OFDM基本技術原理

1、ofdm基本技術原理在傳統(tǒng)的多載波通信系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)頻帶被劃分為若干個互相分離的子信道（載波）。載波之間有一定的保護間隔，接收端通過濾波器把各個子信道分離之后接收所需信息。這樣雖然可以避免不同信道互相干擾，但卻以犧牲頻率利用率為代價。而且當子信道數(shù)量很大的時候，大量分離各子信道信號的濾波器的設置就成了幾乎不可能的事情。上個世紀中期，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。這種正交”表示的是載波頻率間精確的數(shù)學關系。按 照這種設想，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。 ofdm是一種特殊的多載波通信方

2、案，單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流，每個碼流都用一個子載波發(fā)送。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。ofdm是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而ofdm技術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，在每個子信道上 使用一個子載波進行調制，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，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，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(tǒng)中各個 子信道的載

3、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， 同時又提高了頻譜利用率。ofdm 技術屬于多載波調制（ multicar riermodulation , mcm ）技術。有些文獻上 將ofdm和mcm混用，實際上不夠嚴密。mcm與ofdm常用于無線信道，它們的區(qū)別在于：ofdm技術特指將信道劃分成正交的子信道，頻道利用率高；而 mcm ,可以是更多 種信道劃分方法。ofdm技術的推出其實是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進對多載波的調 制，它的特點是各子載波相互正交，使擴頻調制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。在對每個載波完成調制以后，為了增加

4、數(shù)據(jù)的吞吐量、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋?它又采用了一種叫作 homeplug的處理技術，來對所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號位的載波進行 合并處理，把眾多的單個信號合并成一個獨立的傳輸信號進行發(fā)送。另外 ofdm之所以備 受關注，其中一條重要的原因是它可以利用離散傅立葉反變換/離散傅立葉變換（idft/dft ）代替多載波調制和解調。ofdm增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或 者干擾可能導致整個鏈路不可用，但在多載波的ofdm系統(tǒng)中，只會有一小部分載波受影響。此外，糾錯碼的使用還可以幫助其恢復一些載波上的信息。通過合理地挑選子載波位置，可以使ofdm的頻譜波形保持平坦，同時

5、保證了各載波之間的正交。ofdm盡管還是一種頻分復用（fdm）,但已完全不同于過去的 fdm。ofdm的接收 機實際上是通過 fft實現(xiàn)的一組解調器。它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期 內積分，其他載波信號由于與所積分的信號正交，因此不會對信息的提取產(chǎn)生影響。ofdm的數(shù)據(jù)傳輸速率也與子載波的數(shù)量有關。ofdm每個載波所使用的調制方法可以不同。各個載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調制方式，比如 bpsk、qpsk、8psk、16qam、64qam等等，以頻譜利用率和 誤碼率之間的最佳平衡為原則。我們通過選擇滿足一定誤碼率的最佳調制方式就可以獲得最 大頻譜效率。無線多徑信道的頻率選擇

6、性衰落會使接收信號功率大幅下降，經(jīng)常會達到30db之多，信噪比也隨之大幅下降。 為了提高頻譜利用率， 應該使用與信噪比相匹配的調制方式。 可靠性是通信系統(tǒng)正常運行的基本考核指標，所以很多通信系統(tǒng)都傾向于選擇bpsk或qpsk調制，以確保在信道最壞條件下的信噪比要求，但是這兩種調制方式的頻譜效率很低。ofdm技術使用了自適應調制，根據(jù)信道條件的好壞來選擇不同的調制方式。比如在終端 靠近基站時，信道條件一般會比較好，調制方式就可以由bpsk （頻譜效率1bit/s/hz ）轉化成16qam - 64qam （頻譜效率46bit/s/hz ）,整個系統(tǒng)的頻譜利用率就會得到大幅度 的提高。自適應調制能

7、夠擴大系統(tǒng)容量，但它要求信號必須包含一定的開銷比特，以告知接收端發(fā)射信號所應采用的調制方式。終端還要定期更新調制信息，這也會增加更多的開銷比特。ofdm還采用了功率控制和自適應調制相協(xié)調工作方式。信道好的時候，發(fā)射功率不變，可以增強調制方式（如 64qam ）,或者在低調制方式（如 qpsk ）時降低發(fā)射功率。功率控制與自適應調制要取得平衡。也就是說對于一個發(fā)射臺，如果它有良好的信道， 在發(fā)送功率保持不變的情況下，可使用較高的調制方案如64qam ;如果功率減小，調制方案也就可以相應降低，使用 qpsk方式等。如果在差的信道上使用較ofdm系統(tǒng)可以用導頻測出每條信道的信噪比，根自適應調制要求系

