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1、目 錄OFDM技術(shù)及其應(yīng)用1摘 要1Abstract2前 言3第1章 OFDM技術(shù)4第1節(jié) OFDM基本原理簡(jiǎn)介7第2節(jié) OFDM的 算法理論與基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8第3節(jié) OFDM技術(shù)特點(diǎn)11第4節(jié) OFDM技術(shù)突出的地方13第5節(jié) OFDM的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)13第6節(jié) OFDM的兩個(gè)缺陷14第2章 OFDM技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用16第1節(jié) 高清晰度數(shù)字電視廣播16第2節(jié) 無(wú)線局域網(wǎng)16第3節(jié) 寬帶無(wú)線接入17第4節(jié) 3G CDMA的新概念18第3章 OFDM技術(shù)在設(shè)備制造和運(yùn)行中的優(yōu)勢(shì)20第4章 下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的OFDM技術(shù)24第5章 OFDM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景29小 結(jié)33致 謝34參考文獻(xiàn)35

2、結(jié)束語(yǔ)36OFDM技術(shù)及其應(yīng)用摘 要OFDM技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，最初用于軍事通信，由于采用DFT實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制，同時(shí)LSI的發(fā)展解決了IFFT/FFT的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題以及其他關(guān)鍵技術(shù)的突破，OFDM開(kāi)始向諸多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)化，現(xiàn)在成為一種很有發(fā)展前途的調(diào)制技術(shù)。本文首先分析了OFDM的基本原理，并說(shuō)明其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，然后提及有關(guān)OFDM技術(shù)發(fā)展方面的一些信息。現(xiàn)在，OFDM在許多領(lǐng)域取得成功應(yīng)用，這里對(duì)有關(guān)無(wú)線局域網(wǎng)中的OFDM應(yīng)用現(xiàn)狀作了簡(jiǎn)要說(shuō)明， 對(duì)OFDM的應(yīng)用前景也作了展望。 關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用（OFDM），原理，特點(diǎn)，發(fā)展，應(yīng)用 AbstractOrthogonal Frequ

3、ency Division Multiplexing(OFDM) is a kind of technology of Multi-Carrier Modulation(MCM).Depending on Discrete Fourier Transform( DFT) to realize MCM and the quick development of Large Scale Integration( LSI) to solve the question of the solution of IFFT/FFT,OFDM began to be using practically in ma

4、ny fields and is becoming a prosperous MCM-technique.In this paper,firistly the principles of OFDM are analyzed and its characters(merit and defect) are reviewed,then some information about the development of OFDM is introduced.At current time,OFDM has succeeded in many fields, given an example,the

5、present situation of using OFDM on wireless local area net is stated,finally the prospect of using OFDM is imaged. Keywords:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM);Character;Development;Present Situation and Prospect of Application 前 言隨著通信技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，如今的通信傳輸方式可以說(shuō)多種多樣，變化日新月異，從最初的有線通信到無(wú)線通信，再到現(xiàn)在的光

6、纖通信。然而，從通信技術(shù)的實(shí)質(zhì)來(lái)看，上面所述基本上都是傳輸介質(zhì)和信道的變化，突破性的進(jìn)展并不多。近年來(lái)，隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，傅立葉變換反變換、高速M(fèi)odem采用的64128256QAM技術(shù)、柵格編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)、插入保護(hù)時(shí)段、減少均衡計(jì)算量等成熟技術(shù)的逐步引入，OFDM作為一種可以有效對(duì)抗信號(hào)波形間干擾的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。人們開(kāi)始集中越來(lái)越多的精力開(kāi)發(fā)OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)計(jì)第三代以后的移動(dòng)通信的主流技術(shù)將是OFDM技術(shù)。第1章 OFDM技術(shù)OFDM的英文全稱為Orthogonal （直角的，相互垂直的）Frequency Division

