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现代数字调制技术之OFDM技术摘要:OFDM技术是一种多载波技术，在高速无线数据传输领域有很人的应 用前景本文在分析宽带无线信道性能牡点的基础上，介绍了 OFDM技术的基 本原理和实现方法，并讨论了 OFDM的关键技术及其在解决移动信道传输问题 上的仙势并展望了 OFDM技术在移动通信领域的发展趋势介绍数字电 视广播(DVB)中的应用再介绍0FDM在通信领域中的应用…关键词:正交频分复用;FFT/1FFT;正交频分复用数字音频广播数字视频广播无 线1 OFDM技术的原理正交频分复用 OFDM ( Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)是一种 特殊的多载波技术”通过延长传输符号周期,从而增强抵抗多径衰落的能力, 是一种新型高效的数字调制技术20世纪70年代，人们提出了采用离散傅里 叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使OFDM技术得到了广泛的 应用同时，由于无线通信技术，特别是无线多媒体技术的飞速发展,要求的 数据传输速率越来越高,采用OFDM调制技术可有效地处理信道干扰,提高系 统的传输速率，因此备受瞩目1995年欧洲电信标准委员会(ET SI)将OFDM 作为数字音频广播(DAB)的调制方式,这是第一个以OFDM作为传输技术的标 准。

欧洲数字视频广播联盟也在1997年采用OFDM作为其地而广播(DAB T) 调制标准1999年IEEE将OFDM作为其无线局域网标准IEEE802. Ila的物理 层的调制标准1・1无线信道分析对于室外无线移动通信的应用来说，对信号传输质量影响最深的应属路径衰 落和多径效应路径衰落决定了系统的应用覆盖范围，而多径效应产生的多径 衰落和多普勒频移给传输质量带来了很大的影响，因此，对无线信道的硏究应 主要集中在多径给信道特性带来的时间和频率色散的影响上1.1.1多径传播在典型的无线信道中,发送信号的多次反射导致了李径传播不同的传播路 径具不同的延迟特性，从而使信道表现岀时间色散特性，进一步导致信号产生 频率选扫 性衰落或者平坦衰落对于宽带无线通信，信道具有恒增益和线性相位的带宽 范小于发送信号带宽,则该信途特性就会导致接收信号产生选择性衰落在这 种情况下•信道冲激响应具有多径时延扩展,其值大于发送信号波几带宽的倒 数此时，接收信号中包含经历了衰减和时延郎发送信号波形的多径波，因而 产生了接收信号失真这梢 信号就引起了符号间干扰(ISI)1. 1.2多普勒效应由于传输过程中，移动台和发射台(基站)之间存在相对运动，每一个多径波 都经历了明显的频移过程，移动起的接收机信号频移称为多普勒频移。

他和移 动台的返动速度运V、运动方向，以及接收机多径波的入射角6有关f d =十 cos 6 A=其中:C为光速,f为发送信号频率除了移动台的运动外，在信道传播路径中的环境物侧的运动也会引起多普勒效应这些多普勒效应使得信道在频域上是色散的，即信道具有时变特性OFDM技术的基木原理是把调制在单载波上的高速串行数据流，分成多路低 速的数据流，调制到多个正交子载波上并行传输设OFDM信号发射周期为[0, T],子载波数为N ,在一个周期内传输的N个符号为皿M・・・・・ d、I),d, a(n) + 朋“)令/"八+ W ( k=0, 1,... , N—1) ｝纣为子载波之间的频率间隔，第k个信号dk、调制第k个载波fk各子载波间满足正交性就是 使下式成立：Jexp(j27y\X)X [exp(J2^./)]可以证明，只要适当地选择载波之间的频率间隔从，使A = 1/T,即可使各子载波在整个OFDM信号的符号周期内满足正交性当OFDM符号由矩形时间脉冲组成时，每个调制载波的频谱为sinx/x其峰值相应于所有其他载波的频谱中 的零点如图1所示从图1中可见满足正交性准则OFDM信号频谱⑻单个OFDM子带频谱;(b)图10FDM频谱合成的OFDM们号为：.V- I/)=刀{n) cos(⑴“ + 6( zi) sin( CU/)) rtO其中：f-= f.)+ nAf, Af=^=-^采用直接方法实现OFDM的调制z系统太过复杂，不可能在实际中应用。

因 此,Weinstei n提出了用DSP技术实现OFDM的调制D⑴可以写成:〃(门=52

2)通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰能力OFDM技术木身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡 器通过将各个信道联合编码,则可以使系统性能得到提高3) 可以选用基于IFFT/ FFT的OFDM实现方法4) 信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要;当子 载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2 Baud/ Hzo1.1.4 OFDM实现中的关键技术在OFDM系统中，依赖了多径传播中的多条路径收到接收信号，衰落信道 本身体现了内在的分集特性如果信道衰落不是太深，均衡无法再利用信道的分集特性来己善系统性能了但是，OFDM系统的结构却为在子载波间进行编 码提供了机会通过子载波间的联合编码和交织•可以进一步利用信道分集特性 来改善整个系统的性能使用软判决译码可以实现很高的附加信噪比增益，而 卷积码译码常采用的维特比算法可以很容易地进行软判译码,所以卷积码是一 种性能比较好的编码方式从对抗信道引入的错误能力角度以及系统复杂度和 实用性考虑•还可以在调制器中引入格形编码机制此外，传输中衰落信道还可 能会产生数据突发错误,为对抗信道的突发性错码后要对数据进行交织,使得 突发性错误在经过解交织后扩展开来，成为独立的错误，以便于利用纠错征进 行纠错。

