正交頻分復(fù)用技術(shù)

多載波調(diào)制多載波傳輸系統(tǒng)多載波傳輸首先把一個(gè)高速的數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)低速的子數(shù)據(jù)流（這樣每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率），然后，每個(gè)子數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)制（符號(hào)匹配）和濾波（波形形成g(t)），去調(diào)制相應(yīng)的子載波，從而構(gòu)成多個(gè)并行的已調(diào)信號(hào)，經(jīng)過合成后進(jìn)行傳輸。其基本結(jié)構(gòu)如圖2－66所示。第一頁，共20頁。第一頁，共20頁。圖2-66多載波系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第二頁，共20頁。第二頁，共20頁。在單載波系統(tǒng)中，一次衰落或者干擾就可以導(dǎo)致整個(gè)傳輸鏈路失效，但是在多載波系統(tǒng)中，某一時(shí)刻只會(huì)有少部分的子信道會(huì)受到深衰落或干擾的影響，因此多載波系統(tǒng)具有較高的傳輸能力以及抗衰落和干擾能力。在多載波傳輸技術(shù)中，對(duì)每一路載波頻率（子載波）的選取可以有多種方法，它們的不同選取將決定最終已調(diào)信號(hào)的頻譜寬度和形狀。第三頁，共20頁。第三頁，共20頁。

第1種方法是：各子載波間的間隔足夠大，從而使各路子載波上的已調(diào)信號(hào)的頻譜不相重疊，如圖2－67（a）所示。該方案就是傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方式，即將整個(gè)頻帶劃分成N個(gè)不重疊的子帶，每個(gè)子帶傳輸一路子載波信號(hào)，在接收端可用濾波器組進(jìn)行分離。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單、直接；缺點(diǎn)是頻譜的利用率低，子信道之間要留有保護(hù)頻帶，而且多個(gè)濾波器的實(shí)現(xiàn)也有不少困難。第四頁，共20頁。第四頁，共20頁。第2種方法是：各子載波間的間隔選取，使得已調(diào)信號(hào)的頻譜部分重疊，使復(fù)合譜是平坦的，如圖2-67（b）所示。重疊的譜的交點(diǎn)處信號(hào)功率比峰值功率低3dB。子載波之間的正交性通過交錯(cuò)同相或正交子帶的數(shù)據(jù)得到(即將數(shù)據(jù)偏移半個(gè)碼元周期)。第3種方案是：各子載波是互相正交的，且各子載波的頻譜有1/2的重疊。如圖2-67（c）所示。該調(diào)制方式被稱為正交頻分復(fù)用(OFDM)。此時(shí)的系統(tǒng)帶寬比FDMA系統(tǒng)的帶寬可以節(jié)省一半。第五頁，共20頁。第五頁，共20頁。圖2-67子載波頻率設(shè)置

(a)傳統(tǒng)的頻分復(fù)用；(b)3dB頻分復(fù)用；(c）OFDM第六頁，共20頁。第六頁，共20頁。OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)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(zhì)中。第七頁，共20頁。第七頁，共20頁。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ICI）。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。第八頁，共20頁。第八頁，共20頁。3.6.1OFDM的原理OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，該技術(shù)的基本原理是將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對(duì)低速的并行數(shù)據(jù)并對(duì)不同的載波進(jìn)行調(diào)制。這種并行傳輸體制大大擴(kuò)展了符號(hào)的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。

第九頁，共20頁。第九頁，共20頁。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法中各個(gè)子載波的頻譜是互不重疊的，要使用大量的發(fā)送濾波器和接受濾波器，這樣就大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。同時(shí)，為了減小各個(gè)子載波間的相互串?dāng)_，各子載波間必須保持足夠的頻率間隔，這樣會(huì)降低系統(tǒng)的頻率利用率。第十頁，共20頁。第十頁，共20頁。而現(xiàn)代OFDM系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，各子載波的產(chǎn)生和接收都由數(shù)字信號(hào)處理算法完成，極大地簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了提高頻譜利用率，使各子載波上的頻譜相互重疊，就如圖3-29所示，但這些頻譜在整個(gè)符號(hào)周期內(nèi)滿足正交性，從而保證接收端能夠不失真地復(fù)原信號(hào)。第十一頁，共20頁。第十一頁，共20頁。