7、Multiplexing，中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)。這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟（HomePlug Powerline Alliance）工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號(hào)合并成單一的信號(hào)，從而完成信號(hào)傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)被利用在容易外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。其實(shí)，OFDM并不是如今發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，OFDM技術(shù)的應(yīng)用已有近40年的歷史，主要用于軍用的無(wú)線高頻通信系統(tǒng)。但是，一個(gè)OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，從而限制了其進(jìn)一步推廣。直到70年代，人們提出了采用離散傅立葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制，簡(jiǎn)

8、化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)更趨于實(shí)用化。八十年代，人們研究如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM。進(jìn)入九十年代以來(lái)，OFDM技術(shù)的研究深入到無(wú)線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)中，主要的應(yīng)用包括：非對(duì)稱的數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視(HDTV）、無(wú)線局域網(wǎng)（ WLAN）等。OFDM是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無(wú)線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各

9、子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制（Multi-Carrier Modulation, MCM）技術(shù)。有些文獻(xiàn)上將OFDM和MCM混用，實(shí)際上不夠嚴(yán)密。MCM與OFDM常用于無(wú)線信道，它們的區(qū)別在于：OFDM技術(shù)特指將信道劃分成正交的子信道，頻道利用率高；而MCM，可以是更多種信道劃分方法

10、。OFDM技術(shù)的推出其實(shí)是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進(jìn)對(duì)多載波的調(diào)制用的，它的特點(diǎn)是各子載波相互正交，使擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。在對(duì)每個(gè)載波完成調(diào)制以后，為了增加數(shù)據(jù)的吞吐量，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋植捎昧艘环N叫作HomePlug的處理技術(shù)，來(lái)對(duì)所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)位的載波進(jìn)行合并處理，把眾多的單個(gè)信號(hào)合并成一個(gè)獨(dú)立的傳輸信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。 另外OFDM之所以備受關(guān)注，其中一條重要的原因是它可以利用離散傅立葉反變換/離散傅立葉變換（IDFT/DFT）代替多載波調(diào)制和解調(diào)。 OFDM增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或

11、者干擾可能導(dǎo)致整個(gè)鏈路不可用，但在多載波的OFDM系統(tǒng)中，只會(huì)有一小部分載波受影響。此外，糾錯(cuò)碼的使用還可以幫助其恢復(fù)一些載波上的信息。通過(guò)合理地挑選子載波位置，可以使OFDM的頻譜波形保持平坦，同時(shí)保證了各載波之間的正交。OFDM盡管還是一種頻分復(fù)用（FDM），但已完全不同于過(guò)去的FDM。OFDM的接收機(jī)實(shí)際上是通過(guò)FFT實(shí)現(xiàn)的一組解調(diào)器。它將不同載波搬移至零頻，然后在一個(gè)碼元周期內(nèi)積分，其他載波信號(hào)由于與所積分的信號(hào)正交，因此不會(huì)對(duì)信息的提取產(chǎn)生影響。OFDM的數(shù)據(jù)傳輸速率也與子載波的數(shù)量有關(guān)。OFDM每個(gè)載波所使用的調(diào)制方法可以不同。各個(gè)載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式，比如

12、BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。我們通過(guò)選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式就可以獲得最大頻譜效率。無(wú)線多徑信道的頻率選擇性衰落會(huì)使接收信號(hào)功率大幅下降，經(jīng)常會(huì)達(dá)到30dB之多，信噪比也隨之大幅下降。為了提高頻譜利用率，應(yīng)該使用與信噪比相匹配的調(diào)制方式?？煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)正常運(yùn)行的基本考核指標(biāo)，所以很多通信系統(tǒng)都傾向于選擇BPSK或QPSK調(diào)制，以確保在信道最壞條件下的信噪比要求，但是這兩種調(diào)制方式的頻譜效率很低。OFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來(lái)選擇不同的調(diào)制方式。比如在終端靠近基站時(shí)，信道條件一般會(huì)比較好，調(diào)制方

