多載波OFDM(論文).doc

畢業(yè)設計（論文）目 錄一、引言2二、OFDM的基本原理介紹2三、OFDM中的關鍵技術3四、OFDM在認知無線電中的應用(及優(yōu)缺點)4五、結束語5參考文獻6多載波調制中的OFDM摘要：OFDM技術是一種無線環(huán)境下的高速多載波傳輸技術，抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾能力較強，同時又有很高的頻譜利用率，適合在多徑傳播的無線移動信道中傳輸高速數(shù)據(jù)。論文分析了OFDM的基本原理，論述了其關鍵技術及優(yōu)缺點。OFDM技術將成為未來無線通信中的核心技術，在認知無線電、4G移動通信和無線寬帶接入等領域得到廣泛的應用。關鍵詞：OFDM；無線通信；認知無線電-無線寬帶一、引言 隨著多媒體無線通信的發(fā)展，頻譜的需求與供給的矛盾越來越尖銳。例如，歐洲某些國家的UMTS頻譜采用拍賣的方式，其費用達到每5Mhz頻段30到40億美元，使用期限為20年，如此高的頻譜使用費用，使得運營商不得不選擇更高頻譜效率的無線技術，于是OFDM（orthogonal frequency division multiple access）應運而生，也越來越受到人們的重視。OFDM技術屬于多載波調制，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。如今OFDM憑借著很高的頻譜利用率，并作為一種可以有效對抗信號波形間干擾的高速傳輸技術,被廣泛應用于WLAN和B3G中，而且在4G中也將占據(jù)很重要的位置，所以對OFDM的深入研究是很有意義的。二、OFDM的基本原理介紹信系統(tǒng)的效率，說到底就是頻譜利用率和功率利用率。特別是在無線通信的情況下，對這兩個指標的要求往往更高，尤其是頻譜利用率。由于空間可用頻譜資源是有限的，而無線應用卻越來越多，使得無線頻譜的使用受到各國政府的嚴格管理并統(tǒng)一規(guī)劃。于是，各種各樣的具有較高頻譜效率的通信技術不斷被開發(fā)出來，OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是目前已知的頻譜利用率最高的一種通信系統(tǒng)，它將數(shù)字調制、數(shù)字信號處理、多載波傳輸?shù)燃夹g有機結合在一起，使得它在系統(tǒng)的頻譜利用率、功率利用率、系統(tǒng)復雜性方面綜合起來有很強的競爭力，是支持未來移動通信特別是移動多媒體通信的主要技術之一。 OFDM是一種多載波傳輸技術，N個子載波把整個信道分割成N個子信道，N個子信道并行傳輸信息。OFDM系統(tǒng)有許多非常引人注目的優(yōu)點。第一，OFDM具有非常高的頻譜利用率。普通的FDM系統(tǒng)為了分離開各子信道的信號，需要在相鄰的信道間設置一定的保護間隔（頻帶），以便接收端能用帶通濾波器分離出相應子信道的信號，造成了頻譜資源的浪費。OFDM系統(tǒng)各子信道間不但沒有保護頻帶，而且相鄰信道間信號的頻譜的主瓣還相互重疊，但各子信道信號的頻譜在頻域上是相互正交的，各子載波在時域上是正交的，OFDM系統(tǒng)的各子信道信號的分離（解調）是靠這種正交性來完成的。另外，OFDM的個子信道上還可以采用多進制調制（如頻譜效率很高的QAM），進一步提高了OFDM系統(tǒng)的頻譜效率。第二，實現(xiàn)比較簡單。當子信道上采用QAM或MPSK調制方式時，調制過程可以用IFFT完成，解調過程可以用FFT完成，既不用多組振蕩源，又不用帶通濾波器組分離信號。第三，抗多徑干擾能力強，抗衰落能力強。由于一般的OFDM系統(tǒng)均采用循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）方式，使得它在一定條件下可以完全消除信號的多徑傳播造成的碼間干擾，完全消除多徑傳播對載波間正交性的破壞，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾能力。OFDM的子載波把整個信道劃分成許多窄信道，盡管整個信道是有可能是極不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落卻是近似平坦的，這使得OFDM系統(tǒng)子信道的均衡特別簡單，往往只需一個抽頭的均衡器即可。三、OFDM中的關鍵技術(1) 峰均功率比PAR(Peak to Average Ratio)由于OFDM信號時域上為個正交子載波信號的疊加，當這個信號恰好都以峰值出現(xiàn)并將相加時，OFDM信號也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但為了不失真地傳輸這些高峰均值比的OFDM信號，對發(fā)送端和接收端的功率放大器、AD變換器的線性度要求較高，且發(fā)送效率較低。為了解決這一問題，人們提出了幾種解決方法信號失真技術，采用峰值修剪技術和峰值窗口去除技術，使峰值振幅值簡單地非線性去除。選用合適的編碼和解碼方法，將峰值功率控制和信道編碼結合起來，以避免出現(xiàn)較大的峰值信號。在每個子載波中插入不同的相位變換，相位變換的選擇是偽隨機的，減少OFDM的PAR。(2) 時域和頻域同步與其它數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，oFDM系統(tǒng)需要可靠的同步技術，包括定時同步、頻率同步和相位同步，其中頻率同步對系統(tǒng)的影響最大。移動無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現(xiàn)無線信號的頻率偏移，這會使0FDM系統(tǒng)子載波間的正交性遭到破壞，使子信道間的信號相互干擾，因此頻率同步是oFDM系統(tǒng)的一個重要問題。