OFDM技术背景发展及现状3

第页OFDM技术背景发展及现状1背景及意义正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）多载波系统采用了正交频分信道，能够在不需要复杂的均衡技术情况下支持高速无线数据传输，并具有很强的抗衰落和抗符号间干扰的能力，现在OFDM已经在欧洲的数字音视频广播，欧洲和北美的高速无线局域网系统，高比特数字用户线以及电力载波通信中得到了广泛应用。由于OFDM信号在时域上是由N个子载波信号叠加而成，当这些子载波信号相位一致时峰值叠加会产生最大峰值，导致较高的峰均功率比（Peak–to-AveragepowerRatio，PAPR），当放大器以及A/D转换器的线性动态范围不能满足信号的变化，就会引起信号失真，产生子载波之间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波间的正交性，降低系统效率。为此，降低信号的峰均比值显得尤为重要[1]。2OFDM技术的发展及现状正交频分复用是一种把高速率的串行数据通过频分复用来实现并行传输的多载波传输技术，其思想早在20世纪60年代就己经提出了，但由于并行传输系统需要基带成形捧波器阵列，正弦波载波发生器阵列及相干解调阵列，采用传统的模拟的方法实现是相当复杂的、昂贵的，因而早期并没有得到实际应用。1971年，Weistein和Ebert提出了用离散傅立叶变换(DFT)来实现多载波调制，人们开始研究并行传输的多载波系统的数字化实现方法，将DFT运用到OFDM的调制解调中，为OFDM的实用化奠定了基础，大大简化了多载波技术的实现。运用DFT实现的OFDM系统的发送端不需要多套的正弦发生器，而接收端也不需要用多个带通滤波器来检测各路子载波，但由于当时的数字信号处理技术的限制，OFDM技术并没有得到广泛应用。80年代，人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，L.J.Cimini首先分析了OFDM在移动通信中应用中存在的问题和解决方法，从此以后，OFDM在无线移动通信领域中的应用得到了迅猛的发展。近年来，由于数字信号处理技术(DigitalSignalProcessing,DSP)和大规模集成电路CPLD技术的飞速发展，使得当载波数目高达几千时也可以通过专用芯片来实现其DFT变换，大大推动了OFDM技术在无线通信环境中的实用化，OFDM技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注。OFDM已经成功的应用于数字音频广播系统(DigitalAudioBroadcasting,DAB)、数字视频广播系统(DigitalVideoBroadcasting,DVB)、无线电局域网(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)，非对称数字用户环路ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)等系统中。1995年，欧洲电信标准协会(ETSI)首次提出DAB标准，这是第一个采用OFDM的标准[5]。2019年12月，IEEE802.lla一个工作在5GHz的无线局域网标准，其中采用了OFDM调制技术作为其物理层(PRY)标准，欧洲电信标准协会的宽带射频接入网(BroadRadioAccessNetwork,BRAN)的局域网标准也采用OFDM技术。在我国，信息产业部无线电管理局也于2019年8月31日批准了中国网通开展OFDM固定无线接入系统CelerFlex的试验，该系统目前己经开通，并进行了必要的测试和业务演示。目前，人们开始集中精力研究和开发OFDM在无线移动通信领域的应用，并将OFDM技术及多种多址技术相结合。此外，OFDM技术还易于结合空时编码以及智能天线等技术，最大程度提高物理层信息传输的可靠性。新一代移动通信的核心技术OFDM调制技术发布:2019-9-5|作者:——|来源:wanghuixiang|查看:451次|用户关注：lOFDM的发展状况OFDM的历史要追溯到20世纪60年代中期，当时R．w．Chang发表了关于带限信号多信道传输合成的论文。他描述了发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道问干扰(ICI)和符号间干扰(。ISI)的原理。此后不久，Saltzberg完成了性能分析。他提出"设计一个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰(crosstalk)而不是完成单个信道，因为前者的影响是决定性的。"1970年，OFDM的专利发表，其基本思想lOFDM的发展状况

OFDM的历史要追溯到20世纪60年代中期，当时R．w．Chang发表了关于带限信号多信道传输合成的论文。他描述了发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道问干扰(ICI)和符号间干扰(。ISI)的原理。此后不久，Saltzberg完成了性能分析。他提出"设计一个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰(crosstalk)而不是完成单个信道，因为前者的影响是决定性的。"

1970年，OFDM的专利发表，其基本思想就是通过采用允许子信道频谱重叠，但又相互间不影响的频分复用(FDM)的方法来并行传送数据，不仅无需高速均衡器，有很高的频谱利用率，而且有较强的抗脉冲噪声及多径衰落的能力。OFDM早期的应用有ANIGSC-1O(KATH-RYN)高频可变速率数传调制解调器(Modem)。该Mo-dem利用34路子信道并行传送34路低速数据，每个子信道采用相移键控(PSK)调制，且各子信道载波相互正交，间隔为84Hz。但是在早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道

数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。

对OFDM做主要贡献的是Weinstein和Ebert在1971年的论文，Weinstein和Ebert提出使用离散傅里叶变换(DiscreteFourierTransform，DFT)，实现OFDM系统中的全部调制和解调功能的建议。因而简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间的严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备。用离散傅里叶变换(DFT)完成基带调制和解调，这项工作不是集中在单个信道，而是旨在引入消除子载波间干扰的处理方法。为了抗ISI和ICI，他们在时域的符号和升余弦窗之间用了保护时间，但在一个时间弥散信道上的子载波间不能保证良好的正交性。

另一个主要贡献是Peled和Ruiz在1980年的论文，他引入了循环前缀(CyclicPrefix，CP)的概念，解决了正交性的问题。他们不用空保护间隔，而是用OFDM符号的循环扩展来填充，这可有效地模拟一个信道完成循环卷积，这意味着当CP大于信道的脉冲响应时就能保证子载波间的正交性，但有一个问题就是能量损失。