13、式就可以由BPSK（頻譜效率1bit/s/Hz）轉(zhuǎn)化成16QAM64QAM（頻譜效率46bit/s/Hz），整個(gè)系統(tǒng)的頻譜利用率就會(huì)得到大幅度的提高。自適應(yīng)調(diào)制能夠擴(kuò)大系統(tǒng)容量，但它要求信號(hào)必須包含一定的開(kāi)銷(xiāo)比特，以告知接收端發(fā)射信號(hào)所應(yīng)采用的調(diào)制方式。終端還要定期更新調(diào)制信息，這也會(huì)增加更多的開(kāi)銷(xiāo)比特。OFDM還采用了功率控制和自適應(yīng)調(diào)制相協(xié)調(diào)工作方式。信道好的時(shí)候，發(fā)射功率不變，可以增強(qiáng)調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制方式（如QPSK）時(shí)降低發(fā)射功率。功率控制與自適應(yīng)調(diào)制要取得平衡。也就是說(shuō)對(duì)于一個(gè)發(fā)射臺(tái)，如果它有良好的信道，在發(fā)送功率保持不變的情況下，可使用較高的調(diào)制方案如64QA

14、M；如果功率減小，調(diào)制方案也就可以相應(yīng)降低，使用QPSK方式等。自適應(yīng)調(diào)制要求系統(tǒng)必須對(duì)信道的性能有及時(shí)和精確的了解，如果在差的信道上使用較強(qiáng)的調(diào)制方式，那么就會(huì)產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統(tǒng)的可用性。OFDM系統(tǒng)可以用導(dǎo)頻信號(hào)或參考碼字來(lái)測(cè)試信道的好壞。發(fā)送一個(gè)已知數(shù)據(jù)的碼字，測(cè)出每條信道的信噪比，根據(jù)這個(gè)信噪比來(lái)確定最適合的調(diào)制方式。第1節(jié) OFDM基本原理簡(jiǎn)介OFDM是一種高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，該技術(shù)的基本原理是將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對(duì)低速的并行數(shù)據(jù)并對(duì)不同的載波進(jìn)行調(diào)制。這種并行傳輸體制大大擴(kuò)展了符號(hào)的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落等惡劣傳輸條件的性能。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法中各個(gè)子載波的頻譜是互

15、不重疊的，需要使用大量的發(fā)送濾波器和接受濾波器，這樣就大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。同時(shí)，為了減小各個(gè)子載波間的相互串?dāng)_，各子載波間必須保持足夠的頻率間隔，這樣會(huì)降低系統(tǒng)的頻率利用率。而現(xiàn)代OFDM系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，各子載波的產(chǎn)生和接收都由數(shù)字信號(hào)處理算法完成，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了提高頻譜利用率，使各子載波上的頻譜相互重疊（如圖1所示），但這些頻譜在整個(gè)符號(hào)周期內(nèi)滿足正交性，從而保證接收端能夠不失真地復(fù)原信號(hào)。當(dāng)傳輸信道中出現(xiàn)多徑傳播時(shí)，接收子載波間的正交性就會(huì)被破壞，使得每個(gè)子載波上的前后傳輸符號(hào)間以及各個(gè)子載波間發(fā)生相互干擾。為解決這個(gè)問(wèn)題，在每個(gè)OFDM傳輸信號(hào)前面插

16、入一個(gè)保護(hù)間隔，它是由OFDM信號(hào)進(jìn)行周期擴(kuò)展得 到的。只要多徑時(shí)延超過(guò)保護(hù)間隔，子載波間的正交性就不會(huì)被破壞。第2節(jié) OFDM的 算法理論與基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上面的原理分析可知，若要實(shí)現(xiàn)OFDM，需要利用一組正交的信號(hào)作為子載波。我們?cè)僖源a元周期為T(mén)的不歸零方波作為基帶碼型，經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后送入信道傳輸。 OFDM調(diào)制器如圖2所示。要發(fā)送的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編碼器形成了M個(gè)復(fù)數(shù)序列，此復(fù)數(shù)序列經(jīng)過(guò)串并變換器變換后得到碼元周期為T(mén)的M路并行碼，碼型選用不歸零方波。用這M路并行碼調(diào)制M個(gè)子載波來(lái)實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用。在接收端也是由這樣一組正交信號(hào)在一個(gè)碼元周期內(nèi)分別與發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)解調(diào)，恢復(fù)出原

