OFDM技术的研究

无线通信

论文名称：OFDM技术的研究

OFDM技术的研究

摘要：通过对OFDM调制技术的研究，目的重点在于了解OFDM技术的原理，包括OFDM系统模型、正交性原理、调制解调技术、系统性能以及OFDM系统的优点和缺点。 首先通过引言对OFDM技术的发展背景、基本思想、现状和未来展望进行了简单介绍。然后详细介绍了OFDM技术的基本原理，比如OFDM系统的FFT实现、OFDM系统模型、OFDM信号的调制与解调、OFDM信号的正交性原理，这部分利用公式或者图来说明。其次，说明了OFDM的系统性能，包括OFDM系统的抗脉冲干扰、抗多径传播与衰落的能力和频谱利用率等。最后说明了OFDM系统的优点和缺点。

关键词：正交频分复用；基本原理；系统性能；优缺点

The technology research of OFDM

Abstract:Through the research of OFDM modulation technology, this paper is key

to understand how the principle of OFDM, including the OFDM system model and the orthogonality principle, demodulation technology, system performance and the advantages and disadvantages of OFDM systems.

Firstly, through the introduction of the development of the technology of OFDM

background, basic thoughts, the present situation and the outlook for the future is simply introduced. And then introduces the basic principles of technology OFDM, such as OFDM systems, OFDM system model to realize FFT, OFDM signal modulation and demodulation, OFDM signal orthogonality principle, this part USES formula or diagram to explain. Second, that the OFDM systems performance, including OFDM systems of impulse noise, the

resistance, the ability of communication and decline diameter and the utilization efficiency of spectrum. Finally shows the OFDM systems advantages and disadvantages.

Key words: Orthogonal frequency division multiplexing; Basic principle; The

performance of the system; Advantages and disadvantages

1. 引言

1.1发展背景

通信技术日新月异，给人们带来不少享受。伴随着人们对宽带业务和多媒体业务需求的增加，第三代移动通信成为了研究的重点。虽然第三代移动的传输速率相比第二代有了很大的提高，但随

着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起，因此有理由期待这种第四代移动通信技术给人们带来更加美好的未来，第四代移动通信是以正交频分复用为核心。本文就重点分析OFDM技术的调制与解调与

性能。

1.2 OFDM的基本思想

OFDM主要思想是：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，调制到在每个子信道上进行传输。正交信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之间的相互干扰 ICI 。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，信道均衡变得相对容易。

1.3 OFDM的发展和实践应用

OFDM并不是如今发展起来的新技术，它已有40年的历史，上个世纪70年代，人们采用离散傅里叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使OFDM技术更趋于实用化。80年代，人们研究如何将OFDM技术应用到高速Modem。进入90年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调制信道上的宽带数据传输。

目前OFDM已被广泛应用到广播式的音频、视频领域和民用通信系统，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ASDL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。

2. OFDM技术的基本原理。

2.1 OFDM系统的FFT实现

OFDM是一种高效调制技术，原理是将发送的数据流分散到许多个子载波上，使各子载波的信号速率大为降低。OFDM系统是利用快速傅里叶变换（FFT）实现调制和解调，避免了直接生成N个载波时由于频偏而产生的交调。

OFDM信号可以用复数形式表示为： M1sOFDM(t))ejmt （1）

mdm(t0式中 mcm为第m个子载波角频率，dm(t)为第m个子载波上的复数信号。

dm(t)在一个符号周期Ts上为常数，则

dm(t)d(t)。对信号采用，采样间隔为T，则得（2）式

M1M1s(cm)kTOFDM(kT)djmkTmemejm0dm0

假设一个符号周期Ts内含有N个采样值，即TsNT，OFDM信号的产生是首先在基带上实现，然后通过上变频产生输出信号。因此，基带处理可令c0，则上式可简化为

M1sOFDM(kT)dj(m)kTme（3）

m0将上式与离散傅里叶反变换（IDFT）形式

M1g(kT)mG(mj20MT)emk/M （4） 想比较可以看出，若将dm(t)看做频率采样信号，则sOFDM(t)为对应的时域信号。比较式（3）和式（4）可以看出，若令