為了不破壞子載波間的正交性，在接收端必須對頻率偏差進行估計和補償。在具體實現(xiàn)時，同步可分為時域同步和頻域同步，也可以時域頻域同時進行同步。(3) 信道估計接收端使用差分檢測時不需要信道估計，但仍需要一些導頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統(tǒng)的復雜度和導頻的數(shù)量，但卻損失了信噪比。OFDM系統(tǒng)對頻偏比較敏感，所以一般使用相于檢測。在系統(tǒng)使用相干檢測時，信道估計是必須的。信道估計器的設計主要有兩個問題一是導頻信號的選擇，由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷地對信道進行跟蹤，因此導頻信號也必須不斷地傳送；二是信道估計器的設計，既要有較低的復雜度又要有良好的導頻跟蹤能力。為了提高信道估計的精度，可以插入連續(xù)導頻和分散導頻，導頻的數(shù)量是信道估計精度和系統(tǒng)復雜度的折衷。(4) 信道編碼和交織為了對抗無線衰落信道中的隨機錯誤和突發(fā)錯誤，提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，通常采用信道編碼和交織技術。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯誤，可以采用交織技術。OFDM系統(tǒng)本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已被oFDM這種調制方式本身所利用，可以在子載波間進行編碼，形成編碼的oFDM，OFDM技術與信道編碼、頻率時間交織結合起來，能進一步改善整個系統(tǒng)的性能。四、OFDM在認知無線電中的應用（及優(yōu)缺點）(1) OFDM技術的優(yōu)缺點OFDM技術的優(yōu)點：系統(tǒng)復雜度較低，容易實現(xiàn)。各子信道的正交調制和解調可通過離散傅立葉反變換(IDFT)和離散傅立葉變換(DFT)實現(xiàn)。對很大(32)的系統(tǒng)，可以通過快速傅立葉變換(FFT)來實現(xiàn)?？诡l率選擇性衰落或窄帶干擾性能強，在多載波系統(tǒng)中，僅有很小一部分載波會受到干擾。對這些子信道可以采用糾錯碼來進行糾錯。頻譜利用率高，OFDM技術將給定信道分成許多正交子信道。子信道的頻譜相互重疊，提高了頻譜使用效率。靈活開放，無論從無線數(shù)據(jù)業(yè)務的使用需求，還是從移動通信系統(tǒng)自身要求，都希望物理層支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸，而OFDM系統(tǒng)可以很容易使用不同數(shù)量的子載波來實現(xiàn)上下鏈路中不同的傳輸速率。OFDM技術存在兩個不足對頻率偏移很敏感，OFDM的基礎是子載波必須滿足正交，如果正交性惡化，則整個系統(tǒng)的性能會嚴重下降，產(chǎn)生OFDM特有的子載波間串擾。峰值與均值功率比PAR較大，這個比值的增大會降低射頻放大器的發(fā)射效率，并且需要放大器具有更寬的線性范圍。因此，解決OFDM系統(tǒng)的同步和降低信號的峰值平均功率比PAR，成為OFDM技術研究的熱點。 (2) OFDM在認知無線電中的應用認知無線電(cogrlitive Radio)，是一種新的智能無線通信技術。認知無線電具有認知周圍無線電磁環(huán)境的能力，以更為靈活的方式來管理無線電頻譜資源，提高無線電通信頻譜的利用率。認知無線電拓展了無線電通信領域的空間。為了解決頻譜資源的日益緊張和目前固定分配頻譜利用率較低的矛盾，就要找到更有效的方法來充分認知和利用無線頻譜資源?；就緩接袃蓷l：其一，提高頻譜利用率，將已授權用戶的頻譜資源充分利用，減少浪費，其二，提高系統(tǒng)通信效率，將已獲得的頻率資源和其它資源綜合優(yōu)化分配，進而提高利用率。正交頻分復用(OFDM)技術是目前公認的比較容易實現(xiàn)頻譜資源控制和有效利用的傳輸方式。OFDM技術具備頻譜利用率高，有較強的抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落和頻率擴散能力等特點，oFDM調制方式可以通過頻率的組合或裁剪實現(xiàn)頻譜資源的充分利用，可以靈活控制和分配頻譜、時間、功率和空間等資源。因此，OFDM技術被作為認知無線電中首選的復用和調制技術。OFDM系統(tǒng)具有裁剪功能，通過子載波的分配，將一些不規(guī)律和不連續(xù)的頻譜資源進行整合，按照一定的公平原則將頻譜資源分配給不同的用戶，實現(xiàn)資源的合理分配和利用。特別是復合自適應傳輸技術，將OFDM和認知無線電概念以及一系列自適應傳輸技術結合，從而達到無線電資源的合理分配和充分利用。五、結束語OFDM技術有著非常廣闊的發(fā)展前景，已成為第四代移動通信(4G)的核心技術。IEEE 80211a、IEEE 802119等標準為了支持高速數(shù)據(jù)傳輸都采用了OFDM調制技術。目前，OFDM結合時空編碼、分集、干擾和鄰道干擾抑制以及智能天線技術，最大限度地提高了物理層的可靠性，如果再結合自適應調制、自適應編碼以及動態(tài)子載波分配和動態(tài)比特分配算法等技術，可以使其性能進一步優(yōu)化。從理論上講， OFDM技術要優(yōu)于當前移動運營商所采用的標準技術?？傊捎贠FDM技術良好的性能，將成為未來無線通信中的核心技術，在認知無線電、4G移動通信和無線寬帶接入等領域得到廣泛的應用。參 考 文 獻1 李仲令等 現(xiàn)代無線與移動通信技術 科學出版社2006：4