17、始信號(hào)。OFDM解調(diào)器如圖3所示。下面對(duì)OFDM的信號(hào)流程作較詳細(xì)地分析，經(jīng)過(guò)BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 中的數(shù)字調(diào)制映射得到的串型符號(hào)流dn，n=0，1，M-1，先取M個(gè)符號(hào)將其分配到M路子信道中，每個(gè)符號(hào)調(diào)制M個(gè)子載波（下面用復(fù)指數(shù)表示為：exp(jkt),k=0,1,M-1）中的一個(gè)，然后將調(diào)制后得到的信號(hào)相加，得到OFDM符號(hào)再重復(fù)上述過(guò)程，發(fā)送下M個(gè)符號(hào)。設(shè)一個(gè)OFDM符號(hào)周期為T(mén)，子載波間隔為1/T，子載波頻率為fi=f0+i/T ,i=0,1,M-1,fi為第i個(gè)子載波的頻率，均為1/T的整數(shù)倍，則調(diào)制后一個(gè)OFDM的復(fù)基帶信號(hào)為：在接收端，主要由混頻器和積分器完

18、成解調(diào)，在不考慮同步誤差及信道干擾的情況下，因?yàn)樵谳d波之間相互正交，在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)有：則對(duì)第k個(gè)在載波進(jìn)行解調(diào)，在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)進(jìn)行積分得由此看見(jiàn)解調(diào)部分能完全恢復(fù)原始信號(hào)。然而上述方法所需設(shè)備非常復(fù)雜，當(dāng)M很大時(shí)，需要大量的正弦波發(fā)生器，濾波器，調(diào)制器和解調(diào)器等設(shè)備，因此系統(tǒng)非常昂貴。為了降低OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，通常考慮用離散傅立葉變換（DFT）和反變換（IDFT）來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。對(duì)（1）中等效復(fù)基帶信號(hào)以T/M的速率進(jìn)行抽樣，即令t=kT/M,(k=0,1,，M-1),得到：看見(jiàn)Sk即是對(duì)di進(jìn)行IDFT運(yùn)算，容易推得在接收端同樣可以用DFT恢復(fù)原始的數(shù)據(jù)信號(hào)dn，在接收端對(duì)接收

19、到的Sk進(jìn)行DFT變換即得：由于DSP技術(shù)的發(fā)展，在OFDM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的實(shí)際應(yīng)用中可以采用快速算法IFFT/FFT實(shí)現(xiàn)IDFT/DFT的理論計(jì)算，這為OFDM技術(shù)的推廣創(chuàng)造了極為有利的條件。另外，為消除碼間干擾（ISI），在實(shí)際OFDM系統(tǒng)中采用插入循環(huán)前綴（CP）的方法，即將OFDM符號(hào)尾部的一部分復(fù)制后放到符號(hào)前面，CP使所傳輸?shù)姆?hào)表現(xiàn)出周期性，當(dāng)CP的持續(xù)時(shí)間比信號(hào)在信道傳輸延遲時(shí)間大時(shí)，碼間干擾僅僅會(huì)干擾OFDM符號(hào)體前面的CP從而消除ISI6。根據(jù)上面所述，OFDM的系統(tǒng)框圖如圖（4）第3節(jié) OFDM技術(shù)特點(diǎn)OFDM盡管還是一種頻分復(fù)用(FDM)，但已完全不同于過(guò)去的FDM, O