对于OFDM通信系统的同步问题，有多种方法可以解决可以利用OFDM符 号本身具有的循环前缀,也可以利用在信号中插入特殊的训练符号一前导字和导频信 号来获得同步信息1）利用循环扩展进行同步加了循环前级的OFDM符号的前几秒部分和其末尾几秒部分是完全一致的, 可以利用这一性质来对OFDM系统做定时和频偏同步将信号中长为Tc秒的部 分符号和延时T秒后的同样长的部分符号做相关根据相关的结果来做定时和 频偏估计•具体实现框图如图2所示.（——X （~X 「驚蠶图2利用循环扩展进行同步（2）利用特殊的训练字符进行同步对于高速的突发模式的传输系统来说,定时应尽可能快,最好在很少的OFDM符号间隔内就可以达到同步这样，就必须使用特殊的已知的OFDM训 练符号来做定时同步具体的实现方法可以采用一个匹配滤波器，将接收到的 信号同已知的OFDM前导字训练字符做相关，来获得同步信息•图3给出了利用 匹配滤波器做相关的原理示意图中，匹配滤波器的系数G =0, 1,... , N-1）为发送的已知前导训练字符的复共扼根据匹配滤波器枪出的相关信号的峰值, 可以得到符号定时和频偏估计两方面的信息3）信通佑计在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，必须采取信道估计在实际应用中，可以采取不同的估计方 法可以利用导频信号，也可以利用前导字来对信道做岀估计基于导频的信 道估计器要根据已知的导频信号在时域和频域对信道估计进行内插恢复,要求 导频的时域一频域的裕点分布位里必须俩足奈至歌符抽样足理即导频的取样 间隔必须小于取样信号的双边带宽的倒数对于OFDM信号，则意味着在导 频之间存在最小子载波间隔和最小符号间隔只要导频的位里分布小于这2个 间隔,就能通过内插来恢复出信道在所有时频格点位置上的衰落估计值•导频 信号越多,对信道的估计就越精确”但同时,随着导频信号的增加，信号传输 的有效信噪比将会降低因此，在设计导频的密度时，必须考虑这些因素，从 而在信道估计性能和SN R损失两者之间给出一个符合实际应用要求的折衷设 计图3利用特殊训练字符获得同步（4） OFDM系统结构设计OFDM通信系统的整体实现架构分为发射端和接收端两部分,如图4所 示OFDM调制信号的抽样完全可以用一个N点的IFFT来实现，所以整个 OFDM系统发射机的调制核心就是一个N点IFFT变换器,利用这一变换器可以 实现对发送数据的OFDM调制.从信道传输的可靠性考虑，在进行OFDM调制之 前使用了 TCM编码器对信号进行了信道编码,这一方式为整个系统提供一定的编码增益，提高了系统对抗路径衰落和抵抗各种干扰的能力。

经过IFFT后，为 了抗多径延迟，避免码间干扰（IS）,在每个OFDM调制符号前都加人一个长度 为1/4符号时间的循环扩展作为保护间隔（保护间隔的长度可以根据系统的性能 要求进行调整）最后”数据经过成型滤波器后被送到D/A变换器进行模数变 换，然后上变频到规定的发射频率后发送XZRFTX卜卞"变換卜｛成住建波卜f 保护倒隔）（RFRX ｝■彳 A/D 费伏）（信逋估计｝图4OFDM系统结构框图对于OFDM接收系统的设计来说,除了解调、解码以外，还必须考虑在数 据经过无线移动信道传输的过程中”会发生各种衰落必须对这些衰落进行补 偿另外，在接收端，系统的时钟有可能偏移，给数据恢复带来影响这也必 须在接收系统中予以考虑OFDM系统接收部分的同步和走时是一个非常重要 的问题，因为即使是时间和频率上的一点点同步误差也将对子载波的正交性产 生很大的影响，从而进一步影响到解调信号的正确性，大大降低系统的信噪 比因此，接收到的数据在经过下变频和A/D转换后，首先必须送到同步/定时 模块，进行频偏估计和载波、时钟恢复•从中得出取样时钟、载波频率和相位使得下面的解调和信道估计运算得以正确运行•在保证接收信号的同步和子载波 的正交性基础上，要对信道进行估计，并根据信道估计的结果来对解调信号进 行补偿,从而保证恢复出正确的发送信号。

在得到了同步定时保障以及，空域平 均的基木原理，是使用等距线阵的子阵得到平均相关矩阵面的论述中， 令平均STFD矩阵非对角线上的元素为0通过空域平均，就无需在自项时频点处把多个ST FD矩阵合并为联合对角 化的形式了Zhang, Mu和Amine J对STFD矩阵进行了子空间分析指出： 传统的阵列信号处理是无差别的”因此必须对与阵列相关联的所有信号进行空 间定位而基于STFD的阵列信号处理则具有很大的灵活性，他既可以处理所 有的到达信号，也可以只处理所有到达信号的子集从这个方而来说，他克服 了阵元数目必须大于信源。