ofdm原理及其應(yīng)用(本科生)畢業(yè)論文(存儲(chǔ)版)

　　

【正文】 但是隨著通信的發(fā)展，特別是無線通信業(yè)務(wù)的增長，可以利用的頻率資源日趨緊張。本文敘述了正交頻分復(fù)用技術(shù)的產(chǎn)生背景、發(fā)展歷史、基本原理和OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。雖然第三代移動(dòng)通信可以比現(xiàn)有傳輸速率快上千倍，但是仍無法滿足未來多媒體通信的要求，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的提出便是希望能滿足提供更大的頻寬需求。 課題內(nèi)容及安排本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要敘述了正交頻分復(fù)用技術(shù)的基本原理和OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，通過一些通俗易懂的圖形，對(duì)正交頻分復(fù)用（OFDM）的基本原理及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。目前，移動(dòng)通信已從模擬通信發(fā)展到了數(shù)字移動(dòng)通信階段，并且正朝著個(gè)人通信這一更高級(jí)階段發(fā)展。隨后美國和日本也相繼指定了各自的數(shù)字移動(dòng)通信體制。目前，人們已經(jīng)把目光越來越多得投向超三代（beyong 3G）的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，使其可以容納市場龐大的用戶數(shù)、改善現(xiàn)有通信品質(zhì)不良，以及達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｒ苿?dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r如表21所示。帶寬在移動(dòng)通信中是稀缺的資源，所以必須采用先進(jìn)的技術(shù)有效利用頻率資源，同時(shí)要克服在無線信道下的多徑衰落，降低噪聲和多徑干擾，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正是在這一背景下被提出來的。但是在早期的OFDM系統(tǒng)中，發(fā)信機(jī)和相關(guān)接收機(jī)所需的副載波陣列是由正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的，且在相關(guān)接收時(shí)各副載波需要準(zhǔn)確地同步，因此當(dāng)子信道數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)就顯得非常復(fù)雜和昂貴。1981年Hirosaki用DFT完成的OFDM調(diào)制技術(shù)， kb/s的電話線Modem。同時(shí)由于省去了升余弦濾波器，使實(shí)現(xiàn)的方案非常簡單，因此后來的大多數(shù)OFDM方案都是以此為原形實(shí)現(xiàn)的。隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，格柵編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)等成熟技術(shù)的應(yīng)用。按照這種設(shè)想，OFDM既能充分利用信道帶寬，也可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯(cuò)。該技術(shù)的一個(gè)優(yōu)異特性是易于改用其它帶寬。在每個(gè)子載波頻率最大值處，所有其他子信道的頻譜值恰好為零。像這樣用并行數(shù)據(jù)傳送和頻分復(fù)用的思路早在20世紀(jì)60年代的中期就被提出來了。在這樣的接收機(jī)下，保護(hù)頻帶分隔不同載波頻率，這樣就使頻譜的利用率低。OFDM不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速傅立葉變換（FFT）來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。信道好的時(shí)候，發(fā)射功率不變，可以增強(qiáng)調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制（如QPSK）時(shí)降低發(fā)射功率。這些在信道頻率響應(yīng)上的零點(diǎn)會(huì)造成在鄰近的子載波發(fā)射的信息受到破壞，導(dǎo)致在每個(gè)符號(hào)中出現(xiàn)一連串的比特錯(cuò)誤。其中，N為子載波個(gè)數(shù)，Ts為一個(gè)OFDM符號(hào)的持續(xù)時(shí)間。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)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。解調(diào)是基于載波gk(t)的正交性，即： （）因此解調(diào)器將完成以下運(yùn)算： （）為了使一個(gè)OFDM系統(tǒng)實(shí)用化，可用DFT來完成調(diào)制和解調(diào)。OFDM由大量在頻率上等間隔的子載波構(gòu)成（設(shè)共有N個(gè)載波），各載波通?？梢圆捎貌煌恼{(diào)制方式調(diào)制，一般為BPSK，QPSK或QAM。并且OFDM所有子載波疊加到一起時(shí)，信號(hào)頻譜接近于矩形頻譜，因而其頻譜利用率理論上可以達(dá)到Shannon信息傳輸理論的極限。