输技术。由于技术的成熟性，OFDM被选为下行标准很快就达成了共识。我国3G标准是拥有自主知识产权的TDSCDMA。其中也提出了TDCDMAOFDM的方案。ITU提出的B3G/4G目标中，OFDM技术扮演着重要的角色。它可以结合分集、时空编码、干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高系统性能。6总结OFDM系统稳定性好，频谱利用率高，在传输过程中能够实现低延迟、高速率的数据传输。信技术在向B3G/4G
13、演进的过程中，OFDM技术充当了关键的角色之一。因为，它可以结合智能天线、分集、干扰和信道间干扰抑制以及时空编码技术，最大限度的提高系统性能。目前，OFDM技术主要包括以下几种类型VOFDM、WOFDM、FOFDM、MIMOOFDM12。但是，受信号调制机制的影响，OFDM技术在信号传输的过程中依旧存在着一些不足对相位噪声和载波频偏十分敏感；峰均比过大；线性范围宽等。这些缺陷将是未来OFDM技术的研究重点。参考文献1何超L2S接口技术研究D北京北京邮电大学,20082钟险,金德鹏80216D协议OFDM接入同步误差影响研究J微计算机信息,2007,2312172203LEONARDJANALY
14、SISANDSIMULATIONOFADIGITALMOBILECHANNELUSINGORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGJIEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS,1985,33736974牛鑫华基于FPGA的OFDM基带系统的研究与实现D北京北京邮电大学,20105孙文博平流层通信系统研究D北京北京邮电大学,20106JEFFREYGANDREWS,ARUNABHAGHOSH,RIASMUHAMEDFUNDAMENTALSOFWIMAXUNDERSTANDINGBROADBANDWIRELESSNETWORKINGMENG
15、LEWOODCLIFFPRENTICEHALL,200777887任立群基于高阶累积量和小波的OFDM信号检测研究D黑龙江哈尔滨工程大学,20098李灯,朱琦,黄磊IEEE80216协议的研究及系统仿真J南京邮电大学学报,2004,2431071149MINNH,ZENGM,BHARGAVAVKONTIMINGOFFSETESTIMATIONFOROFDMSYSTEMSEJIEEECOMMUNICATIONSLETTERS2000,4724224410SCHMIDLTM,COXDCROBUSTFREQUENCYANDTIMINGSYNCHRONIZATIONFOROFDMJIEEETRANSONCOMMUN,1997,45121613162111钟险,金德鹏80216D协议OFDM接入同步误差影响研究J微计算机信息,2007,23121722012佟学俭,罗涛OFDM移动通信技术原理与应用M北京人民邮电出版社,200315254
