正交頻分復(fù)用

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1、正交頻分復(fù)用(OFDM)是多載波傳輸技術(shù)之一，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。目前，這項(xiàng)技術(shù)已在許多高速信息傳輸領(lǐng)域得到應(yīng)用，并且有可能成為下一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的物理層傳輸技術(shù)。本講座將分3講來(lái)介紹OFDM技術(shù)的基本原理及其應(yīng)用。第1講首先介紹OFDM的基本原理，第2講介紹OFDM中的相關(guān)信號(hào)處理技術(shù)，第3講介紹OFDM中的多址方式及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用情況?！　?引言　　近些年來(lái)，以正交頻分復(fù)用(OFDM)為代表的多載波傳輸技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)獨(dú)立的子比特流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率。用這樣

2、低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號(hào)去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成了多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。OFDM是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，在許多文獻(xiàn)中，OFDM也被稱(chēng)為離散多音(DMT)調(diào)制。OFDM利用逆快速傅立葉變換(IFFT)和快速傅立葉變換(FFT)來(lái)分別實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度最低、應(yīng)用最廣的一種多載波傳輸方案。除了OFDM方式之外，人們還提出了許多其他的實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制的方式，如矢量變換方式、基于小波變換的離散小波多音頻調(diào)制（DWMT）方式等，但這些方式與OFDM相比，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對(duì)較高，因而在實(shí)際系統(tǒng)中很少采用?！　

3、FDM的思想最早可以追溯到20世紀(jì)50年代末期。60年代，人們對(duì)多載波調(diào)制作了許多理論上的工作，論證了在存在符號(hào)間干擾的帶限信道上采用多載波調(diào)制可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)的傳輸性能；1970年1月有關(guān)OFDM的專(zhuān)利被首次公開(kāi)發(fā)表；1971年，Weinstein和Ebert在IEEE雜志上發(fā)表了用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制的方法；80年代，人們對(duì)多載波調(diào)制在高速調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字移動(dòng)通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究，但是由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，多載波調(diào)制沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用；90年代，由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，OFDM

4、技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域受到了人們的廣泛關(guān)注。今天，OFDM已經(jīng)在歐洲的數(shù)字音視頻廣播(如DAB和DVB)、歐洲和北美的高速無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)(如HIPERLAN2、IEEE802.11a)、以及高比特率數(shù)字用戶(hù)線(如ADSL、VDSL)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，人們正在考慮在基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線城域網(wǎng)、基于IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)人信息網(wǎng)以及未來(lái)的下一代無(wú)線蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用OFDM技術(shù)?！　FDM技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的主要原因在于：　　(1)OFDM可以有效地對(duì)抗多徑傳播所造成的符號(hào)間干擾，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度比采用均

5、衡器的單載波系統(tǒng)小很多?！　?2)在變化相對(duì)較慢的信道上，OFDM系統(tǒng)可以根據(jù)每個(gè)子載波的信噪比來(lái)優(yōu)化分配每個(gè)子載波上傳送的信息比特，從而大大提高系統(tǒng)傳輸信息的容量?！　?3)OFDM系統(tǒng)可以有效對(duì)抗窄帶干擾，因?yàn)檫@種干擾僅僅影響OFDM系統(tǒng)的一小部分子載波?！　?4)在廣播應(yīng)用中，利用OFDM系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有吸引力的單頻網(wǎng)絡(luò)?！　∨c傳統(tǒng)的單載波傳輸系統(tǒng)相比，OFDM的主要缺點(diǎn)在于：　　(1)OFDM對(duì)于載波頻率偏移和定時(shí)誤差的敏感程度比單載波系統(tǒng)要高。　　(2)OFDM系統(tǒng)中的信號(hào)存在較高的峰值平均功率比(PAR)使得它對(duì)放大器的

6、線性要求很高?！　?正交頻分復(fù)用的基本原理　　2.1系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)　　每個(gè)OFDM符號(hào)是多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)之和，其中每個(gè)子載波的調(diào)制方式可以選擇相移鍵控(PSK)或者正交幅度調(diào)制(QAM)。如果用N表示子信道的個(gè)數(shù)，T表示OFDM符號(hào)的寬度，di(i=0,1,…,N-1)是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，fc是載波頻率，則從t=ts開(kāi)始的OFDM符號(hào)可以表示為：　　在很多文獻(xiàn)中，經(jīng)常采用如下所示的等效基帶信號(hào)來(lái)描述OFDM的輸出信號(hào)：　　其中式(2)的實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)于OFDM符號(hào)的同相和正交分量，在實(shí)際中可以分別與相應(yīng)子

7、載波的cos分量和sin分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的OFDM符號(hào)。圖1給出了OFDM系統(tǒng)調(diào)制和解調(diào)的框圖，圖中假定ts=0。　　在圖2中給出了一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)包括4個(gè)子載波的實(shí)例。其中所有的子載波都具有相同的幅值和相位，但在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù)符號(hào)的調(diào)制方式，每個(gè)子載波的幅值和相位都可能是不同的。從圖2可以看到，每個(gè)子載波在一個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)都包含整數(shù)倍的周期，而且各個(gè)相鄰子載波之間相差1個(gè)周期。由圖2可以看出，各子載波信號(hào)之間滿(mǎn)足正交性。這種正交性還可以從頻域角度理解。　　圖3給出了OFDM符號(hào)中各個(gè)子載波信號(hào)

8、的頻譜圖。從圖中可以看出，在每一子載波頻率的最大值處，所有其他子信道的頻譜值恰好為零。也就是說(shuō)，OFDM各子載波信號(hào)之間的正交性避免了子信道間干擾(ICI)的出現(xiàn)?！　〗邮斩说趉路子載波信號(hào)的解調(diào)過(guò)程為：將接收信號(hào)與第k路的解調(diào)載波相乘，然后將得到的結(jié)果在OFD