随着VLSI的迅速发展，已经出现了高速大阶数的FFT专用芯片及可用软件快速实现FFT的数字信号处理(DSP)的通用芯片，且价格低廉，使利用FFT来实现OFDM的技术成为可能。1981年Hirosaki用DFT完成的OFDM调制技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kb/s的电话线Modem。而在无线移动信道中，尽管存在着多径传播及多普勒频移所引起的频率选择性衰落和瑞利衰落，但OFDM调制还是能够减轻瑞利衰落的影响。这是因为在高速串行传送码元时，深衰落会导致邻近的一串码元被严重破坏，造成突发性误码。而及串行方式不同，OFDM能将高速串行码流转变成许多低速的码流进行并行传送，使得码元周期很长，即远大于深衰落的持续时间，因而当出现深衰落时，并行的码元只是轻微的受损，经过纠错就可以恢复。另外对于多径传播引起的码间串扰问题，其解决的方案是在码元间插入保护间隙，只要保护间隙大于最大的传播时延时间，码间串扰就可以完全避免。

正基于此，1984年，Cimini提出了一种适于无线信道传送数据的OFDM方案。其特点是调制器发送的子信道副载波调制的码型是方波，并在码元间插入了保护间隙。虽然各子信道的频谱为sinx/x形，但由于码元周期很长，单路子信道所占的频带很窄，因而位于信道频率边缘的子信道的拖尾，对整个信道带宽影响不大，可以避免多径传播引起的码间串扰。同时由于省去了升余弦滤波器，使实现的方案非常简单，因此后来的大多数OFDM方案都是以此为原形实现的。

20世纪90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频(FM)和单边带(SSB)信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路(HDSL)、非对称数字用户环路(ADSL)、超高速数字用户环路(VHDSL)、数字音频广播(DAB)及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统。1991年，Casas提出了OFDM/FM的方案，可利用现有的调频系统进行数据传输。2OFDM的基本原理

OFDM是一种高效的数据传输方式，其基本思想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，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是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，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是他允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波问相互正交，则可以从混叠的子载波上分离出数据信号。由于OFDM允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。

OFDM最简单的调制和解调结构如图1(a)，图1(b)所示。为了表达简单，忽略了在通信系统中常用的滤波器。

OFDM最常用的低通等效信号形式可写为一组并行发射的调制载波，为：其中：及：其中Cn,k是第n个信号间隔的第k个子载波的发射符号，每个周期Ts，N是OFDM子载波数，fk是第k个子载波的频率，f0是所用的最低频率。设Fn(t)为第n个OFDM帧，Ts是符号周期，则有：

因此Fn(t)对应于符号组Cn,k(k=O，1，…，N-1)，每个都是在相应子载波fk上调制发送。

解调是基于载波gk(t)的正交性，即：因此解调器将完成以下运算：

为了使一个OFDM系统实用化，可用DFT来完成调制和解调。通过对式(1)和式(4)的低通等效信号用采样速率为N倍的符号速率1/Ts进行采样，并假设f0=0(即该载波频率为最低子载波频率)，则OFDM帧可表示为：这样，利用前面的关系式，我们可得：

这样，对于一个固定乘性因子N，采样OFDM帧可通过离散傅里叶反变换(InverseDiscreteFourierTrans-form，IDFT)来产生(调制过程)，而原始的发送数据可通过离散傅里叶变换(DFT)恢复出来(解调功能)。图2给出基于FFT的OFDM通信系统。3OFDM的同步问题

OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中及其他多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。及其他数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播发送同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域和频域同步，也可以时域和频域同时进行同步。本文主要探讨时域同步，时域同步主要有两种，即基于导频(Pilots)和基于循环前缀的同步。一种新的MB-OFDM-UWB技术分析及应用发布:2019-5-28|作者:——|来源:hujinhao|查看:487次|用户关注：摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTA—C)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为1～26MHz，阻带抑制率大于35dB，带内波纹小于0．5dB，采用1．8V电源，TSMC0．18μmCMOS工艺库仿真，功耗小于21mW，频响曲线接近理想状态。关键词：Butte

