正交频分复用技术

1、3.6 3.6 正交频分复用技术正交频分复用技术 (OFDM)(OFDM)学习目标 理解正交频分复用技术（OFDM）的基本原理 了解其与MIMO（多输入多输出系统）相结合的应用多 载 波 调 制多载波传输系统多载波传输首先把一个高速的数据流分解为若干个低速的子数据流（这样每个子数据流将具有低得多的比特速率），然后，每个子数据流经过调制（符号匹配）和滤波（波形形成g(t)），去调制相应的子载波，从而构成多个并行的已调信号，经过合成后进行传输。其基本结构如图266所示。 图2-66 多载波系统的基本结构 在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个传输链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有

2、少部分的子信道会受到深衰落或干扰的影响，因此多载波系统具有较高的传输能力以及抗衰落和干扰能力。在多载波传输技术中，对每一路载波频率（子载波）的选取可以有多种方法，它们的不同选取将决定最终已调信号的频谱宽度和形状。 第1种方法是：各子载波间的间隔足够大，从而使各路子载波上的已调信号的频谱不相重叠，如图267（a）所示。该方案就是传统的频分复用方式，即将整个频带划分成N个不重叠的子带，每个子带传输一路子载波信号，在接收端可用滤波器组进行分离。 这种方法的优点是实现简单、直接；缺点是频谱的利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难。 第2种方法是：各子载波间的间隔选取，使得

3、已调信号的频谱部分重叠， 使复合谱是平坦的， 如图2-67（b）所示。 重叠的谱的交点处信号功率比峰值功率低3 dB。 子载波之间的正交性通过交错同相或正交子带的数据得到(即将数据偏移半个码元周期)。 第3种方案是：各子载波是互相正交的， 且各子载波的频谱有1/2的重叠。 如图2-67（c）所示。 该调制方式被称为正交频分复用(OFDM)。 此时的系统带宽比FDMA系统的带宽可以节省一半。 图2-67 子载波频率设置 (a) 传统的频分复用； (b) 3 dB频分复用； (c）OFDM OFDM OFDM（Orthogonal Frequency Division Orthogonal Fre

4、quency Division MultiplexingMultiplexing）即正交频分复用技术。）即正交频分复用技术。 由于这种由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常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受外界干扰或者抵抗外界干扰常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。能力较差的传输介质中。 其其主要思想主要思想是：将信道分成若干正交子信道，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。正交信号可以通过在到在每个子信道上进行传输。正交信

5、号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（之间的相互干扰（ICIICI）。）。 每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。容易。 3.6.1 OFDM3.6.1 OFDM的原理的原理 OFDM OFDM是一种无线环境下

6、的高速传输技术，该是一种无线环境下的高速传输技术，该技术的技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。高了抗多径衰落的性能。 传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，要使用大量的发送滤波器和接受滤波互不重叠的，要使用大量的发送滤波器和接受滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时，器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。

7、同时，为了减小各个子载波间的相互串扰，各子载波间必为了减小各个子载波间的相互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利须保持足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利用率。用率。 而现代而现代OFDMOFDM系统采用数字信号处理技术，各子载系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。简化了系统的结构。 同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠，就如图相互重叠，就如图3-293-29所示，但这些频谱在整个符号所示，但这些频谱在整个符

8、号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。原信号。 图图3-29 3-29 正交频分复用信号的频谱示意图正交频分复用信号的频谱示意图 当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为解决这个问号间以及各个子载波间发生相互干扰。为解决这个问题，在每个题，在每个OFDMOFDM传输信号前面插入一个传输信号前面插入一个保护间隔保护间隔，它，它是由是由OFDMOFDM信号进行周期扩

9、展得到的。只要多径时延不信号进行周期扩展得到的。只要多径时延不超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。 由上面的原理分析可知，若要实现由上面的原理分析可知，若要实现OFDMOFDM，需要利，需要利用一组正交的信号作为子载波。我们再以用一组正交的信号作为子载波。我们再以码元周期为码元周期为T T不归零方波作为基带码型不归零方波作为基带码型，经调制器调制后送入信，经调制器调制后送入信道传输。道传输。 OFDMOFDM调制器调制器要发送的串行二进制数据经过数要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了据编码器形成了M M个复数序列，此复数序列经过串个复数

