淺談ofdm原理及其應(yīng)用

1、1OFDM原理11概述正交頻分復(fù)用（OFDM，thogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)。具有頻譜利用率高、抗多徑干擾等特點(diǎn)，OFDM系統(tǒng)能夠有效地抵抗無線信道帶來的影響，例如信道的頻率選擇性衰落，脈沖噪聲和共信道干擾的影響。12OFDM系統(tǒng)模型OFDM系統(tǒng)的調(diào)制器、解調(diào)器的原理框圖如圖1所示。每個子載波上的信號采用差分相位鍵

2、控（PSK）調(diào)制方式。一個OFDM符號之內(nèi)包括多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號，其中每個子載波都可以受到相移鍵控（PSK）或者正交幅度調(diào)制（QAM）符號的調(diào)制。采用復(fù)等效基帶信號來描述OFDM的輸出信號，其中實(shí)部和虛部分別對應(yīng)于ＯFDM符號的同相和正交分量，在實(shí)際中可以分別與相應(yīng)子載波的cos分量和sin分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號和合成的OFDM符號。OFDM符號頻譜可以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，即多個子信道頻譜之間不存在相互干擾，但這

3、是出現(xiàn)在頻域中的。這種一個子信道頻譜的最大值對應(yīng)于其它子信道頻譜的零點(diǎn)可以避免子信道間干擾（ICI）的出現(xiàn)。21數(shù)字音頻廣播（DAB）OFDM在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中應(yīng)用，其中數(shù)字音頻廣播（DAB）標(biāo)準(zhǔn)是第一個正式使用OFDM的標(biāo)準(zhǔn)。選擇OFDM作為數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻廣播（DVB）的主要原因在于：OFDM技術(shù)可以有效地解決多徑時(shí)延擴(kuò)展問題。DAB是在現(xiàn)有模擬AM和FM音頻廣播的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它可以提供更優(yōu)質(zhì)的語音

4、質(zhì)量、更新的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及更高的頻譜效率，它所提供的語音質(zhì)量可以與CD音質(zhì)相媲美。在DAB系統(tǒng)中使用OFDM的一個重要原因就是可以使用單頻網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以大大提高系統(tǒng)的頻譜效率。在單頻網(wǎng)絡(luò)中，用戶從不同的接收機(jī)同時(shí)接收相同的信號。由于不同發(fā)射機(jī)之間存在傳播差異，因此不同的達(dá)到信號之間會存在時(shí)延，這一點(diǎn)可從圖3中看到，其中不同的信號時(shí)延（距離差異除以光速）先后到達(dá)用戶。而對于用戶來說，這種情況相當(dāng)于兩徑的衰落信道。因此，只要這兩個信號之間

5、的傳播差異小于OFDM符號的保護(hù)間隙，就不會出現(xiàn)ISI和ICI。兩個時(shí)間移位信號的疊加，使得合成信號處于深度衰落的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一個信號處于深度衰落的概率，故可獲得分集接收的好處例如當(dāng)兩個發(fā)射機(jī)相距40km，信號的時(shí)延擴(kuò)展會達(dá)到133μs。系統(tǒng)中存在的另外一種限制就是多譜勒頻移和接收機(jī)內(nèi)本地振蕩器的頻率波動，這就要求在子載波之間必須存在最小的頻率間隔，由此存在最大的符號周期長度限制。對于工作于240MHz的DAB系統(tǒng)來說，如果車輛

6、移動速度為31ms，則多譜勒頻移可以達(dá)到25Hz，為了盡量減少由此造成的子載波間的干擾，子載波間隔必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多譜勒頻移。被發(fā)個錯誤字節(jié)。然后，經(jīng)過外編碼的比特再由交織器進(jìn)行交織，在12個字節(jié)深度內(nèi)按字節(jié)進(jìn)行交織。并且再按編碼的效率可以被提高到23、34、56或78。最后，卷積編碼比特再經(jīng)過內(nèi)交織器的交織，被映射為QPSK、16QAM或64QAM符號。DVBT系統(tǒng)的接收機(jī)框圖參見圖7。模擬前端信號經(jīng)過降頻轉(zhuǎn)換和AD轉(zhuǎn)換之后，數(shù)字A

7、GC被用于調(diào)整模擬前端電路的可變增益放大器（VGA）的增益。粗頻率偏差糾正用于降低子信道間的干擾。頻率偏差估計(jì)利用固定導(dǎo)頻信號進(jìn)行初始估計(jì)，利用均勻分布的導(dǎo)頻信號進(jìn)行隨后的精確同步。為了保證檢測和軟譯碼的準(zhǔn)確性，還要進(jìn)行信道估計(jì)，其中利用導(dǎo)頻信號進(jìn)行信道估計(jì)，并且還利用時(shí)域和頻域的內(nèi)差，獲得所有信號位置的信道估計(jì)。23MagicWMagicW（無線ATM網(wǎng)絡(luò)演示設(shè)備）是歐洲ACTS（高級通信技術(shù)和服務(wù)器）項(xiàng)目中一個組成部分

8、。MagicW研制人員在OFDM調(diào)制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)施ATM網(wǎng)絡(luò)。這一設(shè)計(jì)方案為5GHz頻段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化工作帶來巨大的影響。首先，通過采用基于OFDM的調(diào)制解調(diào)器，使OFDM得到了廣泛的認(rèn)可，使其可以作為高速無線通信中的可變速率調(diào)制類型。其次，MagicW中基于ATM的無線方案構(gòu)成HIPERLAN2標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)鏈路層的基礎(chǔ)。OFDM子載波采用8PSK調(diào)制。如果符號速率為133M符號秒，則可以獲得40Mbits的原始比特速率。速率為

9、12的互補(bǔ)編碼把比特速率降低到20Mbits。子載波間隔為125MHz，3dB帶寬為20MHz。圖8中給出WOFDM使用的OFDM接收機(jī)的框圖。RF接收機(jī)負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行放大，以及實(shí)施降頻轉(zhuǎn)換。由于要求在接收開始的3μs時(shí)間內(nèi)，就要確定自動增益控制的增益值，因此這也是接收機(jī)實(shí)施的難點(diǎn)之一。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（AD）之后，必需要對信號頻率進(jìn)行估計(jì)，并且加以糾正。如果可以準(zhǔn)確地確定FFT窗口的起始位置，則接收機(jī)可以得到16個子信道中的

10、符號中的符號幅度和相位估計(jì)。從初始訓(xùn)練序列開始，接收機(jī)必須能夠得到并且能夠跟蹤所有子信道的參考相位。最終經(jīng)過相位補(bǔ)償之后，可以從16個子載波復(fù)信號中得到個比特。24IEEE80211、HIPERLAN2和MMAC無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)WLAN系統(tǒng)的一個典型例子就是Lucent公司的WaveLAN，其早期系統(tǒng)在900MHz或24GHz頻段中采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）或跳頻擴(kuò)頻（FHSS）的物理層技術(shù)，提供2Mbits的數(shù)據(jù)傳輸

11、速率，現(xiàn)在的系統(tǒng)能提供55Mbits和11Mbits的速率，甚至實(shí)現(xiàn)54Mbits的傳輸速率。WaveLAN的LLC子層使用CRC校驗(yàn)，MAC子層使用帶有沖突避免的載波監(jiān)聽多址接入技術(shù)（CSMACA），并且可以與以太網(wǎng)兼容。WLAN的標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE80211，它是工作于24GHzISM頻段的第一個WLAN標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定使用不同的物理層技術(shù)——直接序列擴(kuò)頻、調(diào)頻，可以提供2MHzs的數(shù)據(jù)速率。IEEE80211a工作在5