OFDM的原理和应用.doc

总第x期 xxxxx 内部刊物OFDM的原理和应用目 录一、OFDM的发展历程3二、OFDM系统的基本原理5三、OFDM系统中的关键技术83.1OFDM中的同步技术83.1.1载波同步83.1.2样值同步83.1.3符号同步93.2峰值平均功率比9四、OFDM技术的优势11五、OFDM技术需要克服的缺陷12六、OFDM在LTE系统的应用13七、OFDM的应用现状及前景16一、 OFDM的发展历程随着移动通信技术的蓬勃发展，无线通信系统呈现出移动化、宽带化和IP 化的趋势，移动通信市场的竞争也日趋激烈。现代社会对通信的依赖和要求越来越高，于是设计和开发效率更高的通信系统就成了通信工程界不断追求的目标。通信系统的效率，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。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。 正交频分复用（OFDM)技术并不是如今发展起来的新技术，它的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统中。当时由于OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。20世纪70年代，人们提出了采用离散傅里叶变换（DFT）来实现多载波调制，从而大大简化了其系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化；20世纪80年代，人们研究了如何将OFDM技术应用于高速MODEM；进入20世纪90年代以来，OFDM技术的研究已深入到无线宽带数据传输中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、数字音频广播（DAB)、数字视频广播（DVB)、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN)等。在广播应用中欧洲的ETSI（European Telecommunication Standard Institute，欧洲电信标准学会）已经制定了采用OFDM技术的数字音频广播（Digital Audio Broadcasting, DVB）的标准，数字视频广播（Digital Video Broadcasting，DVB）的标准也正在制定中；在宽带无限接入应用中，IEEE 802.11a及IEEE 802.16都有基于OFDM技术的建议，ETSI的Hiper LAN II也是一种基于OFDM技术的标准；在有线宽带接入技术中，例如xDSL（各种高速数字用户线）技术中，OFDM的一种特殊形式DMT（Discrete Multitone）以获得广泛应用；在数字蜂窝移动通信中应用中，OFDM是目前应用和研究的热点技术之一，2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过被称为LongTermEvolution (LTE) 即“3G长期演进”的立项工作。项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM，上行SC(单载波关FDMA。OFDM由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识；等等。OFDM在这些应用中已经表现出强大的生命力，随着制约OFDM应用的一些关键问题的解决，相信OFDM在未来的通信应用中将会扮演越来越重要的角色。目前，由于OFDM系统具有许多优点，比如其可更好的对抗频率选择性衰落或窄带干扰等，受到越来越多的关注。人们希望通过OFDM来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以提供带宽要求更高的多媒体业务和更快的网络浏览速度等。此外，OFDM还易于结合空时编码、分集、干扰（包括ISI和ICI）抑制以及智能天线等技术最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步得到优化。二、 OFDM系统的基本原理 OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。OFDM技术属于多载波调制（Multi-Carrier Modulation, MCM）的一种，是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线通常是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，每条链路都可以独立调制，因而该系统不论在上行还是在下行链路上，都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。因此，尽管总的信道是非平坦的，且具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，这样就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易被外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输环境中。传统的FDM（频分复用）技术将带宽分成几个子信道，中间用保护频带来降低干扰，它们同时发送数据。例如：有线电视系统和模拟无线广播等，接收机必须调谐到相应的频率。而OFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少得多。由于使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道上的数据。为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。传统OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代，人们提出了采用DFT/IDFT（离散傅立叶变换/离散傅立叶逆变换）来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统中， OFDM系统组成见图2-1。 