f1NT1T s则式（3）和式（4）相等。

由此可以看出，若选择载波频率间隔

f1T，则OFDM信号不但可以保持各s子载波相互正交，而且可以用离散傅里叶变换（DFT）来表示。 在OFDM系统中引入DFT技术对并行数据进行调制和解调，其子带频谱是

sinxx函数，OFDM信号频谱结构如下图一和图二所示。OFDM信号是通过基带处理来实现

1

的，不需要振荡组，从而大大降低了OFDM系统实现的复杂性。

图一 单个OFDM子带频谱

图二 OFDM信号频谱

2. 2 OFDM系统的模型 OFDM系统的基本原理见图：

图三 OFDM系统发射端的基本原理图

图四 OFDM系统接收端的原理图 设基带调制信号的带宽为B，码元调制速率为R，码元周期为ts且信道的最大迟延扩展tmts。OFDM的基本原理是将原信号分割为N个子信道，分割后码元速率为

R/N,周期为TsNts，然后用N个子信号

分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱互相重叠，因而可以得到较高的频谱效率。当调制信号通过陆地无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码元串扰的作用，子载波之间不能保持良好的正交状态。因而，发送前就在码元间插入保护时间。如果保护间隔大于最大时延扩展tm，则所有时延小于占的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，因而有效地消除了码间串扰。

在发射端，发射数据经过QAM调制形成速率为R的基带信号。这里要求码元波形是受限的，并且数据要成块处理。然后经过串并变换成为N 个子信道，再去调制相互正交的N 个子载波，最后相加形成OFDM发射信号。 在接收端，输入信号分为N 个支路，分别用N 个子载波混频和积分，恢复出子信号，再经过串并和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

2

可以有效地分离各个子信道。 2. 3 OFDM信号调制与解调 2.3.1 OFDM信号产生端得原理 OFDM信号的产生是基于快速离散傅里叶变换实现的，其产生原理如图五。

OFDM信号。

2.3.2 OFDM信号接收端得原理 OFDM信号接收端得原理如图六，其处理过程与发送端相反。接收端输入OFDM信号首先经过下变频变换到基带，A/D转换，串/并变换后的信号取出循环前缀，再进行2N点的快速离散傅里叶变换（FFT）得到一帧数据。为了对信道失真进行校正，需要对数据进行单抽头或双抽头时域均衡。最后经过译码判决和并/串变换，恢复出发送的二进制数据序列。

图五 OFDM信号的产生原理图 输入信息速率为Rb的二进制数据序列先进行串/并变换。根据OFDM符号间隔Ts，将其分成CtRbTs个比特一组。这ct个比特被分配到N个子信道上，经过编码后映射为N个复数子符号Xk，其中子信道k对应的子字符号Xk代表bk个

比特，而且 ct在Hermitian对称条件：

图六 OFDM信号的接收原理图

由于OFDM采用的基带调制为离散傅

里叶反变换，可以认为数据的编码映射是在频域进行的，经过IFFT变换为时域信号发送出去。接收端通过FFT恢复出频域信号。 为了使信号在IFFT，FFT前后功率保持不变，DFT和IDFT应满足一下条件

1X(k)Nbk0N1k

x(n)exp(jn0N12nk),0kN1NXkX*2Nk,0k2Nk

1x(n)Nx(k)exp(jk0N12kn),0nN1N的约束下，2N点快速离散傅里叶反变换（IFFT）将频谱内的N个复数子符号Xk变换成时域中的

2N

个实数样值

2. 4 OFDM系统正交性原理

OFDM系统的正交性原理可以从几个方面来理解。例如，上节进行了公式推导，并给出了结论，即如果正确的选择载波频率间隔（取为1/N了），则OFDM信号可以保持其正交性。下面，为了更直观的理解OFDM系统的正交性原理，我们假设一个OFDM符号包括6个子载波的实例，其中所有的子载波都具有相同的幅值和相位都可能是不同的。每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即：

xk(k0,1,,2N1)，加上循环前缀xkx2Nk(k1,,J)之后。这2N+J

个实数样值就构成了实际的OFDM发送符号。xk经过并/串变换之后，通过时钟速率为fs2NJ的D/A转换器和低通滤波Ts器输出基带信号。最后经过上变频输出

3

1(m0)1Texp(jmt)dt

0(m0)T0

假如对第j个子载波进行解调，然后在时间长度T内进行积分，即：

边界。因为每个OFDM符号包括N个样值，

样值同步是为了使接收端的取样时刻与发送端完全一致。与单载波系统相比，OFDM系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在OFDM系统中引起ISI和ICI。