20、FDM的接收機(jī)實(shí)際上是通過(guò)FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)的一組解調(diào)器。它將不同載波搬移至零頻，然后在一個(gè)碼元周期內(nèi)積分，其他載波信號(hào)由于與所積分的信號(hào)正交，因此不會(huì)對(duì)信息的提取產(chǎn)生影響。OFDM的數(shù)據(jù)速率也與子載波的數(shù)量有關(guān)。 OFDM每個(gè)載波所使用的調(diào)制方法可以不同。各個(gè)載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式， 比如BPSK,QPSK,8PSK,16QAM ,64QAM等，以取得頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則，通過(guò)選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式就可以獲得最大頻譜效率。無(wú)線多徑信道的頻率選擇性衰落會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)功率大幅下降，經(jīng)常會(huì)達(dá)到30dB之多，信噪比也隨之大幅下降。為了提高頻譜利用率，應(yīng)該使

21、用與信噪比相匹配的調(diào)制方式?？煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)正常運(yùn)行的基本考核指標(biāo)，所以很多通信系統(tǒng)都傾向于選擇BPSK或QPSK調(diào)制，以確保在信道最壞條件下的信噪比滿足要求，但是這兩種調(diào)制方式的頻譜效率很低。OFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制，可以根據(jù)信道條件來(lái)選擇使用不同的調(diào)制方式。比如在終端靠近基站時(shí)，信道條件一般會(huì)比較好，調(diào)制方式就可以由BPSK(頻譜效率1 bit/(s.Hz)轉(zhuǎn)換成1664QAM(頻譜效率46 bit/ (s.Hz)，整個(gè)系統(tǒng)的頻譜利用率就會(huì)得到大幅度的改善。自適應(yīng)調(diào)制能夠擴(kuò)大系統(tǒng)容量，但它要求信號(hào)必需包含一定的開(kāi)銷(xiāo)比特，以告知接收端發(fā)射信號(hào)所應(yīng)采用的調(diào)制方式。終端還須定期更新調(diào)制信息，

22、這也會(huì)增加開(kāi)銷(xiāo)比特。 OFDM還采用了功率控制與自適應(yīng)調(diào)制相協(xié)調(diào)的工作方式。信道條件好的時(shí)候，發(fā)射功率不變就可以采用高調(diào)制方式(如64QAM )，或者在低調(diào)制方式(如QPSK)時(shí)降低發(fā)射功率。如果在差的信道上使用較高的調(diào)制方式，就會(huì)產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統(tǒng)的可用性。自適應(yīng)調(diào)制要求系統(tǒng)必須對(duì)信道的性能有及時(shí)和準(zhǔn)確的了解，OFDM系統(tǒng)可以用導(dǎo)頻信號(hào)或參考碼字來(lái)測(cè)試信道的好壞，發(fā)送一個(gè)已知數(shù)據(jù)的碼字，測(cè)出每條信道的信噪比，根據(jù)這個(gè)信噪比來(lái)確定最適合的調(diào)制方式。 實(shí)現(xiàn)OFDM 的關(guān)鍵技術(shù)包括：同步技術(shù)、 降低PAPR（功率峰均值比） 技術(shù)、信道估計(jì)與均衡、 信道編碼與交織等。第4節(jié) OFDM技術(shù)突出

23、的地方(1) 在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)能同時(shí)分開(kāi)至少1000個(gè)數(shù)字信號(hào)，而且在干擾的信號(hào)周?chē)梢园踩倪\(yùn)行的能力將直接威脅到目前市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始流行的CDMA技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大的態(tài)勢(shì)，正是由于具有了這種特殊的信號(hào)“穿透能力”使得OFDM技術(shù)深受歐洲通信營(yíng)運(yùn)商以及手機(jī)生產(chǎn)商的喜愛(ài)和歡迎，例如加利福尼亞Cisco系統(tǒng)公司、紐約Flarion工學(xué)院以及朗訊工學(xué)院等開(kāi)始使用，在加拿大Wi-LAN工學(xué)院也開(kāi)始使用這項(xiàng)技術(shù)。(2) OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)

