OFDM原理及应用分析

空间电子技术

2005年第4期SPACEELECTRONICTECHNOLOGY

OFDM原理及应用分析

李彬　吴增印

(西安空间无线电技术研究所,西安710000)

　　摘　要　OFDM技术的基本思想是将所要传输的数据流分解成多个比特流,每个子数

据流具有更低的传输比特速率,并且用这些数据流去并行调制多个载波。文章介绍了OFDM技术的提出、发展过程、基本原理以及系统实现中的关键技术,最后介绍了OFDM系

统的优缺点及实际应用和今后发展。

主题词　正交频分复用　正交性　傅立叶变换　循环前缀　编码交织

1　OFDM的历史　　正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)是一种利用多载波调制的特殊频率复用

技术。传统的频分复用系统中,整个信号频段被分为N个相互不重叠的频率子信道,每个子信道传输独立调制符号,然后再将N个子信道进行频率复用。这种方法虽然有利于消除信道间干扰,但是不能有效利用频谱资源。而OFDM技术可以利用子载波之间的正交性而不需要这段保护频带,从而节省了带宽。因此,OFDM技术比传统的FDM技术的频带利用率更高,如图1所示。　　关于OFDM技术的提出最早出现于1966年[1],文章中作者提出了一种在限定带宽的情况下,可以利用多载波进行同时传输更多的数据而不会产生码间干扰和符号间干扰的方法。随后[2],有人通过正交幅度调制的方法验证了上述理论的可行性,但是进行实验时所使用的系统实现起来是相当复杂的,不利于实际应用。1971年S.B.Weinstein和P.M.Ebert[3]把离散傅立叶变换

图1　常规频分复用与OFDM信道分配

(DFT)应用到并行传输系统中,作为调制和解调的一部分,这样不需要带通滤波器,而直接进行基带

处理就可以实现频分复用。1980年A.Peled和A.Ruiz在论文中提出[4],把循环前缀引入OFDM技术解决正交性问题。但在实际应用中,实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性

以及射频功率放大器的线性要求等因素,都成为OFDM技术实现的制约条件。直到最近随着DSP芯片技术的发展、傅立叶变换/反变换、高速Modem采用的64/128/256/QAM技术、网格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减小均衡计算量等成熟技术的逐步引入,解决了高速运算和数据大量储存的问题,使OFDM技术更容易实现。

20世纪60年代,OFDM技术就已经被应用到多种高频军事系统中,其中包括KINEPLEX,AN2DEFT,KNTHRYN。目前,OFDM技术已经用于数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、非对称数字用户线技术(ADSL)中,并已成为第四代移动通信的核心技术。

收稿日期:2005-01-18;　　收修改稿日期:2005-04-26

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2　OFDM的基本原理

正交频分复用(OFDM)的基本原理就是把高速数据流通过串并变换,分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。这样每一个子信道中的符号周期会变长,因此可以减轻多径时延对系统造成的影响。尽管还是频分复用,但是与FDMA相比已经有了很大的不同:不再是通过很多带通滤波器来实现,而是采用容易实现的基于载波频率正交的傅立叶变换调制,直接在基带处理。

OFDM的实现框图如图2所示。

图2　OFDM系统框图

2.1　OFDM的正交性

一个OFDM符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号,其中每个子载波都可以受到相移

键控或正交幅度调制符号的调制。一个OFDM符号可以表示为:

N-1

s(t)=Re(

i=0

∑drect(t-i

ts-

T2

)exp(j2π(fc+

i)(t-ts)))　tsΦtΦts+TT

(1)

s(t)=0　　　tT+ts

其中N表示子信道的个数,T表示OFDM符号的宽度,di(i=0,1,…,N-1)是分配给每个子信道的数据符号,fc是第0个子载波的载波频率,rect(t)=1,|t|ΦT/2。

根据式(1)可知,每个OFDM符号在周期T内包括多个非零子载波,所以,其频谱可以看作是周期为T的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的函数的δ卷积。矩形脉冲的频谱幅度值为sinc(fT)函数,这种函数的零点出现在1/T的位置上。在每一个子载波频率的最大值处,所有其他子信道的频谱值恰好为零,如图3所示。在对OFDM符号进行解调的过程中,需要计算这些点上所对应的每一子载波频率的最大值。因此在仅有高斯白噪声的情况下,可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号而不会受到其它子信道的影响。2.2　OFDM系统的DFT实现　　OFDM系统的一个重要优点就是它的调制和解调可以利用傅立叶正反变换来实现,从而大大降低系统实现的复杂度。

在多数文献中,通常采用复等效基带信号来描述OFDM的输出信号,如式(2)所示,其中的实部和虚部分别对应OFDM符号的同相和正交分量。在实际中可以分别与相应子载波的cos分量和sin分量相乘,构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。