1引言超宽带(UWB)通信技术具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多径衰落、易数字化等诸多优点。在因特网、多媒体和无线通信技术融合的今天，它是实现小范围内无缝覆盖的无线多媒体传输需求的热门技术手段，被视为新一代无线个域网物理层标准技术。目前UWB有两大标准：一是以Intel公司为首提交的多带正交频分复用(MB-OFDM)方案;另一个是以Freescale公司为首提交的直扩码分多址(DS-CDMA)方案。而MB-OFDM方案已成为MBOA联盟事实上的标准。在此基础上提出的时频交织MB-OFDM方式，及传统OFDM有很多相似之处，又符合FCC关于UWB的定义，具有UWB的特点，是一种新的UWB通信实现方式，使得MB-OFDM芯片得到了越来越多厂商的支持和应用。2关键技术1)多频带的划分FCC公布UWB信号的定义是：相对带宽(信号带宽及中心频率之比)大于0.2或绝对带宽大于500MHz的无线电信号。UWB系统可在发射功率谱密度小于-41.3dBm/MHz的情况下，使用无需授权的3.1～10.6CHz频段。这里没有限制UWB信号的实现方式，只要绝对带宽大于500MHz，并非要用脉冲无线电。因此，MB-OFDM-UWB技术打破了传统观点。可将这个频段分为14个带宽为528MHz的子带、5个频带组：1组：3168～4752MHz;2组：4752～6336MHz;3组：6336～7920MHz;4组：7920～9504MHz;5组：9504～1056MHz。由于UWB有效带宽在3.1～5GHz，因此，只有1组中3个子带可用，其余保留备用。2)时频交织(TFI)技术时频交织技术示意图如图1所示。OFDM符号在3个子带上进行时域频域交错传输，即在一个OFDM符号时间内，只有一个子带在工作。通过交错各子带信号，UWB系统就像使用了整个带宽，这样就可在小得多的带宽上处理信息，不仅降低设计的复杂度、功耗及成本，而且还能提高频谱利用率和灵活性，有助于在全球范围内符合相关的标准。3)循环前缀和保护间隔设计每个子带内采用OFDM调制，用128点IFFT完成，每个子载波用QPSK实现星座映射。OFDM符号间隔为312.5ns，3个符号为一个周期937.5ns，子载波间隔为4。采用60.6ns循环前缀对抗多径，9.5ns保护间隔提供充足频带切换时间，IFFT周期为242.4ns，参数见表1。通过跳频将信息比特交织到子载波上，有较好的频率分集效果和抗频率选择性衰落性能。4)可扩展性设计MB-TFI-OFDM技术具有良好的可扩展性，能兼顾到目前技术上的可实现性和可升级性。信道编码采用卷积码，码率有1/3，11/32，1/2，5/8和3/4，系统支持的数据速率有55，80，110，160，200，320，480Mbit/s。使用的频带可从3个频带组扩展到7个频带组。3系统性能和特点3.1性能分析利用MATLAB软件对MB-TFI-OFDMUWB系统进行仿真，图2所示为跳频后的OFDM符号在3个子带上的功率谱密度仿真波形，可见，每个子带带宽约为528MHz，采用时频交织技术能实现在相同的时间内采用不同频段工作，而不会引起符号间干扰。因此，在不同频带的3个OFDM信号可并行传输，系统容量大，信道利用率高，频谱更加灵活。可靠性是系统性能的一个重要指标，在此用误包率曲线表示。如图3所示，误包率是随着信噪比的增加而减小的，且相同误包率下，高速率对应高信噪比，因此，采用高速率的MB-TFI-OFDM超宽带系统，抗噪声和干扰能力很强，有很大灵活性，可方便适应不同地区的频谱规范。但高速率只能在一定距离上获得，即传输距离和速率是相互制约的，因此UWB系统具有高速率、短距离等特点。可见，这种MB-TFI-OFDMUWB技术是满足WPAN的数据速率及误码率和传输距离的要求的。3.2技术优点1)抗多径、捕获多径信号的能力强。借助循环前缀克服多径信道引入的时延扩展，用结构较简单的接收机，就能在高度多径环境中捕获到更多信号，电路简单、成本低、功耗低，电池可支持移动设备长时间连续使用。2)频谱灵活性强、共存性好。UWB使用无需授权频段，确保不会对授权频段设备产生干扰。MB-OFDM-UWB信号是由A/D转换器产生，可用软件动态地打开或关闭某些特定频段，使其符合本地规定，这有助于在不同国家内采用MB-OFDM系统。3)设计复杂度低，上市快。传统OFDM系统较复杂，MB-TFI-OFDM系统经过专门设计，只采用QPSK调制，降低了IFFT和FFT实现复杂度以及对ADC和DAC的分辨率要求。模拟前端电路甚至总体结构的设计，易于用90nmCMOS实现，缩短了产品投放市场的时间。4)安全机制建立方便。可建立一个嵌入式、始终处于“开通”状态的安全架构，在协议栈的一些层次上提供安全性和隐私机制，确保无线技术所需的强壮性和对用户的透明度。4技术应用及展望4.1MBOA的UWB通用平台由于IEEE802.15.3a标准出现僵局，MBOA于2019年初成立了特别兴趣小组，着手制订和推广自己的物理层和MAC层规范，力争成为全球事实标准。2019年5月，WiMedia联盟和1394联盟及MBOA联合，使得MBOA的物理层和MAC层规范可广泛支持各种应用层业务，成为UWB标准通用平台，如图4所示，它可支持无线USB、无线1394、通用即插即用(UPNP)、IP等多种应用。物理层规范具备了480Mbit/s的空中解码能力，可进一步升级，支持无线数字显示接口(DVI)和高清晰媒体接口(HDMI)以及Gbit/s速率的数据传输。4.2Wisair-UWB芯片组MBOA芯片已趋于成熟，具有代表性的产品是Wi-sair公司开发的UWB芯片组，已获得美国FCC认证。该芯片组包括：基于MB-OFDM方式的射频收发芯片(Wi-sair502PHYRFchip)和基带处理芯片(Wisair531MACBasebandchip)。其中，用0.18μm硅锗biCMOS工艺生产的502收发器可替代业界第一批符合WiMedia和MBOA标准的501收发器。它减少了UWB无线解决方案的功耗、尺寸和总成本，还支持多频带OFDMTFI和FFI模式。占据的频谱在3.1GHz和4.8GHz之间，主要是3条528MHz宽子频带。它可在短距离上提供高达480Mbit/s的数据传输速率。此外，它包括一个片上带通滤波器、一个具有很宽可编程动态范围的宽带接收器、以及一个带有片上压控振荡器的超快速跳频宽带混频器。其可编程的功率放大器可确保最大允许输出功率。而且还支持用2个天线来实现天线分集，不需要外部匹配不平衡变压器。Wisair531UWB基带芯片主要针对消费电子设备不断增长的对超高速视频和数据传送的需求。它们也适用于快速实现PC外设、移动和汽车产品、以及要求在短距离上实现高速传送的其他应用。