N11Tji2.5.2信道估计技术 djexp(j2)dtdiexp(j2)dtT0ti0T1N1TdTiexp(j2ijTt)dtdji00 可以看出，对第j个子载波进行解调可

以恢复出期望符号dj。二对于其他载波来说，由于在积分间隔内，频率差别ij/T可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为

零。 OFDM的正交性也可以从频域的角度来理解。每个OFDM符号在周期T 内包括多个非零子载波。因而其频谱可以看作是周期为T 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的函数的占的卷积。矩阵脉冲的频谱幅值为Sa(ft)函数，这种函数的零点出现在频率为1/T整数倍的位置上。由于在对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每一子载波频率的最大值，因而可以从多个互相重叠的子信道符号频谱中提取每个子信道符号，二不会受到其他子信道的干扰，避免了子信道的干扰。

2.5 OFDM系统的关键技术

实际中的OFDM系统远比上面的框图复杂，通常需要使用很多技术来增加系统性能。所以OFDM系统的关键技术显得尤为重要，关键技术包括以下几个方面： 2.5.1 同步技术

OFDM系统对定时和频率偏移敏感，所以同步性能的好坏对OFDM系统的性能影响很大。OFDM系统的同步包括载波同步，样值同步和符号同步。与单载波系统相同，载波同步是为了实现接收信号的相干解调，符号同步是为了区分每个OFDM符号块的

OFDM系统可等效为N个独立的并行子信道。如果不考虑信道噪声，N个子信道上的接收信号等于各个子信道上的发送信号与信道的频谱特性的频率乘积。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各个子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。信道估计器的设计主要有两个问题，一个是导频信息的选择，由无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断地发送。二是即有较低的复杂性又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。在实际设计中。导频信息选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。 2.5.3信道编码和交织技术

信道编码可以显著地提高数字通信系统的抗干扰能力。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在OFDM系统中，课使用任意传统的信道编码，如采用分组码，卷积码及Turbo码。OFDM系统中结合多天线技术使用空时编码可以显著提高OFDM系统的性能。

2.5.4 降低峰均功率比技术

在时域，OFDM信号的N路正交子载波信号的叠加。当N 路信号恰好按相同的极性同时缺的最大值时，OFDM信号将呈现最大的峰值。该峰值与信号的平均功率的比值，称为峰值平均功率比（峰均比）。较高的峰均比对发端的功放的线性度要求很高，使得OFDM系统的性能发发下降，直接影响它的实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于限幅类技术和编码类技术等降低OFDM系统峰均比的方法。

4

2.5.5 信道时变性的影响

信道的时变引起接收信号的多普勒扩展，使OFDM信号的正交性遭到破坏，引起子载波间的干扰及系统性能的下降。克服多普勒扩展的传统方法是采用信道编码加交织技术来抵抗信道性能的下降。最近的发展是利用多普勒分集技术来将多普勒扩展变害为利，从而提高系统性能。 2.5.6 自适应技术

利用OFDM技术的一大好处是可以根据信道的频率选择性衰落情况动态地调整每一个子载波上的信息比特数和发送功率，优化系统性能，称为自适应比特和功率分配，也成为自适应调制技术。多用户的情况下，如何为没个用户最优地分配系统资源，从而使系统的发送功率最低或使系统的信息速率最高，这是一个非常复杂的问题。

3. OFDM系统性能

3. 1 抗脉冲干扰

OFDM系统抗干扰的能力比单载波系统强很多。这是因为对OFDM信号的解调是在一个很长的符号周期内积分，从而使脉冲噪声的影响得以分散。事实上，对脉冲干扰有效的抑制作用是最初研究多载波系统的动机之一。提高给CCITT的测试报告表明，能够引起多载波系统发生错误的脉冲噪声的门限电平比单载波系统高11dB。 3. 2 抗多径传播与衰落

