OFDM系统的基本原理.doc

OFDM系统的基本原理 首先介绍了OFDM系统的基本原理、基带系统模型以及优缺点，然后介绍了OFDM系统的关键技术，通过这些内容来说明OFDM技术在无线系统中的性能特点。 1 OFDM系统的基本原理 在现代无线通信系统中，高速数据业务的处理是非常困难的问题。因为当码元速率较高时，信号带宽较宽，由于无线信道的时延扩展，容易造成接收信号的前后码元的交叠，产生码元间干扰。多载波调制方法可以将一个宽带信道分为多个子信道，每个子信道带宽较窄，可以看作是平坦衰落信道。若使每个子信道中传输的信号带宽小于信道的相干带宽，就可以有效降低码元间的干扰 OFDM即正交频分复用技术，实际上正是多载波调制(Multi-Carrier Modulation)的一种。OFDM采用跳频方式选用即便频谱混叠也能保持正交的波形，所以OFDM既有调制技术，也有复用技术。OFDM系统最基本的特征是并行传输、正交重叠频谱和循环前缀。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。调制后的信号为各个子载波信号的叠加，其时域采样信号正好满足IFFT的关系式，所以OFDM信号的调制可用IFFT来快速实现，IFFT保证了各个子载波之间的正交性。为对抗多径衰落，在OFDM符号问加入循环前缀作为保护间隔，能有效地避免ISI和ICI。OFDM系统可有效对抗多径信道实现数据的高速传输，接收端仅需简单的一阶频域均衡器。由于OFDM信号是经过IFFT得到的，发送的数据在频域被充分随机化，OFDM信号可认为是独立同分布的随机变量的线性组合，适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。 图1 OFDM系统基本原理模型 通过观察图1可以直观的看出：OFDM的发送端的基本原理就是把输入数据经过串并变换成N路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据，经过并串变换便输出原始数据。 2 OFDM基带系统模型 图2 基带OFDM系统模型 基带OFDM系统模型如图2所示，在忽略了符号间干扰的情况下，输出线号可以表示为： （1） 其中X(k)为输入信号，Y(k)为输出信号，H(k)为信道响应，W(k)为加性高斯白噪声。 3 OFDM系统的优缺点 3.1 OFDM系统的优点 (1) OFDM技术适合于高速数据传输。因为OFDM自适应调制机制可以使不同的子载波按照信道情况和噪音背景的不同来使用不同的调制方式。当信道条件较好的时候，采用效率较高的调制方式。当信道条件较差的时候，采用抗千扰能力较强的调制方式。再有，由于OFDM加载算法的采用，可以使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。 (2) OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信。该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。 (3) OFDM技术的最大优点在与可以对抗频率选择性衰落或窄带干扰。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声(Impulse Noise)和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。 (4) OFDM技术可以有效地对抗码间干扰(ISI)，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的千扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。 (5) OFDM技术可使信道利用率很高，OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。 (6)各个子信道中的这种正交调制与解调可以采用IDFT和DFT的方法，或者通过更为便捷的快速傅立叶变换(FFT)来实现。IFFT和FFT的算法都已经很成熟，随着大规模集成电路(Large Scale Integrated Circuit,LSI)技术与数字信号处理(DigitalSignal P