DFT是常規(guī)變換的一種變化形式，其中，信號(hào)在時(shí)域和頻域上均被抽樣。在OFDM系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立葉變換（IFFT/FFT）。子載波的幅度和相位被采集出來并轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號(hào)。下圖示意了采用QPSK調(diào)制的星座圖。引入冗余度的意義在于以犧牲效率的方式降低誤碼率。（7）并串轉(zhuǎn)換：用于將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。接收器收到的信號(hào)是時(shí)域信號(hào)。在這段保護(hù)間隔內(nèi)可以不插任何信號(hào)，即是一段空白的傳輸時(shí)段。正是因?yàn)檫@種低符號(hào)速率使OFDM系統(tǒng)可以自然地抵抗多徑傳播導(dǎo)致的符號(hào)間干擾（ISI），另外，通過在每個(gè)符號(hào)的起始位置增加保護(hù)間隔可以進(jìn)一步抵制ISI，還可以減少在接收端的定時(shí)偏移錯(cuò)誤。但由于插入保護(hù)間隔可以消除ISI和多徑所造成的ICI的影響，因此這個(gè)代價(jià)是值得的。它要求信號(hào)必需包含一定的開銷比特，以告知接收端發(fā)射信號(hào)所采用的調(diào)制方式，并且，終端需要定期更新調(diào)制信息，這又勢必會(huì)增加更多的開銷比特。多用戶OFDM系統(tǒng)的導(dǎo)頻信道或參考碼字可以用來測試信道的好壞。（2） 自適應(yīng)跳頻這是一種新的基于信道性能的跳頻技術(shù)。全雙工系統(tǒng)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的工作頻率的間隔至少應(yīng)大于40MHz，信道數(shù)量是用戶數(shù)的兩倍，發(fā)射的參考碼字的數(shù)量比用戶數(shù)多1個(gè)，也就是說除了每個(gè)用戶需要發(fā)送一個(gè)參考碼字外，基站的前向信道也必需發(fā)送一個(gè)。對(duì)于無線通信來說，無線信道存在時(shí)變性，在傳輸中存在的頻率偏移會(huì)使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對(duì)系統(tǒng)也有很大的損害。從頻域上看，信號(hào)失真會(huì)隨發(fā)送信道的多普勒擴(kuò)展的增加而加劇。PAPR越大，系統(tǒng)的包絡(luò)的不恒定性越大。一般通過以下幾種技術(shù)解決。即使是它擴(kuò)展到多相位序列，也仍然滿足旁瓣小的特性。在系統(tǒng)采用相干檢測時(shí)，信道估計(jì)是必須的。（2）OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)進(jìn)行成功的通信。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。頻偏和相位噪聲會(huì)使各個(gè)子載波之間的正交特性惡化，僅僅1%的頻偏就會(huì)使信噪比下降30dB。高峰均值比會(huì)增大對(duì)射頻放大器的要求，導(dǎo)致射頻信號(hào)放大器的功率效率降低。如美國Intellon公司基于Powerpacket技術(shù)的低壓電力線載波通信芯片INT5130的載波頻帶為4．3～20．9 MHz，但該技術(shù)仍然僅限于家庭內(nèi)部網(wǎng)的組建，還不能真正解決“最后一公里”的接入網(wǎng)問題。Nextel從2002年便開始對(duì)FLASH－OFDM進(jìn)行技術(shù)檢測和傳輸試驗(yàn)，韓國也有多家通信運(yùn)營商進(jìn)行試驗(yàn)服務(wù)。除了跳頻外，為解決小區(qū)間干擾，采用了功率控制，用戶只發(fā)射它能有效通信的功率。4．2 OFDM在電力線通信中的應(yīng)用 電力線通信技術(shù)簡稱PLC (Power Line Communication)是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式。ERDF計(jì)劃在全法國配備AMM基礎(chǔ)設(shè)施中采用Maxim的首款基于OFDM的PLC調(diào)制解調(diào)芯片MAX2990，管理整個(gè)電力供應(yīng)鏈——從電力供應(yīng)商直至終端用戶。所以，采用具有糾錯(cuò)的OFDM技術(shù)能夠在更高的數(shù)據(jù)速率下提升8dB的性能。 正交頻分復(fù)用法是將光節(jié)點(diǎn)以下的電纜的工作頻率作頻率分割，利用不同的頻段實(shí)現(xiàn)上下行信號(hào)的同時(shí)傳輸，一般低頻段用于上行信道，高頻段用于下行信道，上下行頻段的分割點(diǎn)頻率的高低，主要取決于HFC接入網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)的功能和所需傳輸?shù)男畔⒘?。可是，TDM采用的通信頻帶的大小必須和留作用來匹配變頻的頻帶一樣大。因?yàn)槊總€(gè)TDM時(shí)隙都擁有完整的2MHz帶寬，信號(hào)速度必須很高。使用MPEG2傳送比特流復(fù)用，里德索羅門(RS) 前向糾錯(cuò)系統(tǒng)，采用COFDM調(diào)制方式，把傳輸比特分割到數(shù)千計(jì)的低比特率副載波上，用1705個(gè)載波（“2K”）或6817個(gè)載波(“8K”) 模式。 