8、統(tǒng)必須對信道的性能有及時和精確的了解， 強的調制方式，那么就會產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統(tǒng)的可用性。 信號或參考碼字來測試信道的好壞。發(fā)送一個已知數(shù)據(jù)的碼字,據(jù)這個信噪比來確定最適合的調制方式。什么是ofdmofdm 的英文全稱為 orthogonal fre-quency division multiplexing ,中文含義為正交 頻分復用技術。這種技術是hpa聯(lián)盟（homeplug powerline alliance ）工業(yè)規(guī)范的基礎，它采用一種不連續(xù)的多音調技術，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信 號，從而完成信號傳送。由于這種技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常

9、會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。其實，ofdm并不是如今發(fā)展起來的新技術，ofdm技術的應用已有近 40年的歷史,主要用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)。但是，一個ofdm系統(tǒng)的結構非常復雜，從而限制了其進一步推廣。直到上世紀 70年代，人們采用離散傅立葉變換來實現(xiàn)多個載波的調制，簡 化了系統(tǒng)結本勾,使得 ofdm技術更趨于實用化。80年代，人們研究如何將 ofdm技術應 用于高速modem。進入90年代以來，ofdm技術的研究深入到無線調頻信道上的寬帶數(shù) 據(jù)傳輸。目前 ofdm技術已經(jīng)被廣泛應用于廣播式的音頻、視頻領域和民用通信系統(tǒng)，主 要的應用包括：非對稱的數(shù)字用戶環(huán)

10、路（ adsl）、etsi標準的數(shù)字音頻廣播（dab）、 數(shù)字視頻廣播（dvb ）、高清晰度電視（hdtv ）、無線局域網(wǎng)（wlan ）等。ofdm信號發(fā)送接收原理解析ofdm信號發(fā)送器的原理是：用戶信號以串彳t的方式輸入發(fā)送器，速率為r碼字/秒。這些碼字先被送入一個串行并行變換器中，使串行輸入的信號以并行的方式輸出到m條線路上。這m條線路上的任何一條上的數(shù)據(jù)傳輸速率則為 r/m碼字/秒。該ofdm碼隨后被送入一個進行快速傅立葉逆變換的模塊，進行快速傅立葉逆變換。 快速傅立葉逆變換可以把頻域離散的數(shù)據(jù)轉化為時域離散的數(shù)據(jù)。由此，用戶的原始輸入數(shù)據(jù)就被ofdm按照頻域數(shù)據(jù)進行了處理。計算出快速傅

11、立葉逆變換樣值之后，一個循環(huán)前 綴被加到了樣值前，形成一個循環(huán)拓展的ofdm信息碼字。添加循環(huán)前綴技術利用的是離散線性系統(tǒng)原理中的一個概念。我們知道，在連續(xù)時間域，兩個時域信號的卷積就等于這兩個信號頻域形式的乘積。但是，這在離散時域的情況下一般是不成立的，除非使用無限大的樣值點n或者至少一個卷積信號是周期性的（在該情況下，信號可以被圓周卷積）。因為我們只能使用有限的樣值點n ,所以只能利用循環(huán)前綴使 ofdm信息碼在我們感興趣的時間區(qū)內呈現(xiàn)周期性。循環(huán)拓展信息碼的樣值再次通過一個并行-串行轉換器模塊。然后按照串行的方式通過信道（經(jīng)過適當?shù)臑V波和調制）。在傳輸過程中，信道的沖擊響應對時域信號造成

12、了干擾。 由于循環(huán)前綴使所傳輸?shù)?ofdm信號表現(xiàn)出周期性，這種卷積就成了一種圓周卷積。根據(jù) 離散時間線性系統(tǒng)原理，這種圓周卷積就相當于ofdm信號的頻率響應和信道頻率響應的乘積。接收器完成與發(fā)送器相反的操作。接收器收到的信號是時域信號。由于無線信道的影響發(fā)生了一定的變化，接收到的信號經(jīng)過一個串行-并行的轉換器，并且把循環(huán)前綴清除掉。清除循環(huán)前綴并沒有刪掉任何信息。循環(huán)前綴中的信息是冗余的。 使用循環(huán)前綴是為了保證前面提到的卷積特性的成立。循環(huán)前綴的另外一個好處是可以消除碼間干擾。我們要求循環(huán)前綴的值比信道內存更大一些。多徑信號引起先發(fā)信息碼字的滯后到達而影響當前信息碼字，從而產(chǎn)生碼間干擾。 但是，事實上，碼間干擾僅僅會干擾當前信息碼的循環(huán)前綴。因此，使用適當大小的循環(huán)前綴就能夠使ofdm技術消除碼間干擾。在清除了循環(huán)前綴之后，信號將會經(jīng)過一個快速傅立葉變換模塊，把信號從時域轉變回頻域。信號經(jīng)過一個并行-串行轉換模塊進行并串變換，就完成了對原始ofdm信號的接收。為了提高ofdm的信息傳