图3　OFDM系统中子信道的频谱

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N-1

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s(t)=

i=0

∑drect(t-i

ts-

T2

)exp(j2π

i(t-ts))　　tsΦtΦts+TT

(2)

s(t)=0　　tT+ts

令式(2)中的ts=0,忽略矩形函数,对s(t)以T/N的速率进行抽样,则可得抽样序列为:

N-1

sk=s(kT/N)=

i=0

∑dexp(j

i

2πikN

)　　　(0ΦkΦN-1)(3)

通过与di的IDFT形式比较可以看出,sk相当于对di进行了IDFT变换,同样对sk进行DFT变换就可

以得到数据di:

N-1

di=s(kT/N)=

k=0

∑sexp(-k

j

2πikN

)　　　(0ΦiΦN-1)(4)

根据上述分析可以看到,OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT来代替。通过N点的

IDFT运算,把频域数据符号di变换为时域信号sk,经过射频载波调制后,发送到无线信道中。其中每一个IDFT输出的符号都是由所用子载波信号经过叠加而生成的,即对多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。在实际应用中,可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换(FFT/IFFT)。2.3　OFDM系统中的循环前缀由于多径产生延迟扩展的影响,系统中会出现OFDM符号时延信号,这样在FFT运算时间长度内第一个子载波与带有延时的第二个子载波之间的周期个数之差不再是整数,这样当接收机对第一个子载波解调时,第二子载波会对其造成干扰。OFDM系统中加入循环前缀(CP:cyclicprefix)是为了消除符号间干扰和信道间干扰,循环前缀是将OFDM符号尾部的一部分复制,放到前部。在加入循环前缀之后可以保证在FFT周期内,OFDM符号的延时副本内所包含的波形周期个数也是整数,如图4所示。　　当循环前缀的时间占到整个符号的20%时,功率损失不到1dB,信息速率损失达到20%,但加入循环前缀后可以有效消除ISI和多径造成的ICI影响,因此这个代价是值得的。此外循环前缀对OFDM系统的同步也有着重要的作用。214　OFDM系统中的编码和交织技术

在OFDM系统中,发送部分IFFT之前的部分都可以看作是在频域内进行数据处理,而接

图4　OFDM符号中的循环前缀

收部分FFT之后的部分也可以看作是在频域内进行数据处理,传送部分则是在时域内进行的。

OFDM系统具有很强的抗时域脉冲干扰的能力,但是对于频域脉冲干扰却很敏感,因此使用合适的信道编码技术可以有效抵御频域脉冲的干扰。由于无线信道是频率选择性信道,在传输过程中,OFDM系统中的某些信道由于深衰落可能会被完全淹没,所以即便是在大多数信道中能做到无差错检测,却因为个别信道的影响而使整个系统的误比特率很高。

为了对抗频率选择性衰落和时间选择性衰落,通常采用的是交织编码技术。使用适当的时/频交织技术,结合其他纠错码技术组成的级联码,可以取得较好的效果。输入数据首先在外编码器和外交织器上进行编码、交织,然后在内交织器和编码器上进行编码、交织。通常外部编码器采用的是分组码,如RS(Reed2Solomon)码、CRC(循环冗余校验码),内部使用的是卷积码。

近几年,Turbo码、网格编码、空时编码等技术也在OFDM系统中得到了较好的应用。

3　OFDM技术的优缺点

　　OFDM技术有如下优点:

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・　把高速的数据流通过串并转换降为低速,使每个数据符号持续时间相对增加,再加上使用循环前缀,可以有效消除ISI的影响。

・　因为允许子信道的频谱相互重叠,OFDM系统比起常规系统可以最大限度的利用频谱资源。・　加入了交织编码技术后,OFDM系统可以有效抵抗频率选择性衰落和时间选择性衰落。・　OFDM符号的长度远大于单载波系统的符号长度,因此比起单载波具有更强的抗窄带干扰能力。

同样,OFDM系统还存在如下缺点:・　OFDM系统是多个子信道信号的叠加,当多个信号相位一致时,所叠加的信号功率有可能超出了发射机内放大器的动态范围,会出现非线性失真,从而导致各个子信道之间的正交性破坏。

・　各个子信道之间的正交是有严格要求的,当由于多普勒频移或者接收机的本地振荡器频率与发射机载波频率之间存在频率偏差时,就会破坏这种正交性,从而产生信号相互干扰。

4　OFDM的发展及应用　　目前OFDM技术已经应用到若干无线和有线通信系统中,例如数字音频广播[5](DAB)、数字视频广播(DVB)、无线ATM网络演示设备、高清晰电视、以及非对称数字用户线技术(ADSL),其中DAB系统是第一个正式使用OFDM的标准。4.1　数字音频广播