OFDM在數(shù)字音頻廣播中的應(yīng)用 數(shù)字音頻廣播DAB（Digital Autio Broadeasting）于70年代末期開始研制，1986年列為歐共體Eurekal47計(jì)劃，1988年基礎(chǔ)性研究和初步的開路實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示它成為新一代。 OFDM在數(shù)字電視中的應(yīng)用 目前全球共有3套國際數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，美國1996年高級(jí)電視系統(tǒng)委員會(huì)（ATSC）研發(fā)的ATSC8VSB；歐洲1997年提出的數(shù)字視頻地面廣播DVBT COFDM；日本1999年提出的地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播ISDB－T OFDM。當(dāng)檢測出對(duì)頻率載波的干擾之后，受影響的DS0即可重新分配給保留的載波之一傳輸，通常情況下不會(huì)引發(fā)線路的斷開。這種情況會(huì)對(duì)TDM用戶帶來嚴(yán)重的通信可靠性問題，原因就在于窄帶干擾總是隨時(shí)隨機(jī)出現(xiàn)。時(shí)分復(fù)用法是在相同的傳輸介質(zhì)上，對(duì)上行和下行信號(hào)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，由于其技術(shù)較復(fù)雜，成本也較高，所以實(shí)際應(yīng)用也不很廣泛。BER為在特定噪聲級(jí)別下，錯(cuò)誤比特?cái)?shù)與傳輸總比特?cái)?shù)的比值。因此它在電力線高速通信系統(tǒng)中的應(yīng)用有著非常樂觀的前景。FlashOFDM的缺點(diǎn)就在于缺乏產(chǎn)業(yè)鏈條的支撐，這會(huì)使其陷入孤軍奮戰(zhàn)的境地，F(xiàn)larion也意識(shí)到了這一點(diǎn)，正在積極尋找合作伙伴，并已經(jīng)與西門子簽訂了合作協(xié)議，共同研發(fā)產(chǎn)品。FlashOFDM在時(shí)間上以跳頻方式使用OFDM的副載波，通過高速切換副載波，使得相鄰節(jié)點(diǎn)可以使用相同頻率的副載波，進(jìn)而可提高頻率利用率。 FlashOFDM技術(shù)的前身OFDM技術(shù)已有近40年歷史，起初使用在軍事高頻無線應(yīng)用上。尤其是從最后一級(jí)變壓器到用戶的這一段，因線路缺少屏蔽層，極易受到雷電波、無線電波和熱噪聲的干擾。對(duì)于包含N個(gè)子信道的OFDM系統(tǒng)來說，當(dāng)N個(gè)子信道都以相同的相位求和時(shí)，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。 OFDM技術(shù)的缺陷（1）對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語音廣播都希望降低多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響。 OFDM技術(shù)的優(yōu)勢（1）在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。 訓(xùn)練序列和導(dǎo)頻及信道估計(jì)技術(shù)接收端使用差分檢測時(shí)不需要信道估計(jì)，但仍需要一些導(dǎo)頻信號(hào)提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和導(dǎo)頻的數(shù)量，但卻損失了信噪比。因此，需要尋找自相關(guān)函數(shù)旁瓣小的發(fā)送信號(hào)序列。為了不使頻譜擴(kuò)展得太厲害，HPA必須工作在有很大回退量（Backoff）的狀態(tài)，這樣會(huì)浪費(fèi)很大功率。 功率峰值與均值比（PARP）的解決OFDM包絡(luò)的不恒定性可以用PAPR來表示。無線信道時(shí)變性的一種具體體現(xiàn)就是多普勒頻移，多普勒頻移與載波頻率以及移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度都成正比。時(shí)間交錯(cuò)要求盡可能短，否則會(huì)增加時(shí)延。比如終端以每小時(shí)60km的速度移動(dòng)，刷新速率就是大約330次/秒。分組隨機(jī)跳頻空閑時(shí)間較短，約11個(gè)字符時(shí)間。信噪比限制了最大頻譜利用率只能接近5~7bit/s/Hz。如果使用自適應(yīng)調(diào)制，那么在信道好的時(shí)候終端就可以使用較高的調(diào)制，同樣在終端靠近基站時(shí)，調(diào)制可以由BPSK（1bit/s/Hz）轉(zhuǎn)化成16QAM ~ 64QAM（4~6 bit/s/Hz），整個(gè)系統(tǒng)的頻譜利用率得到大幅度的改善，自適應(yīng)調(diào)制能夠使系統(tǒng)容量翻番。但是帶來的信息速率損失達(dá)20％。第二子載波對(duì)第一子載波帶來的ICI干擾圖 311 多徑情況下，空閑保護(hù)間隔在子載波間造成的干擾在系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率都給定的情況下，OFDM信號(hào)的符號(hào)速率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單載波的傳輸模式。通過把輸入數(shù)據(jù)流串并變換到個(gè)并行的子信道中，使得每一個(gè)調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)周期可以擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號(hào)周期的倍，因此時(shí)延擴(kuò)展與符號(hào)周期的數(shù)值比也同樣降低倍。