4.3各厂商应用情况2019年是UWB激活的一年，在全球超宽带峰会上，有12家厂商展示了UWB产品及解决方案。2019年1月于美国消费电子展(CES)上，又有不少厂商展出了基于UWB技术的商用产品。如美国DCREDNA研究所在梅赛德斯-奔驰R500上采用宽带技术实现高清视频播放，采用了Intel的UWB解决方案;三星SC-D365无线数字摄像机，是全球首个采用超宽带技术，以无缝方式显示了通过无线USB链路发送的视频剪辑，它不再需要取出内存或通过电线连接，而是能将家庭电影片段以无线方式传送到PC进行存储或显示;华硕公司的一款无线HDMI产品，采用UWB支持S-Video端口、HDMI信号以及A-DI的ADV202JPEG2000图像解码芯片，可用于高速影片图片传输、音乐下载、打印，以及PC外设及消费电子产品的数据同步。2019年5月，香港应科院及深圳雅图科技演示了他们共同研发的“世界上第一台具无线超宽带视频流技术的超大屏幕投影电视”。4.4存在问题及前景展望UWB的应用推广有3个至关重要的问题：一是标准问题，业界厂商要群策群力制定标准，才能带来广泛的互通和应用;二是产业链的跟进，包括芯片、系统厂商技术及产品的研发及推广;三是互联互通的网络结构和协议。WPAN技术主要的目的就是将电子设备之间的连线替换成无线连接，使家庭或办公室中的各种设备之间的信息交换更加方便、灵活和快捷。MB-OFDM-UWB技术又是实现WPAN的最佳选择之一，因此，在数字化无线家庭网络、数字化办公室、个人便携设备和军事等诸多领域都有着广阔的发展和应用前景。5小结MB-TFI-OFDM技术是UWB通信中一种新的实现方式，以它独特的优势，将会促进MB-OFDM芯片的商业化和产品化进程，使得MB-OFDM方案得到了越来越多厂商的支持及应用，从而有希望成为WPAN物理层的标准技术。该技术仍处于起步阶段，市场潜力巨大，发展前景广阔。我国应该抓住国际上UWB的研发热潮，积极参及国际标准化活动，根据具有自主知识产权的技术制定我国的相关标准，积极开拓UWB技术的产业化道路。基于OFDM技术的4G通信网络应用dzsc文章出处：发布时间：2019/06/23|269次阅读|0次推荐|0条留言引言在21世纪，移动通信技术和市场飞速发展，在新技术、市场需求的共同作用下，出现了第三代移动通信系统-3G,3G中采用码分多址（CDMA）技术来处理多径问题，以获得多径分集增益。然而在该体制中，多径干扰和多用户干扰始终并存，在用户数较多的情况下，实现多用户检测是非常困难的。并且CDMA本身是一个自扰系统，所有的移动用户都占用相同的带宽和频率，所以在系统容量有限的情况下，用户数越多就越难达到较高的通信速率，因此3G系统所提供的2Mb/s带宽是共享式的，当多个用户同时使用时，平均每个用户可使用的带宽远低于2Mb/s,而这样的带宽并不能满足移动用户对一些多媒体业务的需求。不同领域技术的综合及协作，伴随着全新无线宽带技术的智能化，以及定位于用户的新业务，这一切必将繁衍出新一代移动通信系统4G。相比于3G,4G可以提供高达100Mb/s的数据传输速率，支持从语音到数据的多媒体业务，并且能达到更高的频谱利用率以及更低的成本。为了达到以上目标，4G中必须采用其他相对于3G中的CDMA这样的突破性技术，尤其是要研究在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定、可靠、高效地支持高数据速率的数据传输。因此，在4G移动通信系统中采用了OFDM技术作为其核心技术，它可以在有效提高传输速率的同时，增加系统容量、避免高速引起的各种干扰，并具有良好的抗噪声性能、抗多径信道干扰和频谱利用率高等优点。本文将对OFDM的基本原理以及其调制/解调技术的实现和循环前缀技术进行介绍，并在三个主要方面将OFDM及CDMA技术进行对比分析。2OFDM技术分析2.1OFDM基本原理正交频分复用的基本原理可以概述如下：把一路高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输。在频域内将信道划分为若干相互正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立地进行传输。由于多径传播效应会造成接收信号相互重叠，产生信号波形间的相互干扰，形成符号间干扰，如果每个子信道的带宽被划分的足够窄，每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的。如图1所示。因此，每个子信道都可看作无符号间干扰的理想信道。这样，在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。在OFDM系统中，通过在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，以及消除由于多径传播效应所引起的OFDM符号间的干扰。因此，OFDM特别适合于在存在多径衰落的移动无线信道中高速传输数据。OFDM的原理框图如2所示。如图2所示，原始高速率比特流经过串/并变换后变为若干组低速率的比特流d（M），这些d（M）经过调制后变成了对应的频域信号，然后经过加循环前缀、D/A变换，通过RF发送出去；经过无线信道的传播后，在接收机以及发送机相反的顺序接收解调下来，从而得到原发送信号。图2中d（M）为第M个调制码元；图中的OFDM已调制信号D（t）的表达式为：式（1）中：T为码元周期加保护时间；fn为各子载波的频率，可表示为：式（2）中：f0为最低子载波频率；Ts为码元周期。在发射端，发射数据经过常规QAM调制形成基带信号。然后经过串并变换成M个子信号，这些子信号再调制相互正交的M个子载波，其中/正交0表示的是载波频率间精确的数学关系，其数学表示为QT0fx（t）fy（t）dt=0,最后相加成OFDM发射信号。实际的输出信号可表示为：在接收端，输入信号分成M个支路，分别用M个子载波混频和积分，恢复出子信号，再经过并串变换和常规QAM解调就可以恢复出数据。由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效地分离各子载波信道，如下式所示：式中dc（m）为接收端第m支路子信号。在整个OFDM的工作流程中OFDM及其他技术的主要区别在于其采用的调制/解调技术以及循环前缀的加入这两个环节，下面将对其进行较为详细的分析。2.2OFDM调制/解调技术的实现OFDM系统的调制和解调可以采用离散逆傅立叶变换（IDFT）以及离散傅立叶变换（DFT）来实现，在实际应用中，可以采用更加方便快捷的逆快速傅立叶变换（IFFT）和快速傅立叶变换（FFT）技术来实现调制和解调，这是OFDM的技术优势之一。