【正文】 但是隨著通信的發(fā)展，特別是無線通信業(yè)務的增長，可以利用的頻率資源日趨緊張。本文敘述了正交頻分復用技術的產生背景、發(fā)展歷史、基本原理和OFDM系統(tǒng)的實現方法。雖然第三代移動通信可以比現有傳輸速率快上千倍，但是仍無法滿足未來多媒體通信的要求，第四代移動通信系統(tǒng)的提出便是希望能滿足提供更大的頻寬需求。 課題內容及安排本畢業(yè)設計主要敘述了正交頻分復用技術的基本原理和OFDM系統(tǒng)的實現方法，通過一些通俗易懂的圖形，對正交頻分復用（OFDM）的基本原理及其在移動通信中的應用進行了闡述。目前，移動通信已從模擬通信發(fā)展到了數字移動通信階段，并且正朝著個人通信這一更高級階段發(fā)展。隨后美國和日本也相繼指定了各自的數字移動通信體制。目前，人們已經把目光越來越多得投向超三代（beyong 3G）的移動通信系統(tǒng)中，使其可以容納市場龐大的用戶數、改善現有通信品質不良，以及達到高速數據傳輸的要求。移動通信系統(tǒng)的發(fā)展狀況如表21所示。帶寬在移動通信中是稀缺的資源，所以必須采用先進的技術有效利用頻率資源，同時要克服在無線信道下的多徑衰落，降低噪聲和多徑干擾，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正是在這一背景下被提出來的。但是在早期的OFDM系統(tǒng)中，發(fā)信機和相關接收機所需的副載波陣列是由正弦信號發(fā)生器產生的，且在相關接收時各副載波需要準確地同步，因此當子信道數很大時，系統(tǒng)就顯得非常復雜和昂貴。1981年Hirosaki用DFT完成的OFDM調制技術， kb/s的電話線Modem。同時由于省去了升余弦濾波器，使實現的方案非常簡單，因此后來的大多數OFDM方案都是以此為原形實現的。隨著DSP芯片技術的發(fā)展，格柵編碼技術、軟判決技術、信道自適應技術等成熟技術的應用。按照這種設想，OFDM既能充分利用信道帶寬，也可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯。該技術的一個優(yōu)異特性是易于改用其它帶寬。在每個子載波頻率最大值處，所有其他子信道的頻譜值恰好為零。像這樣用并行數據傳送和頻分復用的思路早在20世紀60年代的中期就被提出來了。在這樣的接收機下，保護頻帶分隔不同載波頻率，這樣就使頻譜的利用率低。OFDM不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速傅立葉變換（FFT）來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。信道好的時候，發(fā)射功率不變，可以增強調制方式（如64QAM），或者在低調制（如QPSK）時降低發(fā)射功率。這些在信道頻率響應上的零點會造成在鄰近的子載波發(fā)射的信息受到破壞，導致在每個符號中出現一連串的比特錯誤。其中，N為子載波個數，Ts為一個OFDM符號的持續(xù)時間。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。解調是基于載波gk(t)的正交性，即： （）因此解調器將完成以下運算： （）為了使一個OFDM系統(tǒng)實用化，可用DFT來完成調制和解調。OFDM由大量在頻率上等間隔的子載波構成（設共有N個載波），各載波通常可以采用不同的調制方式調制，一般為BPSK，QPSK或QAM。并且OFDM所有子載波疊加到一起時，信號頻譜接近于矩形頻譜，因而其頻譜利用率理論上可以達到Shannon信息傳輸理論的極限。DFT是常規(guī)變換的一種變化形式，其中，信號在時域和頻域上均被抽樣。在OFDM系統(tǒng)的實際運用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立葉變換（IFFT/FFT）。