图2-1 OFDM系统的组成OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制用的，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。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量，提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。 另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶逆变换（DFT/IDFT）代替多载波调制和解调，而目前，采用DSP或FPGA实现DFT/IDFT的技术已非常成熟和方便。 子载波间正交可以使载波间交叠而彼此间又不会因交叠失真,正交的子载波可通过离散傅里叶变换（DFT）获得（在实际应用中，用快速傅里叶变换FFT）。在接收端，对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，因为在每个子载波频率最大值处，所有其他子载波的频谱值恰好为0，所以可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。因此用正交子载波技术可以节省宝贵的频率资源，如图2-2，图2-3所示。图2-2 传统的频分复用(FDM)多载波技术图2-3 OFDM多载波调制技术三、 OFDM系统中的关键技术在实际的OFDM系统中，有两方面的问题非常关键，即：系统同步、峰值平均功率比。本章主要阐述以上问题对系统性能的影响及其解决方法。3.1 OFDM中的同步技术 同步性能的好坏对OFDM系统的性能影响很大。OFDM系统中的同步包括载波同步、样值同步和符号同步三部分，如图3-1所示。IFFTFFT符号同步信道载波解调载波调制A/DD/A 样值同步载波同步图3-1 OFDM系统中的同步示意图3.1.1 载波同步所谓载波同步是指接收端本地载波的振荡频率要与发送载波同频同相。对于多载波系统来说，发射机与接收机之间的载波频率偏差将导致接收信号在频域内发生偏移，子载波之间的正交性遭到破坏，从而在子载波之间引入干扰，使得系统的误码率性能恶化。3.1.2 样值同步样值同步是指接收端模/数（A/D)变换器取样频率要与发射端数/模（D/A)变换器的取样频率一致。如图3-1所示，在接收机中，经过载波调制的OFDM连续信号首先必须进行抽样和A/D变换，才能利用FFT变换到频域，进行各子载波上信号的解调。若接收机和发射机中的样值频率存在偏差，则会存在以下影响：第一，产生时变的定时偏差，导致接收机必须跟踪时变的相位变化；第二，样值频率的偏差就意味着FFT周期的偏差，因此经过抽样的子载波之间不再保持正交性，从而产生了子载波之间的信号干扰。3.1.3 符号同步符号同步是指接收端每个OFDM符号块的起止时刻要与发送端的起止时刻一致。由于在OFDM符号之间插入了循环前缀（CP）保护间隔，因此，只要CP的长度大于最大时延扩展，基本上可以完全消除由于多径引起的符号间干扰（ISI）；另一方面，在保护间隔内，对OFDM符号进行周期扩展，就可以避免引起子信道间的干扰（ICI）。所以，子载波频率的正弦函数在FFT运算窗口内必须包含整数个周期，且振幅恒定，才可保证各子载波之间的正交性，从而完全消除ISI和ICI。只有当FFT运算窗口超出了符号边界，或者落入符号的幅度滚降区间，才会引起ISI和ICI。在实际系统中，上述三种同步并不是孤立的，它们之间互相影响，所以一般都将它们综合起来一并考虑。3.2 峰值平均功率比与单载波系统相比，由于OFDM符号是由若干个独立的子载波信道经过调制后相加形成的，根据中心极限定理，合成信号的时域表示近似服从高斯分布。由此可见，合成信号就有可能产生较大的峰值功率，由此带来较大的峰值平均功率比近似服从高斯分布（Peak-to Average Ratio)，简称峰均比（PAR）。峰均比可以被定义为： 式中，Xn表示经过IFFT运算之后所得到的输出信号。对于包含N个子信道的OFDM来说，当N个子载波信号都以相同的相位求和时，合成信号的峰值功率就会是平均功率的N倍，因而基带信号的峰均比高达PAR=10lgN。因此，PAR较大时OFDM系统所面临的一个重要问题，必须要考虑如何减小大峰值功率信号的出现概率，从而避免非线性失真的出现. 系统设计时，一般需要根据系统中PAR的分布状况来选择功率放大器。下面就详细介绍减小PAR的方法：限幅类技术。限幅类技术采用了非线性过程，直接在OFDM信号幅度峰值或附近采用非线性操作来降低信号PAR值。非线性过程的不利之处就是带来了信号的畸变。属于这类技术的有限幅滤波、峰值滤波和峰值抵消。由于篇幅的限制，现仅介绍限幅滤波。在OFDM信号中，由于较大的峰值出现的概率非常小，因此，限幅是一种非常直接和有效地降低PAR值的技术。然而，限幅是一个非线性过程，它将导致严重的带内干扰和带外噪声，从而降低整个系统的误比特率性能和频谱效率。限幅后滤波可以降低带外频谱干扰，但这又将导致峰值再生。如果数字信号被直接限幅，限幅噪声将全部落在带内，并且不能通过滤波减少这些噪声。为了避免这种混叠现象，可以在输入数据后填充0，并采用更长的IFFT过程来过采样原始的数据块。同样，限幅后需要通过滤波来消除带外限幅噪声。当采用限幅技术来降低信号的PAR值时，信号幅度一旦超过设定的门限就将被去掉。限幅技术也有各种不同的方法。有的对逆傅里叶变换（IFFT）后、插值前的信号进行限幅处理。然而，处理后的信号在D/A转换前必须进行插值，这又将导致峰值再生。为了避免这种峰值再生，可以对插值后的信号进行限幅。四、 OFDM技术的优势(1) OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅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。(2) 在OFDM系统中，每条链路都可以独立调制，因而该系统不论在上行还是在下行链路上都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。这就可以引入“自适应调制”的概念。它增加了系统的灵活性，例如，在信道好的条件下终端可以采用较高阶的如64QAM调制以获得最大频谱效率，而在信道条件变差时可以选择QPSK（四相移相键控）调制等低阶调制来确保信噪比。这样，系统就可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。 (3) 可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。(4) 通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。(5) 该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。(6) 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法，从而简化系统。采用现场可编程门阵列（FPGA）进行IFFT/FFT等数字信号处理，不仅加速了产品上市时间，还可满足现在和下一代便携式设计所需要的成本、性能、尺寸等方面的要求，并提供系统级支持和享有快速有效地对新设计进行优化的灵活性。(7) 信道利用率很高，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。 五、 OFDM技术需要克服的缺陷尽管OFDM有很多的优点，在技术上也还存在以下两个主要缺点：（1）对频率偏移和相位噪声很敏感。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OFDM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，在接收端进行FFT变换前，必须对频率偏差进行估计和补偿。 可采用循环前缀方法对频率进行估计，即通过在时域内把OFDM符号的后面部分插入到该符号的开始部分，形成循环前缀。利用这一特性，可将信号延迟后与原信号进行相关运算，这样循环前缀的相关输出就可以用来估计频率偏差。 （2）峰值与均值功率比（PAPR-Peak to Average Power Ratio）相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。由于OFDM信号在时域上为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好都以峰值出现并将相加时，OFDM信号也产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。这样，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和A/D变换器的线性度要求较高，且发送效率较低。近年来，围绕这两个问题进行了大量研究工作，并且已经取得了许多进展。 六、 OFDM在LTE系统的应用LTE物理层的下行方向采用了OFDM技术。它将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，使可用带宽资源被灵活地在不同移动终端之间共享，从而避免了不同用户间的多址干扰。由于OFDM多址接入技术存在较高的PAPR（峰值平均功率比），从而对信号的发送端功放提出了很高的要求，大大提升了功放的成本。因此，在LTE的上行多址方案中，SC-FDMA（单载波频分多址）方式更受关注，原因主要在于这种多址方案降低了发射信号的PARP，可以有效的降低上行发送端手机的功率消耗，并且终端处不需要使用昂贵的线性功率放大器，大大降低了对手机终端的设备需求，从而降低了成本。LTE系统下行OFDMA多址方式使本小区内的用户信息均承载在相互正交的不同载波上，因此，大部分干扰都来自于其他小区。 对于小区中心的用户来说，其本身离基站的距离就比较近，而外小区的干扰信号距离又较远，则其信干比（SIR）相对较大；但是对于小区边缘的用户，由于相邻小区占用同样载波资源的用户对其干扰比较大，加之本身距离基站较远，其信干比相对就较小。这就导致了虽然小区整体的吞吐量较高，但是小区边缘的用户服务质量却较差，吞吐量较低。因此，在LTE系统中，十分重视小区间干扰问题的解决。3GPP讨论的LTE系统小区间干扰抑制技术主要有3种解决方式，即小区间干扰随机化、小区间干扰删除和小区间的干扰协调与避免。小区间干扰随机化就是要将干扰信号随机化，这种随机化不能降低干扰的能量，但是能够通过加扰的方式将干扰信号随机化为“白噪声”，从而抑制小区间干扰，因此又称为“干扰白化”。干扰随机化主要包括小区专属加扰和小区专属交织两种方法。小区专属加扰即在信道编码后，对干扰信号随机加扰。小区专属交织即在信道编码后，对传输信号进行不同方式的交织，也称为交织多址技术（IDMA）。对于干扰随机化而言，小区专属交织和小区专属加扰可以达到相同的系统性能。此外，还可以考虑在不同小区采用不同的跳频图案来取得干扰随机化的效果。经过多次讨论，LTE系统最终决定采用504个小区扰码进行干扰随机化。小区间干扰删除的原理是对小区内的干扰信号进行某种程度的解调甚至解码，然后利用接收机处理增益从接收信号中消除干扰分量。LTE系统主要考虑了干扰抑制合并（IRC）和基于交织多址（IDMA）的迭代干扰删除两种干扰删除方法。IDMA干扰技术的主要优势在于，对小区边缘的频率资源没有限制、相邻小区即使在小区边缘也可以使用相同的频率资源，因此，系统可以获得更高的小区边缘频谱效率和总频谱效率。其局限性主要在于小区间必须保持同步，目标小区必须知道干扰小区的导频结构，以完成干扰信号的信道估计。对于要进行小区间干扰删除的用户，必须给其分配相同的频率资源。因此，LTE标准最终没有采用IDMA这种技术，而仅仅考虑了采用IRC接收这种不需要标准化的技术以获取基本的干扰删除效果。 干扰协调又称为“软频率复用”或“部分频率复用”。这种方法是将频率资源分为若干个复用集，小区中心的用户可以采用较低的功率发射和接收，即使占用相同的频率也不会造成较强的小区间干扰（ICI），因此被分配在复用系数为1的复用集；而小区边缘的用户需要采用较高的功率发送和接收，有可能造成较强的ICI，因此被分配频率复用系数为N的复用集。软频率复用技术能够有效解决干扰协调与避免的问题，但是这种技术的缺陷主要体现在小区边缘的频率资源的复用效率受到限制，难以支持大量用户和很高的数据速率。 对比上面介绍的几种对于LTE系统的干扰抑制方案进行如下比较： （1）干扰随机化技术继续沿用CDMA系统成熟的加扰技术，比较简单可行。但面临的问题是将干扰视为白噪声处理，可能会造成由于统计特性不同而带来的测量误差。（2）干扰删除技术可以显著改善小区边缘的系统性能，获得较高的频谱效率，但是对于带宽较小的业务（如VoIP）则不太适用。 （3）干扰协调/避免则是目前研究的一项