OFDM的基本原理-Read.PDF

OFDM 的 基 本 原 理 杜 岩 （山东大学信息科学与工程学院 济南 250100 ） 1. 引言 现代社会对通信的依赖和要求越来越高，于是设计和开发效率更高的通信系统就成了 通信工程界不断追求的目标。通信系统的效率，说到底就是频谱利用率和功率利用率。特别 是在无线通信的情况下，对这两个指标的要求往往更高，尤其是频谱利用率。由于空间可用 频谱资源是有限的，而无线应用却越来越多，使得无线频谱的使用受到各国政府的严格管理 并统一规划。于是，各种各样的具有较高频谱效率的通信技术不断被开发出来，OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing ）是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系 统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它在系统的频 谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力，是支持未来移动通信特 别是移动多媒体通信的主要技术之一。 OFDM 是一种多载波传输技术，N 个子载波把整个信道分割成N 个子信道，N 个子信 道并行传输信息。OFDM 系统有许多非常引人注目的优点。第一，OFDM 具有非常高的频 谱利用率。普通的FDM 系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的 保护间隔（频带），以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源 的浪费。OFDM 系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还 相互重叠 （见图1.5），但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的，各子载波在时域上是 正交的，OFDM 系统的各子信道信号的分离（解调）是靠这种正交性来完成的。另外，OFDM 的个子信道上还可以采用多进制调制 （如频谱效率很高的QAM ），进一步提高了OFDM 系 统的频谱效率。第二，实现比较简单。当子信道上采用 QAM 或 MPSK 调制方式时，调制 过程可以用IFFT 完成，解调过程可以用FFT 完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器 组分离信号。第三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的OFDM 系统均采用循 环前缀 （Cyclic Prefix，CP ）方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成 的码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性的破坏，因此OFDM 系统具有很好的抗多 径干扰能力。OFDM 的子载波把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道是有可能是极 不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的（见图1.6），这使得OFDM 系 统子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可。 当然，与单载波系统比，OFDM 也有一些困难问题需要解决。这些问题主要是：第一， 同步问题。理论分析和实践都表明，OFDM 系统对同步系统的精度要求更高，大的同步误 差不仅造成输出信噪比的下降，还会破坏子载波间的正交性，造成载波间干扰，从而大大影 响系统的性能，甚至使系统无法正常工作。第二，OFDM 信号的峰值平均功率比 （Peak-to-Average Power Ratio ，PAPR ）往往很大，使它对放大器的线性范围要求大，同时 也降低了放大器的效率。OFDM 在未来通信系统中的应用，特别是在未来移动多媒体通信 中的应用，将取决于上述问题的解决程度。 OFDM 技术已经或正在获得一些应用。例如，在广播应用中欧洲的 ETSI （European Telecommunication Standard Institute，欧洲电信标准学会）已经制定了采用OFDM 技术的数 1 字音频广播（Digital Audio Broadcasting, DVB ）的标准，数字视频广播（Digital Video Broadcasting ，DVB ）的标准也正在制定中；在宽带无限接入应用中，IEEE 802.11a 及IEEE 802.16 都有基于OFDM 技术的建议，ETSI 的HiperLAN II 也是一种基于