正交頻分復用(OFDM)原理及其實現(xiàn)

1、正交頻分復用（OFDM）原理及其實現(xiàn)高建勤 熊淑華（ 四川大學電子信息學院 成都610064 ）摘要 本文介紹了正交頻分復用(OFDM)技術的基本原理，討論了OFDM系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并簡要分析了OFDM系統(tǒng)的性能特點。關鍵詞 正交頻分復用（OFDM）調(diào)制 解調(diào) The Fundamental and Implementation of OFDMGao Jianqin Xiong Shuhua(College of Electronics & Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064 )Abstract：In

2、this paper, the principle of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is firstly introduced, and then its methods to implement are discussed. Finally, the performance properties of OFDM system are given briefly.Key words：Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Modulation Demodulat

3、ion 在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，如何高速和可靠地傳輸信息成為人們關注的一個焦點。雖然現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸理論和實踐已經(jīng)取得了相當大的進展，但是隨著通信的發(fā)展，特別是無線通信業(yè)務的增長，可以利用的頻率資源日趨緊張。OFDM調(diào)制技術的出現(xiàn)為實現(xiàn)高效的抗干擾調(diào)制技術和提高頻帶利用率開辟了一條的新路徑。OFDM調(diào)制技術的應用可以追溯到二十世紀60年代，主要用于軍用的高頻通信系統(tǒng)，也曾被考慮應用于高速調(diào)制解調(diào)器。目前OFDM技術已經(jīng)被廣泛應用于廣播式的音頻和視頻領域和民用通信系統(tǒng)中，主要的應用包括：非對稱的數(shù)字用戶環(huán)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)

4、、無線局域網(wǎng)（ WLAN）等。本文簡要敘述了正交頻分復用技術的基本原理和OFDM系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，最后總結(jié)了OFDM系統(tǒng)的性能特點。OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術，該技術的基本原理是將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)并對不同的載波進行調(diào)制。這種并行傳輸體制大大擴展了符號的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。傳統(tǒng)的頻分復用方法中各個子載波的頻譜是互不重疊的，需要使用大量的發(fā)送濾波器和接受濾波器，這樣就大大增加了系統(tǒng)的復雜度和成本。同時，為了減小各個子載波間的相互串擾，各子載波間必須保持足夠的頻率間隔，這樣會降低系統(tǒng)的頻率利用率。而現(xiàn)代OFDM系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術，各子載

5、波的產(chǎn)生和接收都由數(shù)字信號處理算法完成，極大地簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。同時為了提高頻譜利用率，使各子載波上的頻譜相互重疊（如圖一所示），但這些頻譜在整個符號周期內(nèi)滿足正交性，從而保證接收端能夠不失真地復原信號。當傳輸信道中出現(xiàn)多徑傳播時，接收子載波間的正交性就會被破壞，使得每個子載波上的前后傳輸符號間以及各個子載波間發(fā)生相互干擾。為解決這個問題，在每個OFDM傳輸信號前面插入一個保護間隔，它是由OFDM信號進行周期擴展得到的。只要多徑時延不超過保護間隔，子載波間的正交性就不會被破壞。 圖1 正交頻分復用信號的頻譜示意圖 由上面的原理分析可知，若要實現(xiàn)OFDM，需要利用一組正交的信號作為子載波。我們再

6、以碼元周期為T的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。OFDM調(diào)制器如圖2所示。要發(fā)送的串行二進制數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼器形成了M個復數(shù)序列，此復數(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個子載波來實現(xiàn)頻分復用。圖2 OFDM調(diào)制器在接收端也是由這樣一組正交信號在一個碼元周期內(nèi)分別與發(fā)送信號進行相關運算實現(xiàn)解調(diào)，恢復出原始信號。OFDM解調(diào)器如圖3所示。 然而上述方法所需設備非常復雜，當M很大時，需要大量的正弦波發(fā)生器，濾波器，調(diào)制器和解調(diào)器等設備，因此系統(tǒng)非常昂貴。為了降低OFDM系統(tǒng)的復雜度和成本，我們考慮用離散傅立葉變換（DF

7、T）和反變換（IDFT）來實現(xiàn)上述功能。如果在發(fā)送端對D(m)做IDFT，把結(jié)果經(jīng)信道發(fā)送到接收端，然后對接收到的信號再做DFT，取其實部，則可以不失真地恢復出原始信號D(m)。這樣就可以利用離散傅立葉變換來實現(xiàn)OFDM信號的調(diào)制和解調(diào)。實現(xiàn)框圖如圖4和圖5所示。用DFT和IDFT實現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)的復雜度，減小了系統(tǒng)成本，為OFDM的廣泛應用奠定了基礎4.OFDM系統(tǒng)的性能特點通過各個子載波的聯(lián)合編碼，OFDM具有很強的抗衰落能力，同時也有很強的抗窄帶干擾能力，因為這些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。OFDM系統(tǒng)可以有效地抗信號波形間干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)

8、據(jù)傳輸。OFDM信道利用率高，這點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤其重要。但是OFDM存在兩個缺陷：對頻率偏移和相位噪聲比較敏感；峰值與平均值比相對較大，這個比值變大會降低射頻發(fā)射器的功率效率。 圖3 OFDM解調(diào)器數(shù)據(jù)編碼串并變 換換IDFTD/A變 換低通濾 波D(k)串行d(n) d(t) 數(shù)據(jù)圖4 用離散傅立葉變換實現(xiàn)OFDM的調(diào)制器數(shù)據(jù)解碼并串變 換DFTA/D變 換低通濾 波D(k)串行d(n) d(t) 數(shù)據(jù)圖5 用離散傅立葉變換實現(xiàn)OFDM的解調(diào)器結(jié)束語本文較詳細地敘述了OFDM技術的基本原理，實現(xiàn)和它的性能特點。OFDM由于其頻譜利用率高、成本低等原因越來越受到人們的關注?，F(xiàn)在O

9、FDM技術得到了廣泛應用，尤其是在移動通信領域，預計第三代以后的移動通信的主流技術將是OFDM技參考文獻1 Sun Y, Tong L. Bandwidth efficient wireless OFDM. IEEE, November 2001;19(11):2267-22792 WEINSTEIN S B, EBERT P M. Data Transmission by Frequency Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform J . IEEE Trans Commun Technol, 1971 ,19(5):628-6343 A.Chouldy, A .Brajal, S.Jordan