多载波OFDM(论文)

目录

一、引言 (2)

二、OFDM的基本原理介绍 (2)

三、OFDM中的关键技术 (3)

四、OFDM在认知无线电中的应用(及优缺点) (4)

五、结束语 (5)

参考文献 (6)

多载波调制中的OFDM

摘要：OFDM技术是一种无线环境下的高速多载波传输技术，抗频率选择性衰落或窄带干扰能力较强，同时又有很高的频谱利用率，适合在多径传播的无线移动信道中传输高速数据。论文分析了OFDM的基本原理，论述了其关键技术及优缺点。OFDM技术将成为未来无线通信中的核心技术，在认知无线电、4G移动通信和无线宽带接入等领域得到广泛的应用。

关键词：OFDM；无线通信；认知无线电-无线宽带

一、引言

随着多媒体无线通信的发展，频谱的需求与供给的矛盾越来越尖锐。例如，欧洲某些国家的UMTS频谱采用拍卖的方式，其费用达到每5Mhz频段30到40亿美元，使用期限为20年，如此高的频谱使用费用，使得运营商不得不选择更高频谱效率的无线技术，于是OFDM（orthogonal frequency division multiple access）应运而生，也越来越受到人们的重视。OFDM技术属于多载波调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。如今OFDM凭借着很高的频谱利用率，并作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术,被广泛应用于WLAN和B3G中，而且在4G 中也将占据很重要的位置，所以对OFDM的深入研究是很有意义的。

二、OFDM的基本原理介绍

信系统的效率，说到底就是频谱利用率和功率利用率。特别是在无线通信的情况下，对这两个指标的要求往往更高，尤其是频谱利用率。由于空间可用频谱资源是有限的，而无线应用却越来越多，使得无线频谱的使用受到各国政府的严格管理并统一规划。于是，各种各样的具有较高频谱效率的通信技术不断被开发出来，OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力，是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一。

OFDM是一种多载波传输技术，N个子载波把整个信道分割成N个子信道，N 个子信道并行传输信息。OFDM系统有许多非常引人注目的优点。第一，OFDM具有非常高的频谱利用率。普通的FDM系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔（频带），以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。OFDM系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠，但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，OFDM系统的各子信道信号

的分离（解调）是靠这种正交性来完成的。另外，OFDM的个子信道上还可以采用多进制调制（如频谱效率很高的QAM），进一步提高了OFDM系统的频谱效率。第二，实现比较简单。当子信道上采用QAM或MPSK调制方式时，调制过程可以用IFFT完成，解调过程可以用FFT完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。第三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的OFDM系统均采用循环前缀（Cyclic Prefix，CP）方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性的破坏，因此OFDM系统具有很好的抗多径干扰能力。OFDM的子载波把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的，这使得OFDM系统子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可。

三、OFDM中的关键技术

(1)峰均功率比PAR(Peak to Average Ratio)

由于OFDM信号时域上为Ⅳ个正交子载波信号的叠加，当这Ⅳ个信号恰好都以峰值出现并将相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N 倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均值比的OFDM 信号，对发送端和接收端的功率放大器、A／D变换器的线性度要求较高，且发送效率较低。为了解决这一问题，人们提出了几种解决方法

——信号失真技术，采用峰值修剪技术和峰值窗口去除技术，使峰值振幅值简单地非线性去除。

——选用合适的编码和解码方法，将峰值功率控制和信道编码结合起来，以避免出现较大的峰值信号。

——在每个子载波中插入不同的相位变换，相位变换的选择是伪随机的，减少OFDM的PAR。

(2)时域和频域同步

与其它数字通信系统一样，oFDM系统需要可靠的同步技术，包括定时同步、频率同步和相位同步，其中频率同步对系统的影响最大。移动无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，这会使0FDM系统子载波间的正交性遭到破坏，使子信道间的信号相互干扰，因此频率同步是oFDM系统的一个重要问题。为了不破坏子载波间的正交性，在接收端必须对频率偏差进行估计和补偿。在具体实现时，同步可分为时域同步和频域同步，也可以时域频域同时进行同步。

(3)信道估计

接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。OFDM 系统对频偏比较敏感，所以一般使用相于检测。在系统使用相干检测时，信道估计是必须的。信道估计器的设计主要有两个问题一是导频信号的选择，由于无线信道常常是衰落信道，需要不断地对信道进行跟踪，因此导频信号也必须不断地传送；二是信道估计器的设计，既要有较低的复杂度又要有良好的导频跟踪能力。

为了提高信道估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是信道估计精度和系统复杂度的折衷。

(4)信道编码和交织

为了对抗无线衰落信道中的随机错误和突发错误，提高数字通信系统性能，通常采用信道编码和交织技术。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织技术。OFDM系统本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已被oFDM这种调制方式本身所利用，可以在子载波间进行编码，形成编码的oFDM，OFDM技术与信道编码、频率时间交织结合起来，能进一步改善整个系统的性能。

四、OFDM在认知无线电中的应用（及优缺点）

(1)OFDM技术的优缺点

OFDM技术的优点：①系统复杂度较低，容易实现。各子信道的正交调制和解调可通过离散傅立叶反变换(IDFT)和离散傅立叶变换(DFT)实现。对Ⅳ很大(^》32)的系统，可以通过快速傅立叶变换(FFT)来实现。②抗频率选择性衰落或窄带干扰性能强，在多载波系统中，仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道可以采用纠错码来进行纠错。③频谱利用率高，OFDM技术将给定信道分成许多正交子信道。子信道的频谱相互重叠，提高了频谱使用效率。④灵活开放，无论从无线数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身要求，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM系统可以很容易使用不同数量的子载波来实现上下链路中不同的传输速率。

OFDM技术存在两个不足①对频率偏移很敏感，OFDM的基础是子载波必须满足正交，如果正交性恶化，则整个系统的性能会严重下降，产生OFDM特有的子载波间串扰。②峰值与均值功率比PAR较大，这个比值的增大会降低射频放大器的发射效率，并且需要放大器具有更宽的线性范围。因此，解决OFDM系统的同步和降低信号的峰值平均功率比PAR，成为OFDM技术研究的热点。

(2)OFDM在认知无线电中的应用

认知无线电(cogrlitive Radio)，是一种新的智能无线通信技术。认知无线电具有认知周围无线电磁环境的能力，以更为灵活的方式来管理无线电频谱资源，提高无线电通信频谱的利用率。认知无线电拓展了无线电通信领域的空间。

为了解决频谱资源的日益紧张和目前固定分配频谱利用率较低的矛盾，就要找到更有效的方法来充分认知和利用无线频谱资源。基本途径有两条：其一，提高频谱利用率，将已授权用户的频谱资源充分利用，减少浪费，其二，提高系统通信效率，将已获得的频率资源和其它资源综合优化分配，进而提高利用率。

正交频分复用(OFDM)技术是目前公认的比较容易实现频谱资源控制和有效利用的传输方式。OFDM技术具备频谱利用率高，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，oFDM调制方式可以通过频率的组合或裁剪实现频谱资源的充分利用，可以灵活控制和分配频谱、时间、功率和空间等资源。因此，OFDM技术被作为认知无线电中首选的复用和调制技术。OFDM系统具有裁剪