搜搜做题作业网OFDM的基本原理是什么?
来源：学生作业帮 编辑：搜搜做题作业网作业帮 分类：综合作业 时间：2024/04/29 18:30:29
OFDM的基本原理是什么?
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM Multi-Carrier Modulation,多载波调制的一种.其主要思想是：将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输.正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI .每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰.而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易.在向B3G/4G演进的过程中,OFDM是关键的技术之一,可以结合分集,时空编码,干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术,最大限度的提高了系统性能.包括以下类型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM.
1.1发展历史
上个世纪70年代,韦斯坦（Weinstein）和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT）研制了一个完整的多载波传输系统,叫做正交频分复用（OFDM）系统.
OFDM是正交频分复用的英文缩写.正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案.OFDM应用离散傅里叶变换（DFT）和其逆变换（IDFT）方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题.这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题.应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低.从此OFDM技术开始走向实用.但是应用OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程,而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件,因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展.
近些年来,集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展,以及对无线通信高速率要求的日趋迫切,OFDM技术再次受到了重视.在上个世纪60年代已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念.1970年,美国申请和发明了一个专利,其思想是采用平行的数据和子信道相互重叠的频分复用来消除对高速均衡的依赖,用于抵制冲激噪声和多径失真,而能充分利用带宽.这项技术最初主要用于军事通信系统.但在以后相当长的一段时间,OFDM理论迈向实践的脚步放缓了.由于OFDM各个子载波之间相互正交,采用FFT实现这种调制,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部成为OFDM技术实现的制约条件.在二十世纪80年代,MCM获得了突破性进展,大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍,一些其它难以实现的困难也部得到了解决,自此,OFDM走上了通信的舞台,逐步迈向高速数字移动通信的领域.
1.2应用情况
由于技术的可实现性,在二十世纪90年代,OFDM广泛用干各种数字传输和通信中,如移动无线FM信道,高比特率数字用户线系统(HDSL),不对称数字用户线系统(ADSL),甚高比特率数字用户线系统HDSI,数字音频广播(DAB)系统,数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统.1999年,IEEE802.lla通过了一个无线局域网标准,其中OFDM调制技术被采用为物理层标准,使得传输速率可以达54MbPs.这样,可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口,并支持语音、数据、图像业务.这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合.欧洲电信组织(ETSl)的宽带射频接入网的局域网标准也把OFDM定为它的调制标准技术.
2001年,IEEE802.16通过了无线城域网标准,该标准根据使用频段的不同,具体可分为视距和非视距两种.其中,使用许可和免许可频段,由于在该频段波长较长,适合非视距传播,此时系统会存在较强的多径效应,而在免许可频段还存在干扰问题,所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM调制,多址方式为OFDMA.而后,IEEE802.16的标准每年都在发展,2006年2月,IEEE802.16e(移动宽带无线城域网接入空中接口标准)形成了最终的出版物.当然,采用的调制方式仍然是OFDM.
2004年11月,根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求,3GPP通过被称为Long Term Evolution(LTE)即“3G长期演进”的立项工作.项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标.3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合,终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术,即下行OFDM,上行SC.OFDM由于技术的成熟性,被选用为下行标准很快就达成了共识.而上行技术的选择上,由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗,限制终端的使用时间,一些则认为可以通过滤波,削峰等方法限制峰均比.B3G/4G的目标是在高速移动环境下支持高达100Mb/S的下行数据传输速率,在室内和静止环境下支持高达1Gb/S的下行数据传输速率.2010年全球首个TD-LTE-A的规模实验网将在上海世博会向媒体开放.4G是基于OFDM加MIMO的技术组合,但整体结构不一样,基于OFDM和MIMO的有两套标准,一个是IEEE802-16M,一个是LTE-Advanced,而OFDM技术是关键核心技术之一.
1.4优势与不足
优势：OFDM存在很多技术优点见如下,在3G、4G中被运用,作为通信方面其有很多优势：
(1) OFDM技术在窄带带宽下也能够发出大量的数据,能同时分开至少1000个数字信号,而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势,正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎,例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约工学院以及朗讯工学院等开始使用,在加拿大WiLAN工学院也开始使用这项技术.
(2) OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化,由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化,所以OFDM能动态地与之相适应,并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信.该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲,然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信.
(3) OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区.高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响.
(4) OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰.在单载波系统中,单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败,但是在多载波系统中,仅仅有很小一部分载波会受到干扰.对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错.
(5) OFDM技术可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输.当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多.
(6) OFDM技术通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力.OFDM技术本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.
(7) OFDM技术可使信道利用率很高,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2Baud/Hz.
存在不足：虽然OFDM有上述优点,但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势：
(1)对相位噪声和载波频偏十分敏感
这是OFDM技术一个非常致命的缺点,整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格,任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性,引起ICI,同样,相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散,从而形成ICI.而单载波系统就没有这个问题,相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR,而不会引起互相之间的干扰.
(2)峰均比过大
OFDM信号由多个子载波信号组成,这些子载波信号由不同的调制符号独立调制.同传统的恒包络的调制方法相比,OFDM调制存在一个很高的峰值因子.因为OFDM信号是很多个小信号的总和,这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的.对某些数据,这些小信号可能同相,而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度.而峰均比过大,将会增加A/D和D/A的复杂性,而且会降低射频功率放大器的效率.同时,在发射端,放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值,这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰.