首先不考虑保护时间，将式（2）代入式（1）可得到如下等式：式中ts为串并变换前的信号周期，显然，ts=1MTs;令X（t）为复等效基带信号：对X（t）进行抽样，抽样频率为1ts,即tk=kts,则有：由上式可知X（t）=X（tk）为d（n）的傅立叶逆变换。同样在接收端可以采用相反的方法，即离散傅立叶变换得到：由上面的分析可以看出OFDM的调制可以由IDFT实现，而解调可由DFT实现。当系统中的子载波数很大时，可以采用快速傅立叶变换（FFT/IF2FT）来实现调制和解调，以显着地降低运算复杂度，从而在数字信号处理器DSP上比较容易实现，因此能够达到简化4G通信系统中硬件实现的复杂度并减少设备成本的效果，现存的还有诸如矢量变换方式、基于小波变换的离散小波多音频调制方式等，但这些方式及OFDM相比，实现复杂度相对较高，因而一般不会用于4G通信系统。2.3循环前缀基本原理在OFDM系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，在每个OFDM符号之间要插入保护间隔，该保护间隔长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即保护间隔是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰，即子载波之间的正交性遭到破坏，使不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径传播造成的信道间干扰，将原来宽度为T的OFDM符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔，如下图3所示：将保护间隔内的信号称为循环前缀（Cyclicprefix）。由图3可以看出，循环前缀中的信号及OFDM符号尾部宽度为Tg的部分相同。在实际系统中，OFDM符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。接收端首先将接收符号开始的宽度为Tg的部分丢弃，将剩余的宽度为T的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。通过在OFDM符号内加入循环前缀可以保证在FFT周期内，OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期个数是整数。这样，时延小于保护间隔Tg的时延信号就不会在解调的过程中产生信道间干扰。通过对上述两个技术环节的分析可以看出，OFDM的调制解调技术可以降低硬件实现的复杂度；循环前缀技术可以有效消除由于多径传播造成的信道间干扰影响。这些对于4G通信系统降低设备成本以及提高信号质量都是至关重要的。3OFDM及CDMA技术的比较分析作为4G中的核心技术，4G通信系统在频谱利用率、高速率多媒体服务的支持、调制方式的灵活性及抗多径信道干扰等方面优于3G通信系统。这主要缘于4G采用的OFDM技术及3G中采用的CDMA技术在其技术特点上存在着差异。下面就从抗多径干扰、调制技术以及峰均功率比这三个方面对OFDM及CDMA的技术特点进行对比分析。3.1抗多径干扰无线信道中，由于信道传输特性不理想容易产生多径传播效应，多径传播效应会造成接收信号相互重叠，产生信号波形间的相互干扰，使接收端判断错误，从而严重地影响信号传输的质量，易造成符号间干扰。CDMA系统中，为了减小多径干扰，CDMA接收机采用了分离多径（RAKE）分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源，RAKE接收机提供一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等，试验证明，如果路径数超过7或8条，这种信号能量的分散将使得信道估计精确度降低，RAKE的接收性能下降就会很快。OFDM将高速率的信号转换成低速率的信号，从而扩展了信号的周期，减弱了多径传播的影响，同时通过加循环前缀的方式，使各子载波之间相互正交，减少了ISI和各信道间的干扰，在4G的多媒体通信中能够提高通信质量。3.2调制技术CDMA系统中，下行链路采用了多载波调制技术，但每条链路上的调制方式相同，上行链路不支持多载波调制，这使得CDMA系统丧失了一定的灵活性；同时，由于此链路的非正交性，使得不同调制方式的用户会产生很大的噪声干扰。OFDM的上、下行链路都采用多载波调制技术，并且每条链路中的调制方式也可以根据实际信道的状况/自适应调制0,从而更加灵活。在信噪比（SNR）满足一定要求的前提下，对质量好的信道可以采用高阶调制技术（16QAM等）；在信道质量差的情况下，可以采用低阶调制技术（QPSK等），从而使系统可以在频谱利用率和误码率之间得到最佳配置。3.3峰均功率比峰均功率比就是峰值及均值的功率比，定义为信号的最大峰值功率和同一信号平均功率之比，简称峰均比。在实际应用中这是一个不容忽视的重要因素。因为较高的PAPR将导致发送端对功率放大器的线性要求也较高，这意味着要设备的功耗将增大，因此就要提供额外功率、电池备份和扩大设备的尺寸，从而导致设备成本的提高。CDMA系统的PAPR一般在5-11dB,并会随着数据速率和使用码数的增加而增加。OFDM信号是由多个独立的经过调制的正交子载波信号叠加而成，这种合成信号有可能产生比较大的峰值功率，从而带来较大的PAPR。目前，用来控制OFDM的PAPR的技术主要有以下两种：（1）信号失真技术采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。（2）扰码技术采用扰码技术，使生成的OFDM的互相关性尽量为0,从而使OFDM的PAPR减少。具体的实现技术包括：编码、局部扰码、部分发送序列。综上所述，在抗多径干扰、调制技术方面，OFDM的性能优于CDMA技术，并且可以通过其他技术来降低其峰均功率比。及第三代移动通信系统相比，OFDM以其更加灵活的调制方式、更强的抗多径干扰的能力以及更高的频谱利用率，全面提高了4G通信系统的性能，改善了4G移动业务的服务质量，并且大幅度降低了4G通信系统的成本，因而成为4G中不可或缺的核心技术。4结语OFDM通过频域划分互相正交的子信道使其频谱效率及传统的频分复用技术相比有显着提高，同时由于子信道可以划分得很窄因而每一个子信道都很平坦，避免了使用复杂的均衡器。通过使用循环前缀，一方面消除了OFDM符号间干扰，另一方面保证了子载波之间的正交性，这对于频率选择性衰落信道克服多径干扰尤其有效。但是，OFDM还不是尽善尽美并存在许多问题需要解决。日后在4G的深入研究中应考虑将OFDM及其他技术进行结合（OFDM-CDMA等），从而达到更好的通信质量。基于导频信号的MIMO-OFDM同步技术dzsc文章出处：发布时间：2019/03/07|373次阅读|0次推荐|0条留言