OFDM系统把信息分散到许多个载波上，大大降低了各子载波的符号速率，使符号周期比多径迟延长，从而能够减弱多径传播的影响。若再采用保护间隔和时域均衡等措施，可以有效降低符号间干扰。保护间隔原理如图七。

图七 保护间隔原理

3. 3 频谱利用率

OFDM信号由N个信号叠加而成，每

个信号频谱为

sinxx函数与 相邻信号频谱有1/2重叠，如图八

图八 OFDM信号频谱结构 设信号采样频率为1/T，则每个子载波信号的采样速率为

1NT，即载波间距为1NT，若将信号两侧的旁瓣忽略，则频谱宽度为

BN1OFDMN112NTNTNTOFDM的符号速率为RB1NTN1T 比特速率与采用的调制方式有关，若信号星

座点数为M，则比特率为

RB1Tlog2M 5

因此OFDM的频谱利用率为

bNOFDMRBN1log2M OFDM 对于串行系统，当采用MQAM调制方式时，频谱利用率为

RbMQAMB12log2M MQAM比较上式，可以看出采用MQAM调制方式时，OFDM系统的频谱利用率比串行系统提高近一倍。

4.OFDM系统的优点和缺点。

4.1 OFDM技术的主要优点

4.1.1能有效的对抗ISI，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。

它将高速串行数据分割成多个子信道，降低码元速率，相应延长了码元周期；当传输的符号周期大于迟延时间时就能够有效地减弱多径扩展的影响。所以OFDM能一直对信道中多径传输而出现很强的ISI，系统总得误码率性能好。

4.1.2 具有很强的抗信道衰落能力 在OFDM系统中由于并行数据码元周期很长，一般大于深衰落的延续时间，通常衰落发生在某个子载波上，这时通过各个子载波的联合编码，便可恢复。如果衰落不是特别严重，简单的均衡器结构是OFDM的突出优点之一。由于OFDM在每个子信道上通常经历的是平坦衰落，所以可以方便的对各个子信道进行频谱均衡。通常，一阶抽头滤波器结构的均衡器。通常，一阶抽头滤波器结构的均衡器便可满足要求。这对接收机的复杂度是个很大的简化。

4.1.3 基于DFT的OFDM有快速算法，尤其在子载波数目多的情况下，采用FFT算法能大大减少系统的复杂度，简化系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。 4.1.4 信道利用率高

由于OFDM系统中每个子载波间是正交的。当码元由矩形脉冲组成时，每个子载波

的频谱呈

sinxx型，其峰值所在处为其他子载波的零点。当子载波个数很大时，所有子载波频谱叠加在一起，接近矩形，因而其频谱利用率很高，理论上课达到香农信息论的极限。

4.2 OFDM技术的主要缺陷

4.2.1 对系统的非线性问题敏感，对放大器的线性要求高。

4.2.2 对定时和频率偏移敏感。 4.2.3 对相位噪声和载波频偏十分敏感。 4.2.4 峰均比过大等等。

总之，OFDM的有些优势是其它技术无法比拟的。无线信道中所采用的技术很多，比如扩频（抗窄带干扰能力强），多幅度调制（频带利用率高）等。但如果要求基带信号速率在2MHz以上，则扩频技术就不合适了，因为扩频后带宽很宽。在高度衰落的信道中，采用多幅度调制也不太合适，因为其星座图将被改变，导致误码率很高，性能达不到要求。二OFDM由于其并行传输基址，内在的抗ISI的能力和内在的利用多径信道的分集特性的能力，在衰落信道高速数据传输中显示了很强的抗干扰性。尤其是在高速无线数据传输的系统中，OFDM技术被广泛采用。

5.结论。

OFDM是一种能够对抗由多径衰落信道造成的符号间干扰的有效技术，可以在频率选择性衰落信道中实现高速率的无线通信。

文中提到OFDM技术的优点是其它调制方式无法替代的。OFDM技术作为一种高效的调制技术，它的优势将决定OFDM成为第四代移动通信系统的关键技术之一，它的性能直接影响到未来移动通信的通信质量，对OFDM的研究具有重大的现实意义。

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