圖3-29正交頻分復(fù)用信號(hào)的頻譜示意圖

第十二頁，共20頁。第十二頁，共20頁。當(dāng)傳輸信道中出現(xiàn)多徑傳播時(shí)，接收子載波間的正交性就會(huì)被破壞，使得每個(gè)子載波上的前后傳輸符號(hào)間以及各個(gè)子載波間發(fā)生相互干擾。為解決這個(gè)問題，在每個(gè)OFDM傳輸信號(hào)前面插入一個(gè)保護(hù)間隔，它是由OFDM信號(hào)進(jìn)行周期擴(kuò)展得到的。只要多徑時(shí)延不超過保護(hù)間隔，子載波間的正交性就不會(huì)被破壞。由上面的原理分析可知，若要實(shí)現(xiàn)OFDM，需要利用一組正交的信號(hào)作為子載波。我們?cè)僖源a元周期為T不歸零方波作為基帶碼型，經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后送入信道傳輸。第十三頁，共20頁。第十三頁，共20頁。

OFDM調(diào)制器要發(fā)送的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼器形成了M個(gè)復(fù)數(shù)序列，此復(fù)數(shù)序列經(jīng)過串并變換器變換后得到碼元周期為T的M路并行碼，碼型選用不歸零方波。用這M路并行碼調(diào)制M個(gè)子載波來實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用。在接收端也是由這樣一組正交信號(hào)在一個(gè)碼元周期內(nèi)分別與發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)解調(diào)，恢復(fù)出原始信號(hào)。OFDM解調(diào)器如圖3-30所示。第十四頁，共20頁。第十四頁，共20頁。數(shù)據(jù)解碼器)0(A)0(B)cos(0tw)sin(0tw)1(-MA)1(-MB)(td信道)cos(1tM-w)sin(1tM-w串行變換器)(mD串行數(shù)據(jù)òòòò圖3-30OFDM解調(diào)器第十五頁，共20頁。第十五頁，共20頁。為了降低OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，我們考慮用離散傅立葉變換（DFT）和反變換（IDFT）來實(shí)現(xiàn)上述功能。如果在發(fā)送端對(duì)D（m）做IDFT，把結(jié)果經(jīng)信道發(fā)送到接收端，然后對(duì)接收到的信號(hào)再做DFT，取其實(shí)部，則可以不失真地恢復(fù)出原始信號(hào)D（m）。這樣可以利用離散傅立葉變換來實(shí)現(xiàn)OFDM信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。實(shí)現(xiàn)框圖如圖3-31和圖3-32所示。用DFT和IDFT實(shí)現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，減小了系統(tǒng)成本，為OFDM的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。第十六頁，共20頁。第十六頁，共20頁。圖3-31用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制器串行D(K)圖3-32用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)OFDM的解調(diào)器數(shù)據(jù)解碼并串變換DFTA/D變換低通濾波d(n)(t)數(shù)據(jù)編碼串并變換IDFTD/A變換低通濾波串行D(K)d(n)(t)數(shù)據(jù)第十七頁，共20頁。第十七頁，共20頁。OFDM子載波可以按兩種方式排列：集中式（Locolized）和分布式（Distributed）。

集中式即將若干連續(xù)子載波分配給一個(gè)用戶，這種方式下系統(tǒng)可以通過頻域調(diào)度（Scheduling）選擇較優(yōu)的子載波組（用戶）進(jìn)行傳輸，從而獲得多用戶分集增益。另外，集中方式也可以降低信道估計(jì)的難度。但這種方式獲得的頻率分集增益較小，用戶平均性能略差。

第十八頁，共20頁。第十八頁，共20頁。分布式系統(tǒng)將分配給一個(gè)用戶的子載波分散到整個(gè)帶寬，從而獲得頻率分集增益。但這種方式下信道估計(jì)較為復(fù)雜，也無法采用頻域調(diào)度。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在上述兩種方式中靈活進(jìn)行選擇。第十九頁，共20頁。第十九頁，共20頁。在未來的寬帶無線通信中，存在兩個(gè)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：多徑衰落信道和帶寬效率。因此，802.11n計(jì)劃采用MIMO與OFDM相結(jié)合，使傳輸速率成倍提高。這是因?yàn)?，OFDM通過將頻率選擇性多