摘

要：MIMO-OFDM技术将成为第4代移动通信系统的关键技术，因MIMO-OFDM对时间和频率偏移非常敏感,因此MIMO-OFDM同步显得尤为重要。提出了一种新的MIMO-OFDM定时同步和频偏同步技术。以GCL序列为基础设计了一个新的符合MIMO-OFDM同步技术的导频序列，通过对该导频序列进行2次相关得到频率估计，并将所得频率运用到定时同步中，得到更为准确的时间估计。仿真结果表明，在相同的信噪比情况下，该方法可以使得系统的误码率和帧传送误码率相对传统方法得到进一步减小。0

引言移动通信的目标是实现高质量、高速率的移动多媒体传输。正交频分复用(orthogONalfrequencydivisionmultiplexing，OFDM)技术被认为是实现高速数据传输的一种非常有效的手段。它利用许多并行的、低速率数据传输的子载波来实现一个高速率的数据通信。多输入多输出(multipleinputmultipleoutput,MIMO)系统是在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，能够有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播成倍地提高业务传输速率。MIMO和OFDM的结合是未来宽带通信系统中一种很有前景的技术。但是，MIMO和OFDM技术对同步要求较高，目前已经提出了许多解决定时同步和频率同步的方法。设计了一种基于GCL序列的新的导频信号应用于同步。GCL序列不仅满足很好的周期自相关性，也具有一定的互相关性，而且应用广泛，符合导频设计的要求。对新设计的导频序列进行2次相关运算得到频率估计，并将所得频率运用到定时同步中，从而获得更为准确的时间估计。首先建立MIMO-OFDM模型，然后计算它的定时同步和频率同步，最后进行性能仿真和分析。1

MIMO-OFDM的模型MIMO-OFDM系统如图1所示，这里设置发送天线个数为Nt，接收天线个数为Nr。图1

Nt*NrMIMO-OFDM模型从第p个传送天线中传送出来的OFDM信号可以表示为：式中，N为OFDM符号的子载波数。假设系统运行于一个多径环境，且信道最大延迟为d，那么，发送天线p和接收天线q之间的信道可以表示为：式中，h(p，q)(l)为p和q之间子信道的增益。在接收端，由多普勒效应或接收端和发送端的振荡器内部的不稳定性引起的频率偏移设为ε，则q接收端的信号可以表示为：式中，q=1，2，3，Nr,wq(n)代表噪声。2

同步算法21

导频信号的设计设计的导频信号如图2所示，它含有3个训练序列。前2个由2个相同的GCL序列构成，对于不同的天线，序列左移不同的长度，可根据仿真时同步估计的优劣来确定该长度。第3个是1个短的GCL序列，该序列是前1个序列后K位的重复。图2

导频信号2.2

GCLGCL序列被定义为：式中，(k)mod(m)意味着k除以m取模。ak=，M及N互质，k=0，，N-1是一个长为N=sm2的Chu序列，这里m和s是任意的正整数。{bk}，k=0，，m-1是满足绝对值为1的任意复数。当存在频率偏移时，GCL的周期相关性可以表示为：令k=ism+d，i=0，1，，m=1;d=0，1，sm-1。可以证明，当p=时，相关函数不为零，则时间同步估计值为：2.3

定时同步和频率同步由文献[2]可以得到粗定时同步的计算公式：式中：利用式(9)求得的定时偏移d，下面采取2次相关计算对频率偏移进行估计。首先，利用前2个长训练序列进行大范围的相关计算，大概估计出频率偏移：在进行频率补偿之后，利用后一个长序列和第3个短序列再进行一次相关运算，求出更为精确的频偏,表示如下：从式(7)可以看到，当存在频率偏移时，定时同步的估计会出现偏差。因此，精确的定时同步可表示为:3

仿真结果和分析为了对提出的同步算法进行性能仿真，设定仿真参数如表1所示。图3是高斯信道下定时同步帧接收正确率的仿真结果。从图3可以看出，新提出的同步方法相对于传统的同步方法可以获得更高的准确率，例如要求正确率为1，前者的信噪比只需要为5dB，而后者需要10dB。图4是瑞利信道下定时同步帧接收正确率的仿真结果。从图4可以看到,新提出的同步方法总体上要比传统的同步方法准确率高，只是在个别点上性能受到影响。表1

仿真参数图3

高斯信道下定时同步的正确率图4

瑞利信道下定时同步的正确率图5和图6分别为频率偏移估计误码率和最小均方误差的仿真结果。从图5和图6可以看出，新提出的同步方法在频率偏移估计误码率和最小均方误差性能上均比传统的同步方法性能好，且随着收发天线数的增加，2种同步方法的误码率和最小均方误差性能均随之提高。此外,在信噪比大于20dB之后，新提出的同步方法对系统性能的改善尤为明显。图5

