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OFDM应用

作者 :本站编辑更新时间:2014-8-23

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OFDM应用中的关键技术

叶志猛 季卫华


南京邮电学院通信工程系



摘要 OFDM技术是第4代移动通信的核心技术。本文在介绍了OFDM基本原理的基础上,结合应用中的问题着重讨论了它在应用中的关键技术。


关键词 OFDM 同步技术 PARP 导频 信道估计


1 绪论


随着通信技术的不断成熟和发展,如今的通信传输方式可以说多种多样,变化日新月异,从最初的有线通信到无线通信,再到现在的光纤通信。然而,从通信技术的实质来看,上面所述基本上都是传输介质和信道的变化,突破性的进展并不多。近年来,随着DSP芯片技术的发展,傅立叶变换/反变换、高速Modem采用的64/128/256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入,OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术,引起了广泛关注。人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用,在无线宽带接人以及第4代移动通信中,OFDM技术都将成为继CDMA技术之后的又一核心技术。


OFDM把高速数据流通过串并转换,使每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,减少了单个码元占用的带宽,抵抗多径引起的频率选择性衰落,从而可以减少由无线信道的时间弥散所带来的ISI。OFDM系统各个子载波之间正交,允许子信道的频谱相互重叠,最大限度地利用了频谱资源。但是OFDM也存在缺点,它对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化,仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。因此,OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。其次它的功率峰值与均值比(PAPR)大,高峰均值比会增大对射频放大器的要求,导致射频信号放大器的功率效率降低。


2 OFDM的基本原理


OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。


3 OFDM的关键技术


3.1 同步技术


OFDM系统中,N个符号的并行传输会使符号的延续时间更长,因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说,无线信道存在时变性,在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏,相位噪声对系统也有很大的损害。


由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差,每个信号样本都一定程度地偏离它真确的采样时间,此偏差随样本数量的增加而线性增大,尽管时间偏差坏子载波之间的正交性,但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时,就可以用内插滤波器来控制真确的时间进行采样。


相位噪声有两个基本的影响,其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量,跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响,其次也会引人一定量的信道间干扰(ICI),因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/T了。


载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加,它们之间的正交性有严格的要求。无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移,多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。多普勒展宽会导致频率发生弥散,引起信号发生畸变。从频域上看,信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此对于要求子载波严格同步的OFDM系统来说,载波的频率偏移所带来的影响会更加严重,如果不采取措施对这种信道间干扰(ICI)加以克服,系统的性能很难得到改善。


OFDM中的同步通常包括3方面的内容:


(1)帧检测;


(2)载波频率偏差及校正;


(3)采样偏差及校正。


由于同步是OFDM技术中的一个难点,因此,很多人也提出了很多OFDM同步算法,主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行,其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法,其中ESPRIT算法虽然估计精度高,但计算复杂,计算量大,而ML算法利用OFDM信号的循环前缀,可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计,而且与ESPRIT算法相比,其计算量要小得多。对OFDM技术的同步算法研究得比较多,需要根据具体的系统具体设计和研究,利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。OFDM系统对定时频偏的要求是小于OFDM符号间隔的4%,对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的1%~2%,系统产生的-3dB相位噪声带宽大约为子载波间隔的0.01%~ 0.1%。


3.2 PARP的解决


由于OFDM信号是有一系列的子信道信号重叠起来的,所以很容易造成较大的PAPR。大的OFDM PAPR 信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内失真。但是由于大的PARP的概率并不大,可以把大的PAPR值的OFDM信号去掉。但是把大的PAPR值的OFDM信号去掉会影响信号的性能,所以采用的技术必须保证这样的影响尽量小。一般通过以下几种技术解决:


(1)信号失真技术。采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。


(2)编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的PAPR的OFDM符号去除。


(3)扰码技术。采用扰码技术,使生成的OFDM的互相关性尽量为0,从而使OFDM的PAPR减少。这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置,典型的有PTS和SLM。


3.3 训练序列/导频及信道估计技术


接收端使用差分检测时不需要信道估计,但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考,差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量,但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中,系统对频偏比较敏感,所以一般使用相干检测。


在系统采用相干检测时,信道估计是必须的。此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息,训练序列通常用在非时变信道中,在时变信道中一般使用导频信号。在OFDM系统中,导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度,可以插入连续导频和分散导频,导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽,在时域上,导频的间隔应小于相干时间;在频域上,导频的间隔应小于相干带宽。实际应用中,导频的模式的设计要根据具体情况而定。


4 结束语


OFDM技术被普遍认为是下一代通信系统必不可少的技术。我们应该跟踪OFDM技术的最新发展,加快相关关键技术的研究,以便在下一代移动通信系统的研发中具有竞争力。


参 考 文 献


[1] Breiling M, Muller S H, Huber J B . SLM Peak- power reduction without explicit side information . IEEE Communications Letters, June 2001


[2 Evans B G, Baughan K . Visions of 4G . Electronics && Communication Engineering Journal . Dec 2000


[3] Proaks J G著 . 数字通信(第四版)


[4] 移动通信俱乐部 . http://www.mobileclub.org;






OFDM应用领域日渐广泛

【原文日期】 2007-01-12 【作者】 钟凌江


【收录日期】 2007-01-15 【来源】 人民邮电报


有人说,现在我们已经进入到一个移动通信的时代,人们完全可以用无线的通信手段代替传统的有线电话。虽然这


样的说法有些不切实际,但是毕竟近几年来无线通信的迅猛发展确实大有让人们产生上述观点之势。一些新兴的无线传输、无线接入技术正在不断兴起,吸引了世界上众多的参与者,热点频现,如OFDM技术、MIMO技术、UWB技术以及ZigBee技术等等,它们的涌现给无线通信技术的发展注入了新的活力。在众多的无线技术当中,OFDM以其独特的魅力成为最大的一个亮点。从WLAN到WiMAX、Flash-OFDM,从LTE到B3G,再到超宽带无线通信技术UWB,OFDM几乎成了新一代无线通信技术的标志。

OFDM,即正交频分复用技术,以其新型信号调制复用方法在宽带无线接入领域的应用正在逐渐成为一个发展趋势。由于OFDM在技术上存在相当大的优势,除频谱利用率高和较强的带宽扩展性外,由…… 职称论文发表网http://www.issncn.com 职称论文发表网http://www.issncn.com


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