ofdm的基本原理

1 OFDM技術(shù)

　　OFDM(正交頻分復用)技術(shù)實(shí)際上是MCM(Multi-Carrier Modulation，多載波調制)的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ICI)。每個(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

　　結合簡(jiǎn)要介紹OFDM的工作原理，輸入數據信元的速率為R，經(jīng)過(guò)串并轉換后，分成M個(gè)并行的子數據流，每個(gè)子數據流的速率為R/M，在每個(gè)子數據流中的若干個(gè)比特分成一組，每組的數目取決于對應子載波上的調制方式，如PSK、QAM等。M個(gè)并行的子數據信元編碼交織后進(jìn)行IFFT變換，將頻域信號轉換到時(shí)域，IFFT塊的輸出是N個(gè)時(shí)域的樣點(diǎn)，再將長(cháng)為L(cháng)p的CP(循環(huán)前綴)加到N個(gè)樣點(diǎn)前，形成循環(huán)擴展的OFDM信元，因此，實(shí)際發(fā)送的OFDM信元的長(cháng)度為L(cháng)p＋N，經(jīng)過(guò)并/串轉換后發(fā)射。接收端接收到的信號是時(shí)域信號，此信號經(jīng)過(guò)串并轉換后移去CP，如果CP長(cháng)度大于信道的記憶長(cháng)度時(shí)，ISI僅僅影響CP，而不影響有用數據，去掉CP也就去掉了ISI的影響。

　　OFDM技術(shù)之所以越來(lái)越受關(guān)注，是因為OFDM有很多獨特的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統高近一倍。這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中很重要。OFDM信號的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。

　　(2)抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強，由于OFDM系統把數據分散到許多個(gè)子載波上，大大降低了各子載波的符號速率，從而減弱多徑傳播的影響，若再通過(guò)采用加循環(huán)前綴作為保護間隔的方法，甚至可以完全消除符號間干擾。

　　(3)采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統達到最大比特率。通過(guò)選取各子信道，每個(gè)符號的比特數以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。即要求各子信道信息分配應遵循信息論中的“注水定理”，亦即優(yōu)質(zhì)信道多傳送，較差信道少傳送，劣質(zhì)信道不傳送的原則

　　(4)通過(guò)各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒(méi)有必要再加時(shí)域均衡器。但通過(guò)將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，可以使系統性能得到提高。

　　(5)基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT來(lái)實(shí)現調制和解調，易用DSP實(shí)現。
wimax的核心調制技術(shù)OFDM

　　OFDM的基本原理

　　OFDM是一種無(wú)線(xiàn)環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無(wú)線(xiàn)信道的頻率響應曲線(xiàn)大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統中各個(gè)子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。

　　2 OFDM的關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 同步技術(shù)

　　OFDM系統中，Ｎ個(gè)符號的并行傳輸會(huì )使符號的延續時(shí)間更長(cháng)，因此它對時(shí)間的偏差不敏感。對于無(wú)線(xiàn)通信來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)信道存在時(shí)變性，在傳輸中存在的頻率偏移會(huì )使OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統也有很大的損害。

　　由于發(fā)送端和接受端之間的采樣時(shí)鐘有偏差，每個(gè)信號樣本都一定程度地偏離它真確的采樣時(shí)間，此偏差隨樣本數量的增加而線(xiàn)性增大，盡管時(shí)間偏差壞子載波之間的正交性，但是通常情況下可以忽略不計。當采樣錯誤可以被校正時(shí)，就可以用內插濾波器來(lái)控制真確的時(shí)間進(jìn)行采樣。

　　相位噪聲有兩個(gè)基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個(gè)隨機相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測可以用來(lái)降低共同相位誤差的影響，其次也會(huì )引人一定量的信道間干擾（ICI），因為相位誤差導致子載波的間隔不再是精確的1/Ｔ了。

