OFDM的基本原理分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u23368OFDM的基本原理分析綜述 1115811.1OFDM的調(diào)制解調(diào)原理 1155271.2調(diào)制方式 4297221.3信道模型 684111.4OFDM的優(yōu)缺點(diǎn) 7230981.4.1優(yōu)點(diǎn) 711231.4.2缺點(diǎn) 7OFDM技術(shù)是一種以連續(xù)的方式將高速的串行資料轉(zhuǎn)換為N個(gè)較慢的并行資料，然后再進(jìn)行各種載波的調(diào)制。由于采用了平行傳送系統(tǒng)，使碼元的脈寬大為增加，同時(shí)對(duì)多路徑信道的抑制能力也有所改善。多路復(fù)用（FDM）技術(shù)中，由于子載波之間的頻譜是獨(dú)立的，在發(fā)送信息和接收信息時(shí)要用多個(gè)發(fā)射濾波和接收濾波來進(jìn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)消耗的費(fèi)用變高，計(jì)算量也變得更大。同時(shí)，確保各子載波間有一段間隔，以減少每個(gè)子載波之間的串聯(lián)干擾，從而使整個(gè)系統(tǒng)的使用效率下降。正交頻分復(fù)用（OFDM）方法通過將正交頻率分割技術(shù)與MIMO技術(shù)相結(jié)合，減少了信道對(duì)信號(hào)的干擾，可減少信道對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憦亩鼫?zhǔn)確地訪問數(shù)據(jù)[4]。在一個(gè)傳送通道中，并非只有一個(gè)路徑，多路徑傳播過程中，子載波因?yàn)闀r(shí)延而互相干擾，可能使各子載波間的正交發(fā)生紊亂。解決多徑傳播出現(xiàn)的時(shí)延問題，保護(hù)間隔是最優(yōu)選擇，在OFDM發(fā)射信號(hào)之前加入一段時(shí)間的OFDM信號(hào)。當(dāng)多路徑延遲不超出防護(hù)時(shí)間范圍時(shí)，不會(huì)影響到各子載波間的正交。1.1OFDM的調(diào)制解調(diào)原理圖2-1OFDM系統(tǒng)的框架OFDM通過劃分正交子信道，并利用子載波對(duì)子信道進(jìn)行調(diào)制，再把高速串行信號(hào)變換成平行的低速信號(hào)，使各子載波段的數(shù)據(jù)碼元間隔變大，從而可以有效地降低由于無線電通道的時(shí)延而造成的干擾。信號(hào)經(jīng)過IFFT操作后，增加OFDM碼元的保護(hù)間隔，如果保護(hù)時(shí)間間隔大于信道中最長的延遲，則可以有效地避免由于多路徑影響而造成的碼間干擾。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)不采用一段閑置的保護(hù)間隔，而是采用添加循環(huán)前綴的方式，這樣才不會(huì)因?yàn)槎鄰叫?yīng)而給信道間產(chǎn)生太多的影響，進(jìn)行串行轉(zhuǎn)換后將信號(hào)發(fā)送出去。信號(hào)到達(dá)系統(tǒng)的接收端時(shí)，先是串行轉(zhuǎn)換并行，接著去掉循環(huán)前綴，采用FFT進(jìn)行解調(diào)之后將數(shù)據(jù)串行逐個(gè)恢復(fù)初始數(shù)據(jù)[5]。在OFDM中的子載波的頻譜與常規(guī)多載波法中子載波的頻譜不一樣，是彼此重疊的，接收方在進(jìn)行數(shù)據(jù)還原時(shí)可以巧妙利用正交特性。OFDM信號(hào)調(diào)制的數(shù)學(xué)表達(dá)形式如下：（2-1）式子2-1中的d(n)表示調(diào)制碼元中的第n個(gè)，T=保護(hù)間隔Tg+碼元周期Ts，那么每個(gè)子載波會(huì)具有以下的頻率：（2-2）子載波頻率中f0是最小的。因?yàn)镺FDM符號(hào)是在并轉(zhuǎn)換M字符串后被并行發(fā)送的，其周期變?yōu)樵瓉淼腗倍，即Ts=MTs，忽略Tg，結(jié)合上兩式可得：(2-3)式中X(t)為復(fù)等效基帶信號(hào)(2-4)以1/ts的取樣速度取樣X(t)，即tk=kts。，則有(2-5)從上式知：X(tk)經(jīng)過反離散傅里葉變換得到d(n)，則可以采用IFFT對(duì)OFDM進(jìn)行調(diào)制。IFFT與FFT為互逆關(guān)系，調(diào)制與解調(diào)亦是如此，因此接收端可以采用與IFFT互逆的FFT來實(shí)現(xiàn)解調(diào)[6]。在OFDM中，每個(gè)相鄰的子載波之間有一定的的頻率范圍，而頻率范圍又與最小允許范圍相同，如圖2-2多路子載波正交頻譜圖，如下圖所示，不同路徑的載波頻譜重疊，但事實(shí)上，由于它們?cè)诜?hào)持續(xù)期間處于正交狀態(tài)，接收器可以很容易地使用這個(gè)功能來區(qū)分子載波。如此密集的子載波頻率不僅可以被充分利用，而且在信道中不用進(jìn)行波段間隔的防護(hù)。凸顯出了OFDM的長處。