子載波的幅度和相位被采集出來并轉換回數字信號。下圖示意了采用QPSK調制的星座圖。引入冗余度的意義在于以犧牲效率的方式降低誤碼率。（7）并串轉換：用于將并行數據轉換為串行數據。接收器收到的信號是時域信號。在這段保護間隔內可以不插任何信號，即是一段空白的傳輸時段。正是因為這種低符號速率使OFDM系統(tǒng)可以自然地抵抗多徑傳播導致的符號間干擾（ISI），另外，通過在每個符號的起始位置增加保護間隔可以進一步抵制ISI，還可以減少在接收端的定時偏移錯誤。但由于插入保護間隔可以消除ISI和多徑所造成的ICI的影響，因此這個代價是值得的。它要求信號必需包含一定的開銷比特，以告知接收端發(fā)射信號所采用的調制方式，并且，終端需要定期更新調制信息，這又勢必會增加更多的開銷比特。多用戶OFDM系統(tǒng)的導頻信道或參考碼字可以用來測試信道的好壞。（2） 自適應跳頻這是一種新的基于信道性能的跳頻技術。全雙工系統(tǒng)的接收機和發(fā)射機的工作頻率的間隔至少應大于40MHz，信道數量是用戶數的兩倍，發(fā)射的參考碼字的數量比用戶數多1個，也就是說除了每個用戶需要發(fā)送一個參考碼字外，基站的前向信道也必需發(fā)送一個。對于無線通信來說，無線信道存在時變性，在傳輸中存在的頻率偏移會使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的損害。從頻域上看，信號失真會隨發(fā)送信道的多普勒擴展的增加而加劇。PAPR越大，系統(tǒng)的包絡的不恒定性越大。一般通過以下幾種技術解決。即使是它擴展到多相位序列，也仍然滿足旁瓣小的特性。在系統(tǒng)采用相干檢測時，信道估計是必須的。（2）OFDM技術能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數據的能力會隨時間發(fā)生變化，所以OFDM能動態(tài)地與之相適應，并且接通和切斷相應的載波以保證持續(xù)進行成功的通信。當信道中因為多徑傳輸而出現頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。頻偏和相位噪聲會使各個子載波之間的正交特性惡化，僅僅1%的頻偏就會使信噪比下降30dB。高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導致射頻信號放大器的功率效率降低。如美國Intellon公司基于Powerpacket技術的低壓電力線載波通信芯片INT5130的載波頻帶為4．3～20．9 MHz，但該技術仍然僅限于家庭內部網的組建，還不能真正解決“最后一公里”的接入網問題。Nextel從2002年便開始對FLASH－OFDM進行技術檢測和傳輸試驗，韓國也有多家通信運營商進行試驗服務。除了跳頻外，為解決小區(qū)間干擾，采用了功率控制，用戶只發(fā)射它能有效通信的功率。4．2 OFDM在電力線通信中的應用 電力線通信技術簡稱PLC (Power Line Communication)是指利用電力線傳輸數據和話音信號的一種通信方式。ERDF計劃在全法國配備AMM基礎設施中采用Maxim的首款基于OFDM的PLC調制解調芯片MAX2990，管理整個電力供應鏈——從電力供應商直至終端用戶。所以，采用具有糾錯的OFDM技術能夠在更高的數據速率下提升8dB的性能。 正交頻分復用法是將光節(jié)點以下的電纜的工作頻率作頻率分割，利用不同的頻段實現上下行信號的同時傳輸，一般低頻段用于上行信道，高頻段用于下行信道，上下行頻段的分割點頻率的高低，主要取決于HFC接入網要實現的功能和所需傳輸的信息量?？墒?，TDM采用的通信頻帶的大小必須和留作用來匹配變頻的頻帶一樣大。因為每個TDM時隙都擁有完整的2MHz帶寬，信號速度必須很高。