圖 310 插入循環(huán)前綴循環(huán)前綴為單個(gè)的OFDM符號(hào)創(chuàng)建一個(gè)保護(hù)帶，在信噪比邊緣損耗中被丟掉，以極大地減少符號(hào)間干擾。（6）快速傅立葉逆變換：快速傅立葉逆變換可以把頻域離散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時(shí)域離散的數(shù)據(jù)。這樣一方面可以進(jìn)行復(fù)數(shù)的FFT變換，另外，進(jìn)行星座映射后，為原來的數(shù)據(jù)引入了冗余度。星座映射是指將輸入的串行數(shù)據(jù)，先做一次調(diào)制，再經(jīng)由FFT分布到各個(gè)子信道上去。IFFT和FFT互為反變換，選擇適當(dāng)?shù)淖儞Q將信號(hào)接收或發(fā)送。通過點(diǎn)的IDFT運(yùn)算，把頻域數(shù)據(jù)符號(hào)變換為時(shí)域數(shù)據(jù)符號(hào),經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無線信道中。接收端經(jīng)FFT變換后還原為頻域的基帶信號(hào)表示為： （） DFT的實(shí)現(xiàn)傅立葉變換將時(shí)域與頻域聯(lián)系在一起，傅立葉變換的形式有幾種，選擇哪種形式的傅立葉變換由工作的具體環(huán)境決定。在OFDM中，取載波最小間隔等于符號(hào)周期的倒數(shù)，即1／Ts，當(dāng)符號(hào)由矩形時(shí)間脈沖組成時(shí)，每個(gè)載波信號(hào)的頻譜為sin x／x形狀，其峰值對(duì)應(yīng)于所有其它載波頻譜的零點(diǎn)，載波間隔的選擇使這些載波在整個(gè)符號(hào)周期上是正交的，即在符號(hào)周期上的任何兩個(gè)載波的乘積都為零。當(dāng)ISI的時(shí)延與傳輸符號(hào)的周期處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，ISI的影響就會(huì)變得嚴(yán)重起來。子載波在頻域內(nèi)是相互正交的。因此用正交子載波技術(shù)可以節(jié)省寶貴的頻率資源，如圖33和圖34所示。這樣將比特錯(cuò)誤位置的隨機(jī)化可以提高前向糾錯(cuò)編碼FEC的性能，并且系統(tǒng)的總的性能也得到改進(jìn)。在接收端執(zhí)行相反的過程，從各個(gè)子載波處來的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換回原始的串行數(shù)據(jù)。選擇和切換的原則是頻譜利用率和誤碼率之間的平衡選擇。目前，OFDM已經(jīng)被國外的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采用，（歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)）的HiperLAN/2標(biāo)準(zhǔn)同樣采用OFDM作為調(diào)制方式，有線傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用也同樣采用了基于OFDM的調(diào)制復(fù)用技術(shù)，如在xDSL中的離散多音頻系統(tǒng)和有線調(diào)制器應(yīng)用。這種“正交”表示的是載波的頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或者干擾可能導(dǎo)致整條鏈路不可用，但在多載波系統(tǒng)中，只會(huì)有一小部分載波受影響。矩形脈沖的頻譜幅值為的函數(shù)，這種函數(shù)的零點(diǎn)出現(xiàn)在頻率為1/T整數(shù)倍的位置上。OFDM系統(tǒng)的典型FFT大小是511024和2048，而較小的128和256也是可能的。 上個(gè)世紀(jì)中期，人們提出了頻帶混疊的多載波通信方案，選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，也就是我們所說的OFDM。1991年，Casas提出了OFDM/FM的方案，可利用現(xiàn)有的調(diào)頻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其特點(diǎn)是調(diào)制器發(fā)送的子信道副載波調(diào)制的碼型是方波，并在碼元間插入了保護(hù)間隙。他們不用空保護(hù)間隔，而是用OFDM符號(hào)的循環(huán)擴(kuò)展來填充，這可有效地模擬一個(gè)信道完成循環(huán)卷積，這意味著當(dāng)CP大于信道的脈沖響應(yīng)時(shí)就能保證子載波間的正交性，但有一個(gè)問題就是能量損失。OFDM早期的應(yīng)用有ANIGSC1O(KATHRYN)高頻可變速率數(shù)傳調(diào)制解調(diào)器(Modem)。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用（FDM）的優(yōu)點(diǎn)是簡單、直接。此外，CDMA系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是采用閉環(huán)的功率控制，這在電路交換系統(tǒng)中比較容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于分組業(yè)務(wù)來說，對(duì)信道進(jìn)行探測，然后再返回功率控制命令會(huì)導(dǎo)致較大的時(shí)延，因此對(duì)于高速的無線分組業(yè)務(wù)來說，這