(3)所需线性范围宽
由于OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)大,对非线性放大更为敏感,故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高.
1.1发展历史
上个世纪70年代,韦斯坦（Weinstein）和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT）研制了一个完整的多载波传输系统,叫做正交频分复用（OFDM）系统.
OFDM是正交频分复用的英文缩写.正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案.OFDM应用离散傅里叶变换（DFT）和其逆变换（IDFT）方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题.这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题.应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低.从此OFDM技术开始走向实用.但是应用OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程,而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件,因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展.
近些年来,集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展,以及对无线通信高速率要求的日趋迫切,OFDM技术再次受到了重视.在上个世纪60年代已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念.1970年,美国申请和发明了一个专利,其思想是采用平行的数据和子信道相互重叠的频分复用来消除对高速均衡的依赖,用于抵制冲激噪声和多径失真,而能充分利用带宽.这项技术最初主要用于军事通信系统.但在以后相当长的一段时间,OFDM理论迈向实践的脚步放缓了.由于OFDM各个子载波之间相互正交,采用FFT实现这种调制,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部成为OFDM技术实现的制约条件.在二十世纪80年代,MCM获得了突破性进展,大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍,一些其它难以实现的困难也部得到了解决,自此,OFDM走上了通信的舞台,逐步迈向高速数字移动通信的领域.
1.2应用情况
由于技术的可实现性,在二十世纪90年代,OFDM广泛用干各种数字传输和通信中,如移动无线FM信道,高比特率数字用户线系统(HDSL),不对称数字用户线系统(ADSL),甚高比特率数字用户线系统HDSI,数字音频广播(DAB)系统,数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统.1999年,IEEE802.lla通过了一个无线局域网标准,其中OFDM调制技术被采用为物理层标准,使得传输速率可以达54MbPs.这样,可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口,并支持语音、数据、图像业务.这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合.欧洲电信组织(ETSl)的宽带射频接入网的局域网标准也把OFDM定为它的调制标准技术.
2001年,IEEE802.16通过了无线城域网标准,该标准根据使用频段的不同,具体可分为视距和非视距两种.其中,使用许可和免许可频段,由于在该频段波长较长,适合非视距传播,此时系统会存在较强的多径效应,而在免许可频段还存在干扰问题,所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM调制,多址方式为OFDMA.而后,IEEE802.16的标准每年都在发展,2006年2月,IEEE802.16e(移动宽带无线城域网接入空中接口标准)形成了最终的出版物.当然,采用的调制方式仍然是OFDM.
2004年11月,根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求,3GPP通过被称为Long Term Evolution(LTE)即“3G长期演进”的立项工作.项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标.3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合,终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术,即下行OFDM,上行SC.OFDM由于技术的成熟性,被选用为下行标准很快就达成了共识.而上行技术的选择上,由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗,限制终端的使用时间,一些则认为可以通过滤波,削峰等方法限制峰均比.B3G/4G的目标是在高速移动环境下支持高达100Mb/S的下行数据传输速率,在室内和静止环境下支持高达1Gb/S的下行数据传输速率.2010年全球首个TD-LTE-A的规模实验网将在上海世博会向媒体开放.4G是基于OFDM加MIMO的技术组合,但整体结构不一样,基于OFDM和MIMO的有两套标准,一个是IEEE802-16M,一个是LTE-Advanced,而OFDM技术是关键核心技术之一.
1.4优势与不足
优势：OFDM存在很多技术优点见如下,在3G、4G中被运用,作为通信方面其有很多优势：
(1) OFDM技术在窄带带宽下也能够发出大量的数据,能同时分开至少1000个数字信号,而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势,正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎,例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约工学院以及朗讯工学院等开始使用,在加拿大WiLAN工学院也开始使用这项技术.
(2) OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化,由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化,所以OFDM能动态地与之相适应,并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信.该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲,然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信.
(3) OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区.高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响.
(4) OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰.在单载波系统中,单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败,但是在多载波系统中,仅仅有很小一部分载波会受到干扰.对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错.
(5) OFDM技术可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输.当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多.
(6) OFDM技术通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力.OFDM技术本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.
(7) OFDM技术可使信道利用率很高,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2Baud/Hz.
存在不足：虽然OFDM有上述优点,但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势：
(1)对相位噪声和载波频偏十分敏感
这是OFDM技术一个非常致命的缺点,整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格,任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性,引起ICI,同样,相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散,从而形成ICI.而单载波系统就没有这个问题,相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR,而不会引起互相之间的干扰.
(2)峰均比过大
OFDM信号由多个子载波信号组成,这些子载波信号由不同的调制符号独立调制.同传统的恒包络的调制方法相比,OFDM调制存在一个很高的峰值因子.因为OFDM信号是很多个小信号的总和,这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的.对某些数据,这些小信号可能同相,而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度.而峰均比过大,将会增加A/D和D/A的复杂性,而且会降低射频功率放大器的效率.同时,在发射端,放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值,这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰.
(3)所需线性范围宽
由于OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)大,对非线性放大更为敏感,故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高.