使用MPEG2傳送比特流復用，里德索羅門(RS) 前向糾錯系統(tǒng)，采用COFDM調制方式，把傳輸比特分割到數千計的低比特率副載波上，用1705個載波（“2K”）或6817個載波(“8K”) 模式。 OFDM在數字音頻廣播中的應用 數字音頻廣播DAB（Digital Autio Broadeasting）于70年代末期開始研制，1986年列為歐共體Eurekal47計劃，1988年基礎性研究和初步的開路實驗結果都顯示它成為新一代。 OFDM在數字電視中的應用 目前全球共有3套國際數字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)標準，美國1996年高級電視系統(tǒng)委員會（ATSC）研發(fā)的ATSC8VSB；歐洲1997年提出的數字視頻地面廣播DVBT COFDM；日本1999年提出的地面綜合業(yè)務數字廣播ISDB－T OFDM。當檢測出對頻率載波的干擾之后，受影響的DS0即可重新分配給保留的載波之一傳輸，通常情況下不會引發(fā)線路的斷開。這種情況會對TDM用戶帶來嚴重的通信可靠性問題，原因就在于窄帶干擾總是隨時隨機出現。時分復用法是在相同的傳輸介質上，對上行和下行信號進行時分復用，由于其技術較復雜，成本也較高，所以實際應用也不很廣泛。BER為在特定噪聲級別下，錯誤比特數與傳輸總比特數的比值。因此它在電力線高速通信系統(tǒng)中的應用有著非常樂觀的前景。FlashOFDM的缺點就在于缺乏產業(yè)鏈條的支撐，這會使其陷入孤軍奮戰(zhàn)的境地，Flarion也意識到了這一點，正在積極尋找合作伙伴，并已經與西門子簽訂了合作協(xié)議，共同研發(fā)產品。FlashOFDM在時間上以跳頻方式使用OFDM的副載波，通過高速切換副載波，使得相鄰節(jié)點可以使用相同頻率的副載波，進而可提高頻率利用率。 FlashOFDM技術的前身OFDM技術已有近40年歷史，起初使用在軍事高頻無線應用上。尤其是從最后一級變壓器到用戶的這一段，因線路缺少屏蔽層，極易受到雷電波、無線電波和熱噪聲的干擾。對于包含N個子信道的OFDM系統(tǒng)來說，當N個子信道都以相同的相位求和時，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。 OFDM技術的缺陷（1）對頻偏和相位噪聲比較敏感。高速的數據傳播及數字語音廣播都希望降低多徑效應對信號的影響。 OFDM技術的優(yōu)勢（1）在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數據。 訓練序列和導頻及信道估計技術接收端使用差分檢測時不需要信道估計，但仍需要一些導頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統(tǒng)的復雜度和導頻的數量，但卻損失了信噪比。因此，需要尋找自相關函數旁瓣小的發(fā)送信號序列。為了不使頻譜擴展得太厲害，HPA必須工作在有很大回退量（Backoff）的狀態(tài)，這樣會浪費很大功率。 功率峰值與均值比（PARP）的解決OFDM包絡的不恒定性可以用PAPR來表示。無線信道時變性的一種具體體現就是多普勒頻移，多普勒頻移與載波頻率以及移動臺的移動速度都成正比。時間交錯要求盡可能短，否則會增加時延。比如終端以每小時60km的速度移動，刷新速率就是大約330次/秒。分組隨機跳頻空閑時間較短，約11個字符時間。信噪比限制了最大頻譜利用率只能接近5~7bit/s/Hz。如果使用自適應調制，那么在信道好的時候終端就可以使用較高的調制，同樣在終端靠近基站時，調制可以由BPSK（1bit/s/Hz）轉化成16QAM ~ 64QAM（4~6 bit/s/Hz），整個系統(tǒng)的頻譜利用率得到大幅度的改善，自適應調制能夠使系統(tǒng)容量翻番。但是帶來的信息速率損失達20％。