数字音频广播(DAB)是在现有模拟AM和FM音频广播的基础上发展起来的。它可以提供更优质的语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率,它所提供的语音质量可以与CD音质相媲美。1995年,欧洲电信标准协会(ETSI)首次提出了DAB标准,这是第一个采用OFDM的标准。为了克服多个基站可能产生的重声现象,人们在OFDM信号前增加了一定的保护时隙,有效地解决了基站间的同频干扰,实现了单频网络广播,大大减少了整个广播占用的频带宽度。4.2　高清晰电视

μs内完高清晰度电视(HDTV)也使用了OFDM技术。由于现有的专用DSP芯片最快可以在100成1024点FFT,这正好能满足8MHz带宽以内视频传输的需要,从而为应用于视频业务提供了可能。

目前,欧洲已把OFDM作为发展地面数字电视的基础;日本也将它用于发展便携电视和安装在旅游车、出租车上的车载电视。4.3　移动通信中的应用

在移动通信信道中,由多径传播造成的时延扩展在城市地区大致为几微秒至数十微秒,这会带来码间串扰,恶化系统性能。近年来,国外已有人研究采用多载波并传16QAM调制的移动通信系统。将OFDM技术和交织技术、信道编码技术结合,可以有效对抗码间干扰,这已成为移动通信环境中抗衰落技术的研究方向。摩托罗拉公司也在2004年宣布,在新一代移动通信实验中通过使用OFDM调制方式、配备多条天线,实现了20MHz的带宽下,300Mbit/s的下行通信速率。可以预测到OFDM技术将成为第四代移动通信中的主流技术。4.4　无线局域网中的应用

1998年IEEE802.11标准组决定选择OFDM技术作为WLAN工作于5GHz频段的物理层接入方

案,目标是提供6Mbit/s～54Mbit/s的数据速率,这是第一个把OFDM用于分组业务的通信标准。随后ETSIBRAN和MMAC也相继采用OFDM作为其物理层技术。上述3家机构已经进行了合作,以尽量减小各个标准之间的差别,使它们的产品能够相互兼容。4.5　OFDM技术今后的发展

从20世纪80年代中期,OFDM技术受到人们广泛关注以来,OFDM技术也获得了巨大的发展。

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已经有人进行OFDM技术在卫星系统中的应用[6]、在低压电力线上使用OFDM技术进行高速数据传

输等研究项目。此外,一些新的技术与OFDM技术相结合,也越来越受到人们的关注。例如,MIMO-OFDM技术的使用,可以实现更高速率的数据传输[7]。如果OFDM技术再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特算法等技术,可以使其性能进一步得到优化。可以这么说,涉及到高速数据传输时,就可以考虑能否使用OFDM技术来获得更好的性能。

5　结束语

　　目前,在3.5GHz和5GHz频段,已经有商用的基于正交频分复用的固定无线接入系统。而对于无线局域网接入,随着IEEE802.11g标准的逐渐成熟,也逐渐显示出正交频分复用在无线局域网2.4GHz和5GHz频段中的主导地位。在移动通信中,正交频分复用和正交频分复用多址(OFDMA)已经成为Beyond3G的主要研究技术,正交频分复用和CDMA技术结合,可以很好地利用两种技术的优势,克服多径传播带来的衰落并且消除用户之间的干扰。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化以及移动化的需求,OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛应用。

参考文献

1　ChangRW.Synthesisofband2limitedorthogonalsignalsformultichanneldatatransmission.BellSyst.Tech.J.,Vol.46:1775～1796,Dec.1966

2　SaltzbergBR.Performanceofanefficientparalleldatatransmissionsystem.IEEETrans.Communications,Vol.15:805～811,Dec.1967

3　WeinsteinSBandEbertPM.Datatransmissionbyfrequency2divisionmultiplexingusingthediscreteFouriertransform.IEEE

Trans.Communications,Vol.19:628～634,Oct.1971

4　PeledA,RuizA.Frequencydomaintransmissionusingreducedcomputationalcomplexityalgorithms.Proc.ofIEEEInt.Conf.ofAcoust.,SpeechandSignalProcessing,964～967,Denver,Co.1980

5　SariH,KaramG,JeanclaudeI.TransmissiontechniquesfordigitalterrestrialTVbroadcasting.IEEECommunicationsMaga2zine.100～109,Feb.1995

6　KimJY,KimJC.PerformanceofanOFDM/QAMsysteminamediumearthorbitsatellitelink,advancedcommunicationtech2nology.The6thInternationalConference.371～375,Feb.2004

7　OgawaY,NishioK.AMIMO2OFDMsystemforhigh2speedtransmission.IEEEVehicularTechnologyConference,Vol.1,493-497,Oct.2003

　　作者简介

李彬　1979年生,2002年获西北工业大学通信工程专业学士学位,现为西安空间无线电技术研究所通信与信息系统专业硕士研究生。目前主要从事卫星数据传输与处理技术的研究工作。

吴增印　1958年生,硕士,研究员。主要研究方向:卫星通信、数据传输与处理。

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