10、序列，此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为并变换器变换后得到码元周期为T T的的M M路并行码，路并行码，码型选用不归零方波。用这码型选用不归零方波。用这M M路并行码调制路并行码调制M M个子个子载波来实现频分复用。载波来实现频分复用。 在接收端也是由这样一组正交信号在一个码在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调，恢复出原始信号。，恢复出原始信号。 OFDM OFDM解调器如图解调器如图3-303-30所示。所示。 数数据据解解码码器器)0(A)0(B)cos(0tw w)sin(0tw w) 1(-

11、 -MA) 1(- -MB)(td信道信道)cos(1tM- -w w)sin(1tM- -w w串串行行变变换换器器)(mD串行数据串行数据 图图3-30 OFDM3-30 OFDM解调器解调器 为了降低为了降低OFDMOFDM系统的复杂度和成本，我们考系统的复杂度和成本，我们考虑用离散傅立叶变换（虑用离散傅立叶变换（DFTDFT）和反变换（）和反变换（IDFTIDFT）来）来实现上述功能。如果在发送端对实现上述功能。如果在发送端对D D（m m）做）做IDFTIDFT，把结果经信道发送到接收端，然后对接收到的信把结果经信道发送到接收端，然后对接收到的信号再做号再做DFTDFT，取其实部，则

12、可以不失真地恢复出原，取其实部，则可以不失真地恢复出原始信号始信号D D（m m）。这样可以利用离散傅立叶变换来）。这样可以利用离散傅立叶变换来实现实现OFDMOFDM信号的调制和解调。信号的调制和解调。 实现框图如图实现框图如图3-313-31和图和图3-323-32所示。用所示。用DFTDFT和和IDFTIDFT实现的实现的OFDMOFDM系统，大大降低了系统的复杂度系统，大大降低了系统的复杂度，减小了系统成本，为，减小了系统成本，为OFDMOFDM的广泛应用奠定了基的广泛应用奠定了基础。础。 图图3-31 3-31 用离散傅立叶变换实现用离散傅立叶变换实现OFDMOFDM的调制器的调制器

13、串行串行D(K)图图3-32 3-32 用离散傅立叶变换实现用离散傅立叶变换实现OFDMOFDM的解调器的解调器数据数据解码解码并串并串 变换变换DFTDFTA/DA/D变换变换低通低通滤波滤波d(n)(t)数据数据编码编码串并串并变换变换IDFTD/A变换变换低通低通滤波滤波串行串行D(K)d(n)(t)数据数据 OFDM OFDM子载波可以按两种方式排列：子载波可以按两种方式排列：集中式集中式（LocolizedLocolized）和）和分布式分布式（DistributedDistributed）。）。 集中式即将若干连续子载波分配给一个用户，集中式即将若干连续子载波分配给一个用户，这种方

14、式下系统可以通过频域调度（这种方式下系统可以通过频域调度（SchedulingScheduling）选择较优的子载波组（用户）进行传输，从而获得选择较优的子载波组（用户）进行传输，从而获得多用户分集增益。多用户分集增益。 另外，集中方式也可以降低信另外，集中方式也可以降低信道估计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较道估计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。小，用户平均性能略差。 分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽，从而获得频率分集增益。宽，从而获得频率分集增益。但这种方式下信道估计但这种方式下信道估计较为复杂

15、，也无法采用频域调度。设计中应根据实际较为复杂，也无法采用频域调度。设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。情况在上述两种方式中灵活进行选择。 在未来的宽带无线通信中，存在两个最严峻的挑在未来的宽带无线通信中，存在两个最严峻的挑战：多径衰落信道和带宽效率。因此，战：多径衰落信道和带宽效率。因此，802.11n802.11n计划计划采用采用MIMOMIMO与与OFDMOFDM相结合，使传输速率成倍提高。这是相结合，使传输速率成倍提高。这是因为，因为，OFDMOFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响；而转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响；而MIMOMIMO