第二子載波對第一子載波帶來的ICI干擾圖 311 多徑情況下，空閑保護間隔在子載波間造成的干擾在系統(tǒng)帶寬和數據傳輸速率都給定的情況下，OFDM信號的符號速率將遠遠低于單載波的傳輸模式。通過把輸入數據流串并變換到個并行的子信道中，使得每一個調制子載波的數據周期可以擴大為原始數據符號周期的倍，因此時延擴展與符號周期的數值比也同樣降低倍。圖 310 插入循環(huán)前綴循環(huán)前綴為單個的OFDM符號創(chuàng)建一個保護帶，在信噪比邊緣損耗中被丟掉，以極大地減少符號間干擾。（6）快速傅立葉逆變換：快速傅立葉逆變換可以把頻域離散的數據轉化為時域離散的數據。這樣一方面可以進行復數的FFT變換，另外，進行星座映射后，為原來的數據引入了冗余度。星座映射是指將輸入的串行數據，先做一次調制，再經由FFT分布到各個子信道上去。IFFT和FFT互為反變換，選擇適當的變換將信號接收或發(fā)送。通過點的IDFT運算，把頻域數據符號變換為時域數據符號,經過射頻載波調制之后，發(fā)送到無線信道中。接收端經FFT變換后還原為頻域的基帶信號表示為： （） DFT的實現傅立葉變換將時域與頻域聯系在一起，傅立葉變換的形式有幾種，選擇哪種形式的傅立葉變換由工作的具體環(huán)境決定。在OFDM中，取載波最小間隔等于符號周期的倒數，即1／Ts，當符號由矩形時間脈沖組成時，每個載波信號的頻譜為sin x／x形狀，其峰值對應于所有其它載波頻譜的零點，載波間隔的選擇使這些載波在整個符號周期上是正交的，即在符號周期上的任何兩個載波的乘積都為零。當ISI的時延與傳輸符號的周期處于同一數量級時，ISI的影響就會變得嚴重起來。子載波在頻域內是相互正交的。因此用正交子載波技術可以節(jié)省寶貴的頻率資源，如圖33和圖34所示。這樣將比特錯誤位置的隨機化可以提高前向糾錯編碼FEC的性能，并且系統(tǒng)的總的性能也得到改進。在接收端執(zhí)行相反的過程，從各個子載波處來的數據被轉換回原始的串行數據。選擇和切換的原則是頻譜利用率和誤碼率之間的平衡選擇。目前，OFDM已經被國外的多個標準采用，（歐洲通信標準學會）的HiperLAN/2標準同樣采用OFDM作為調制方式，有線傳輸系統(tǒng)的應用也同樣采用了基于OFDM的調制復用技術，如在xDSL中的離散多音頻系統(tǒng)和有線調制器應用。這種“正交”表示的是載波的頻率間精確的數學關系。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或者干擾可能導致整條鏈路不可用，但在多載波系統(tǒng)中，只會有一小部分載波受影響。矩形脈沖的頻譜幅值為的函數，這種函數的零點出現在頻率為1/T整數倍的位置上。OFDM系統(tǒng)的典型FFT大小是511024和2048，而較小的128和256也是可能的。 上個世紀中期，人們提出了頻帶混疊的多載波通信方案，選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，也就是我們所說的OFDM。1991年，Casas提出了OFDM/FM的方案，可利用現有的調頻系統(tǒng)進行數據傳輸。其特點是調制器發(fā)送的子信道副載波調制的碼型是方波，并在碼元間插入了保護間隙。他們不用空保護間隔，而是用OFDM符號的循環(huán)擴展來填充，這可有效地模擬一個信道完成循環(huán)卷積，這意味著當CP大于信道的脈沖響應時就能保證子載波間的正交性，但有一個問題就是能量損失。OFDM早期的應用有ANIGSC1O(KATHRYN)高頻可變速率數傳調制解調器(Modem)。傳統(tǒng)的頻分復用（FDM）的優(yōu)點是簡單、直接。此外，CDMA系統(tǒng)內的一個非常重要的特點是采用閉環(huán)的功率控制，這在電路交換系統(tǒng)中比較容易實現，但對于分組業(yè)務來說，對信道進行探測，然后再返回功率控制命令會導致較大的時延，因此對于高速的無線分組業(yè)務來說，這