频率偏移估计的误码率图6

率偏移估计的最小均方误差4

结束语对MIMO-OFDM同步问题进行了研究，主要针对传统算法误码率和帧接收率性能的不足，在GCL序列的基础上引进了一种新的数据辅助算法。仿真结果表明，相对于传统的同步算法，新提出的算法能够有效地提高频率偏移估计的误码率和帧传送性能。浅析OFDM技术在应急通信系统中的应用dzsc文章出处：发布时间：2019/12/27|177次阅读|0次推荐|0条留言

摘要:当前,自然灾害、公共卫生事件以及公共安全事件在世界范围内频频发生,应急通信系统在面对这些突发事件时扮演着越来越重要的角色。本文首先分析了下一代移动通信核心技术OFDM技术的原理及其特点,并以McWiLL系统为例,简要分析了OFDM技术在McWiLL应急通信系统的应用。最后得出结论OFDM技术在未来的应急通信系统中将得到广泛应用。1概述近年来,无论是自然灾害的救援工作、公共卫生事件的防疫工作还是安全事件的秩序维护工作都对公共事件的相关部门处理紧急响应事件提出了越来越高的要求。相应部门无论是在预警方案和组织管理协调的软件方面,还是相应通信设备和管理指挥系统的硬件配备方面,都面临着全新的考验。因此,建设一套高效适用的应急通信系统,为公众提供更及时的救助服务,已成为当前一个重要而迫切的课题。作为第四代移动通信技术的核心技术OFDM技术,其多载波的传输距离和图像信号的流畅性均要优越于单载波技术,适用于强调无线语音和无线视频的实时性通信应急通信系统。2OFDM技术及特点OFDM技术即正交频分复用技术,它的提出已有40年的历史,及已经普遍应用的FDM技术十分相似,OFDM技术把高速的数据流通过串/并变换分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输,其第一个实际应用是军用的无线高频通信链路。及传统技术相比,OFDM技术具有以下一些优点:1)通过对高速率数据流进行串/并转换,使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的符号间的干扰,进而减少了接收机内均衡器的复杂度,有时甚至可以不采用均衡器,而仅仅通过插入循环前缀的方法消除符号间干扰的不利影响。2)OFDM中由于各个子载波间存在正交性,允许子信道的频谱相互重叠,因此,OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。OFDM技术及传统的FDM技术带宽利用率比较如图1所示。从图1中可以看出,传统的FDM技术需要在两个信道之间存在较大的频率间隔来防止干扰,这就降低了全部的频谱利用率,而应用OFDM技术的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽,提高了频谱利用率。图1