子載波經(jīng)調(diào)制后，如果使用QPSK以及4QAM等類型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，子載波依然保持正交，是因?yàn)樗母鱾€(gè)波段的位置和形態(tài)沒有任何變化，只是有幾個(gè)空穴在幅度和相位上。根據(jù)每個(gè)路徑載波所在的信道特點(diǎn)，可以根據(jù)每個(gè)路徑載波所在的信道特點(diǎn)進(jìn)行不同的調(diào)制，并且能夠根據(jù)信道特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，因此它的適應(yīng)性非常強(qiáng)[7]。圖2-2多路子載波正交頻譜圖1.1.1串并轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄊ沁B續(xù)傳輸，即采用了連續(xù)的碼元，在頻率上，每一個(gè)碼元可以占據(jù)所有的可用帶寬，資源浪費(fèi)而且傳輸信息慢。但若使用并行數(shù)據(jù)傳送方式，大量的碼元會(huì)被同步傳送，則會(huì)降低這些問題。OFDM中，各個(gè)碼元的傳送速率從幾十Baud到幾十kBaud不等，這就要求OFDM傳送碼元的串行和平行變換。由于該調(diào)制組件能夠根據(jù)各種情況而調(diào)整，各個(gè)載頻的組件也會(huì)發(fā)生變化，因此，可以變化比特?cái)?shù)目，并根據(jù)各載波段的長度來進(jìn)行傳送。在接收機(jī)上進(jìn)行反向處理，將來自不同副載波段的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為開始的串行數(shù)據(jù)。OFDM碼元通過多路徑信道進(jìn)行通信時(shí)，由于頻譜選擇的衰落會(huì)使一些子載波產(chǎn)生較大的損耗，造成比特誤差。由于該通道的頻譜特性發(fā)生了零值，使得相鄰的副載波發(fā)送的訊息發(fā)生了破環(huán)，從而在各碼元中產(chǎn)生一系列比特誤差。在均勻分布的情況下，大多數(shù)糾錯(cuò)碼的效率高于大量連續(xù)發(fā)生的糾錯(cuò)碼的效率。因此，在并行變換過程中，很多系統(tǒng)都會(huì)使用數(shù)據(jù)擾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，將每一個(gè)相繼的數(shù)據(jù)位隨意地指派給相應(yīng)的副載波段來完成。在接收機(jī)上，執(zhí)行相應(yīng)的反處理來獲得該信號(hào)。這種方法既能恢復(fù)原始的位元序列，又能將因信道衰減造成的相繼位誤差進(jìn)行離散，使得其平均分布在時(shí)間上。這樣可以改善正負(fù)校正碼BER的效能，改善整個(gè)系統(tǒng)的整體效能。1.2調(diào)制方式信號(hào)可以通過改變信號(hào)的振幅、相位和頻率而被調(diào)制。在OFDM系統(tǒng)中，由于其具有正交的頻率，并且承載著各自的信息，因此，最后一種調(diào)制方式不能應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)。QPSK、MQAM等多種調(diào)制模式可以用于短波通訊。正交振幅調(diào)制要使載波振幅和相位發(fā)生變化，它是AS與PAR的綜合應(yīng)用。QAM的方陣天線陣有其特有的優(yōu)勢(shì)，易于實(shí)現(xiàn)。另外，他們的解調(diào)也比較簡單。QAM包含4QAM，16QAM和64QAM等等，每一個(gè)星座的位置對(duì)應(yīng)的位數(shù)目是2，4，6。該方法的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)星座圖，而星座圖則是數(shù)字變換。采用IFFT方法將調(diào)制序列轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的子路，從而改善了OFDM系統(tǒng)的帶寬利用率[8]。QPSK的另外一優(yōu)點(diǎn)是它是等能的，不會(huì)像其他調(diào)制方式一樣因?yàn)樾亲c(diǎn)之間的距離大小而給OFDM系統(tǒng)帶來很大的問題。然而它的弊端也很明顯，就是沒有QAM的效果好，尤其在Q值很高的情況下。當(dāng)為各通道選定一種調(diào)制模式時(shí)，要考慮到傳輸數(shù)據(jù)速率是否快、頻譜利用是否高效還有傳輸是否可靠等因素，同時(shí)還要兼顧頻譜利用率與誤比特率的最優(yōu)均衡。QPSK每次調(diào)制就有2個(gè)比特信息被發(fā)送出去，這些信息位分四個(gè)相位（即π/4，3π/4，5π/4和7π/4）發(fā)送到介質(zhì)。該解調(diào)機(jī)通過對(duì)發(fā)射端點(diǎn)的星座和所收到的載波相位來判定發(fā)射端所發(fā)射的訊號(hào)。圖2-3QPSK的星座圖QAM調(diào)制是由振幅和相位兩種方式組成的。相位加振幅是指一個(gè)數(shù)值或數(shù)值的結(jié)合。QAM的優(yōu)勢(shì)在于其碼元速率較大，因而可以提高系統(tǒng)的效能。通常，所占用的帶寬取決于符號(hào)的速度。