　　載波頻率的偏移會(huì )使子信道之間產(chǎn)生干擾。OFDM系統的輸出信號是多個(gè)相互覆蓋的子信道的疊加，它們之間的正交性有嚴格的要求。無(wú)線(xiàn)信道時(shí)變性的一種具體體現就是多普勒頻移，多普勒頻移與載波頻率以及移動(dòng)臺的移動(dòng)速度都成正比。多普勒展寬會(huì )導致頻率發(fā)生彌散，引起信號發(fā)生畸變。從頻域上看，信號失真會(huì )隨發(fā)送信道的多普勒擴展的增加而加劇。因此對于要求子載波嚴格同步的OFDM系統來(lái)說(shuō)，載波的頻率偏移所帶來(lái)的影響會(huì )更加嚴重，如果不采取措施對這種信道間干擾（ICI）加以克服，系統的性能很難得到改善。

　　OFDM中的同步通常包括3方面的內容：

　?。?）幀檢測；

　?。?）載波頻率偏差及校正；

　?。?）采樣偏差及校正。

　　由于同步是OFDM技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是針對循環(huán)擴展和特殊的訓練序列以及導頻信號來(lái)進(jìn)行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計算法，其中ESPRIT算法雖然估計精度高，但計算復雜，計算量大，而ML算法利用OFDM信號的循環(huán)前綴，可以有效地對OFDM信號進(jìn)行頻偏和時(shí)偏的聯(lián)合估計，而且與ESPRIT算法相比，其計算量要小得多。對OFDM技術(shù)的同步算法研究得比較多，需要根據具體的系統具體設計和研究，利用各種算法融合進(jìn)行聯(lián)合估計才是可行的。OFDM系統對定時(shí)頻偏的要求是小于OFDM符號間隔的4%，對頻率偏移的要求大約要小于子載波間隔的1%~2%，系統產(chǎn)生的-3dB相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的0.01%~ 0.1%。

　　2.2 PARP的解決

　　由于OFDM信號是有一系列的子信道信號重疊起來(lái)的，所以很容易造成較大的PAPR。大的OFDM PAPR 信號通過(guò)功率放大器時(shí)會(huì )有很大的頻譜擴展和帶內失真。但是由于大的PARP的概率并不大，可以把大的PAPR值的OFDM信號去掉。但是把大的PAPR值的OFDM信號去掉會(huì )影響信號的性能，所以采用的技術(shù)必須保證這樣的影響盡量小。一般通過(guò)以下幾種技術(shù)解決：

　?。?）信號失真技術(shù)。采用修剪技術(shù)、峰值窗口去除技術(shù)或峰值刪除技術(shù)使峰值振幅值簡(jiǎn)單地線(xiàn)性去除。

　?。?）編碼技術(shù)。采用專(zhuān)門(mén)的前向糾錯碼會(huì )使產(chǎn)生非常大的PAPR的OFDM符號去除。

　?。?）擾碼技術(shù)。采用擾碼技術(shù)，使生成的OFDM的互相關(guān)性盡量為0，從而使OFDM的PAPR減少。這里的擾碼技術(shù)可以對生成的OFDM信號的相位進(jìn)行重置，典型的有PTS和SLM。

　　2.3 訓練序列/導頻及信道估計技術(shù)

　　接收端使用差分檢測時(shí)不需要信道估計，但仍需要一些導頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統的復雜度和導頻的數量，但卻損失了信噪比。尤其是在OFDM系統中，系統對頻偏比較敏感，所以一般使用相干檢測。

　　在系統采用相干檢測時(shí)，信道估計是必須的。此時(shí)可以使用訓練序列和導頻作為輔助信息，訓練序列通常用在非時(shí)變信道中，在時(shí)變信道中一般使用導頻信號。在OFDM系統中，導頻信號是時(shí)頻二維的。為了提高估計的精度，可以插入連續導頻和分散導頻，導頻的數量是估計精度和系統復雜的折衷。導頻信號之間的間隔取決于信道的相干時(shí)間和相干帶寬，在時(shí)域上，導頻的間隔應小于相干時(shí)間；在頻域上，導頻的間隔應小于相干帶寬。實(shí)際應用中，導頻的模式的設計要根據具體情況而定。