FDM及OFDM带宽利用率的比较。3)各个子信道的正交调制和解调可以分别通过采用离散傅里叶反变换和离散傅里叶变换来实现,而且当子载波数很多时,还可以通过采用快速傅里叶反变换和快速傅里叶变换来实现。4)OFDM系统物理层支持非对称的高速率数据传输,通过使用不同数据的子信道可以实现上下行链路中不同的传输速率。5)OFDM技术易于和多种接入方式相结合使用。但是OFDM系统由于存在多个正交的子载波,而且输出信号是多个子信道信号的叠加,因此及传统技术相比,也存在一些缺点:1)易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖,这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。无线信道的时变性在传输过程中造成的无线信号频谱偏移,或发射机及接收机本地振荡器之间存在的频率偏差,都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏,导致子载波之间干扰。2)存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加,因此如果多个信号的相位一致,所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率,导致较大的峰值平均功率比。这就对发射机内放大器的线性度得出了很高的要求,因此可能带来信号畸变,使信号的频谱发生变化,从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏,产生干扰,使系统的性能恶化。3OFDM技术在应急通信系统中的应用McWiLL(多载波无线信息本地环路)宽带无线接入系统是我国自主研发的第一代宽带无线接入系统。McWiLL采用的是国际最先进的码扩正交频分多址、智能天线、空间零陷、联合检测等无线通信技术。采用McWiLL系统在应急通信中,只要一只简单的CPE或者PCMCIA卡,无需进行现场安装、调试,就能够迅速提供高速无线连接,同时由于其可移动性,便携性,能够满足应急通信的更多需要。McWiLL系统由终端设备CPE、基站系统BTS以及网元管理系统EMS三个部分组成。其中,终端设备CPE完成用户端计算机及无线网络的连接。基站系统完成用户端CPE及骨干网络的连接,包括基站传输系统BTS以及射频系统RFS两部分。网元管理系统EMS完成对无线系统中的所有终端设备CPE、基站系统的设备管理、系统监控、权限管理、带宽分配等操作。系统结构如图2所示。McWiLL系统的核心技术之一CS-OFDMA将OFDMA、TDMA和SCDMA有机融合为一体。CS-OFDMA采用了OFDM调制方式,具备所有OFDM的技术优势,除了频率利用率高、信道分配灵活、容易实现外,还有以下显着优点:图2McWiLL系统结构图。1)通过对调制符号的串并转换降低单载波上的符号速率可以增强多径干扰的抵抗能力;2)根据对各个信道的动态分配来选择符号的承载信道可以抗频率选择性衰落;3)CS-OFDMA采用了码扩技术,将一个符号进行码扩后再以一个信道为单位进行多载波调制,这样可以将一个符号的能量分散到整个信道中,在接收时达到频率分集的效果;4)CS-OFDMA采取的多址方式主要由TDMA及OFDMA组成,码扩的使用范围仅在每一个信道中,而信道是给用户的最小单位,这样用户在发射接收信号时,相互之间不会干扰,避开了传统CDMA接入方式的多址干扰问题。McWiLL技术利用并行传输的OFDM技术和CDMA技术的有效融合,是两个技术的折衷方案,有效地克服了传统CDMA系统面对无线宽带数据传输时由于扩展频谱而引起的码间干扰的严重问题,其最大优点是对抗频率选择性衰落。在单载波窄带CDMA系统中,单个衰落或者干扰能够导致整个通信链路失败,但是在McWiLL系统中,由于使用了多载波,因此只有很小一部分载波会受到干扰。系统会自动在10个子载波中选择信号效果最好的4个子载波或者2个子载波进行信号传输,实现频谱的最佳利用。4结束语应急通信系统强调的是"应急状态"下的通信,快捷的无线语音通信保证指挥命令的迅速传达,实时的视频通信是指挥者正确判断的必备工具,二者缺一不可。而"应急状态"通常是场景不固定,因此更加强调移动性。未来的应急通信技术将朝着语音、数据、图像融合;专网、共网、公网共存;宽带、快速、安全、可靠、普遍软件无线电、IP、OFDM等新技术方向发展。可以预见,OFDM技术在未来的应急通信系统中将得到广泛应用,而未来的应急通信系统也将朝着更实时、更流畅的语音和视频方向发展。一种新的MIMO-OFDM同步技术研究dzsc文章出处：发布时间：2019/06/08|836次阅读|0次推荐|0条留言MIMO技术近年来得到了很多学者和研究机构的重视，但是它要求信道平衰落的前提条件限制了它在宽带无线通信中的应用，为了避免符号间干扰，通常需要在接收端加信道均衡器。由于有很多根收发天线，这种均衡器是非常复杂的。另一种解决方法是将OFDM技术及MIMO技术结合起来，利用OFDM技术对多径的对抗能力[1]，去除符号间干扰，实现宽带高速无线通信。但MIMO-OFDM系统对同步误差很敏感：在多径环境下，MIMO-OFDM系统对时间同步的要求很高；频率同步方面，由于MIMO-OFDM系统可以视为N个并行的MIMO子系统，因此频偏所引入的ICI会恶化每个子载波的信噪比，从而恶化整个MIMO-OFDM通信系统的传输性能。对MIMO-OFDM[2]系统来说，时间同步方面，接收端需要对各个天线上的信号分别进行延时估计和调整。频率同步方面，接收端需要对各个天线上的信号分别进行频率偏移估计和补偿。传统的MIMO-OFDM同步算法，未能完全解决这种情况下的同步问题。这种新的适用于MIMO-OFDM系统的时间频率同步算法考虑了各发射天线到达时延各不相同的情况，因此具有更广泛意义，可适用于分布式MIMO系统。1、MIMO-OFDM技术概述对MIMO-OFDM技术来说，其核心部分是OFDM技术和MIMO技术。OFDM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[3]，从而减少了多径衰落的影响。而MIMO技术能够在空间中产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地增加了系统的传输速率。这样，OFDM和MIMO两种技术的结合，就能达到两种效果：一种是系统具备很高的传输速率，另一种是通过分集达到很强的可靠性。2、MIMO-OFDM同步技术研究现状在MIMO系统中，由于发射天线的增加导致发射信号不但要受到及传统单天线系统中相同的各种干扰的影响，而且还存在天线间干扰。因此MIMO-OFDM系统中的同步问题比单天线系统中要困难得多，许多用于单天线系统的同步方法不能直接应用于MIMO-OFDM系统。目前对MIMO-OFDM系统同步的研究还刚刚开始，公开发表的文献还不多，其中既有研究集中式MIMO的，也有研究分布式MIMO的，但研究集中式MIMO的居多，而且在分布式MIMO中大都是研究频率同步的，没有研究时间同步，都假设时间同步已经完成，而且各天线对之间的时延均相同。3、新的MIMO-OFDM同步算法3.1系统设计算法框图如图1所示。图1MIMO-OFDM系统结构图假设一个MIMO-OFDM系统有N个子载波，M个发射天线，P个接收天线，定义第m个发射天线上的OFDM调制信号为：假设频偏为ε，则第p个接收天线接收到的信号为：这里△表示多径信道的径数，hlmp表示第mp个MIMO子信道中第l径的衰落系数。Sl表示MIMO子信道中第l径的时延。dm表示接收天线收到各路发射天线信号的相对时延。这里定义第一路发射天线的相对时延是零。Np(t)是第p路接收天线上的加性噪声，设Dp=max{d1,d2,…,dm}。这种新的时间同步算法适用于各路天线到达时延不同的情况。传统的MIMO-OFDM[4]系统同步算法并不能解决当各路天线到达时延不同时的同步问题。针对这种情况，我们提出了新的导引符号配置方法：第一，频域各天线的训练序列分开放置，用来区分不同时延，可以进行时间精同步；第二，在接收端时域，这些分开放置的训练序列又具有相同的两个半段，可以用来做时间粗同步和频率粗同步。在发射端的频域，如果训练序列的齐位插入伪随机序列，偶位插入零，那么经过IFFT之后就可以得到前后两个相同的半段序列。于是我们的训练序列的插入方法如下，该方法可以保证M条发射天线上的训练序列经过IFFT之后，都可以得到两个相同的半段序列。因此即使当各个发射天线到达接收天线的时延不同时，接收天线依然可以得到两段相同的序列。定义每个天线发射的训练序列为Tm(i)，其中插入的伪随机序列为Cm(k)，长度为Q，这里总的子载波数N和发射天线数M间必须满足：N=2MQ，第m个发射天线插入练序列的方式为上式中i=0,1,….,N-1。图2训练序列插入方式如图2所示，这样插入就保证了每路发射天线的训练序列都是在偶位全为零，奇位则为伪随机序列和零，可以保证在IFFT之后，每路天线的导引在时域都对称，这样在时延不同的