所以，而傳輸帶寬則是通訊效率的體現(xiàn)[9]。16QAM有16個(gè)調(diào)制狀態(tài)即在星座圖上有16個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)包含4個(gè)比特信息。把它轉(zhuǎn)化成一個(gè)四比特的十進(jìn)制數(shù)，從0000到1111，每一個(gè)數(shù)值都代表一個(gè)復(fù)面上的一個(gè)狀態(tài)。。圖2-416QAM的星座圖1.3信道模型信道是用來傳送訊息的一種物質(zhì)媒介。有線就像是一個(gè)無線電臺(tái)通訊的頻道。在目前的辦公本地網(wǎng)絡(luò)中，一臺(tái)PC機(jī)作為發(fā)射機(jī)，另一臺(tái)PC機(jī)作為接收機(jī)，網(wǎng)絡(luò)電纜作為信道起作用。對(duì)于移動(dòng)通信（例如，移動(dòng)電話），UE和基地臺(tái)可以是一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器，它們存在于大氣和其他障礙中。下面列出了幾種類型的無線信道通信：圖2-5不同場(chǎng)景的信道類型在無線電通道中，發(fā)送端和接收端的信號(hào)通道不是單一的。由于在通道中有障礙，使得在傳播期間可能產(chǎn)生反射、繞射和散射等一些情況，從而形成多條通路，因此，所收到的訊號(hào)是由多條通路上的訊號(hào)重疊而成。如圖2-6不同的路徑有不同的長度，在復(fù)雜的接收信號(hào)的多通道模擬。誤差發(fā)生在接收信號(hào)和原始信號(hào)的小信號(hào)。在多通道仿真中，多路徑時(shí)延和多普勒頻移的主要參數(shù)是需要考慮的。如圖2-6，因?yàn)椴煌膫鬏斖緩?，延時(shí)的差別。這是影響通信系統(tǒng)的可靠性的一個(gè)重要原因，導(dǎo)致錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)傳輸[10]。圖2-6多徑信道傳輸?shù)哪M1.4OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)1.4.1優(yōu)點(diǎn)①頻譜的利用效率高。OFDM系統(tǒng)中，有線信道的載頻相關(guān)既能降低媒體間的干擾，又能有效地提高頻譜利用率，對(duì)頻譜資源少的無線通信具有重大意義。如果子載波數(shù)量足夠大，那么系統(tǒng)的頻帶利用率接近2baudhz理論值。②抗多路復(fù)用干擾和選擇性頻率衰落的能力較強(qiáng)。在實(shí)際通信中，多路復(fù)用的存在可能導(dǎo)致通信信道選擇性頻率的降低。在OFDM系統(tǒng)中，只有在帶寬內(nèi)的基底載波才會(huì)受到影響，而其他基底載波在傳輸時(shí)仍然更有效，因此，系統(tǒng)的總誤差率不會(huì)急劇下降。而副載波的組合編碼則為OFDM系統(tǒng)提供了很高的穩(wěn)定性。③系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度低。在發(fā)射部分，利用傅立葉逆向轉(zhuǎn)換IFFT技術(shù)將頻率域內(nèi)的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間域波。在接收部分，利用FFT技術(shù)將所收到的時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻率域，再經(jīng)過判別和解調(diào)，以獲得頻率域內(nèi)的傅立葉調(diào)制。FFT技術(shù)極大地減少了OFDM技術(shù)的難度，而近幾年，DSP技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使其運(yùn)算速度得到了極大的提升，F(xiàn)FT的應(yīng)用也隨之加快。④具有高抗衰落能力的組合子載波編碼。在多路徑傳播過程中，如果出現(xiàn)了頻率選擇性衰減，則僅會(huì)對(duì)落入帶隙的子載波及其所承載的信息產(chǎn)生干擾，對(duì)其它子載波無損傷。這樣，整個(gè)體系的誤碼率就會(huì)大大提高。結(jié)合不同的子載波碼進(jìn)行編碼，可以有效地抵抗信道的衰減。OFDM技術(shù)自身就具備了信道的分集性。當(dāng)衰減不是很大的時(shí)候，可以不增加時(shí)間域均衡。通過對(duì)每一個(gè)信道進(jìn)行代碼，可以使系統(tǒng)的性能得到更大的改善。1.4.2缺點(diǎn)①對(duì)頻率偏差和相位噪聲敏感。因?yàn)樽油ǖ赖念l譜重疊，OFDM碼元必須具有嚴(yán)格的正交特性。在發(fā)射過程中，由于無線電通道的時(shí)間改變，或因發(fā)射和接收振蕩的頻率偏離，使各分載波間的正交性受到干擾，致使ICI和系統(tǒng)的效能下降。②高峰均功率比導(dǎo)致發(fā)射放大器功耗低。從時(shí)域的角度來看，OFDM調(diào)制中，由于其對(duì)各子載波的增益作用是全部的子載波數(shù)的累加，在最糟糕的情形下，其直接的能量要遠(yuǎn)高于平均的能量，