24、的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信；(3) 該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來(lái)使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信；(4) OFDM技術(shù)特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號(hào)撒播的地區(qū)，高速的數(shù)據(jù)傳播及播音都希望刪除多路影響的地方。第5節(jié) OFDM的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)首先，抗衰落能力強(qiáng)。OFDM把用戶信息通過(guò)多個(gè)子載波傳輸，在每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)很多倍，使OFDM對(duì)脈沖噪聲（ImpulseNoise）和信道快衰落的抵抗力更強(qiáng)。同時(shí)，通過(guò)子載波的聯(lián)合編碼，達(dá)到了子信道間的頻率分集的

25、作用，也增強(qiáng)了對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒(méi)有必要再添加時(shí)域均衡器。其次，頻率利用率高。OFDM允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是傳統(tǒng)的利用保護(hù)頻帶分離子信道的方式，提高了頻率利用效率。再者，適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制使不同的子載波可以按照信道情況和噪音背景的不同使用不同的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時(shí)候，采用效率高的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件差的時(shí)候，采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。因此，OFDM技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。此外，抗碼間干擾（ISI）能力強(qiáng)。碼間干擾

26、是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會(huì)造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環(huán)前綴，對(duì)抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。第6節(jié) OFDM的兩個(gè)缺陷（1） 對(duì)頻率偏移和相位噪聲很敏感。（2）峰值與均值功率比相對(duì)較大，這個(gè)比值的增大會(huì)降低射頻放大器的功率效率。不過(guò)近年來(lái)，圍繞OFDM存在的兩個(gè)缺陷，業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行了大量研究工作，并且已經(jīng)取得了進(jìn)展。OFDM技術(shù)既可用于移動(dòng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，也可以用于固定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)在樓層、使用者、交通工具和現(xiàn)場(chǎng)之間的信號(hào)切換，有效地解決了其中的信息沖突問(wèn)題。盡管O

27、FDM技術(shù)已經(jīng)是比較成熟，并在一些領(lǐng)域也取得成功的應(yīng)用，但尚有許多問(wèn)題須待深入研究以進(jìn)一步提高其技術(shù)性能。多年來(lái)，圍繞基于DFT（或FFT）的OFDM的關(guān)鍵技術(shù)，如同步、信道估計(jì)、均衡、功率控制等方面一直在探索更優(yōu)的方案，這些研究使OFDM技術(shù)欲加成熟和完善。 另一方面，由于DFTOFDM在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用插入CP（循環(huán)前綴）來(lái)消除ISI（碼間干擾），所以進(jìn)一步提高頻譜利用率仍有較大余地，另外，為降低插入CP帶來(lái)的頻譜損失，通常采用較長(zhǎng)的DFT變換塊，但是，如此將會(huì)造成系統(tǒng)對(duì)載頻誤差及Doppler頻移非常敏感，引起系統(tǒng)性能下降，同時(shí)對(duì)信道估計(jì)帶來(lái)難度。針對(duì)這一點(diǎn)，有人提出基于小波/小波包的

28、正交多載波調(diào)制技術(shù)，作為對(duì)基于DFT的多載波調(diào)制技術(shù)OFDM的發(fā)展和改進(jìn)。小波函數(shù)/小波包函數(shù)具有良好的尺度與平移正交性，因而可將其作為多載波調(diào)制的在載波，這種多載波調(diào)制方案被稱為基于小波/小波包的正交多載波調(diào)制。理論分析和仿真表明，小波/小波包調(diào)制技術(shù)具有與其他調(diào)制技術(shù)相同或更好的性能參數(shù)，同時(shí)具有更好的抗干擾性能。小波/小波包調(diào)制與多址技術(shù)結(jié)合，如基于小波包變換的多載波碼分多址系統(tǒng)（WPDMCDMA）,更貼近于現(xiàn)代無(wú)線多址通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，從而進(jìn)一步表明小波/小波包調(diào)制技術(shù)的可行性與先進(jìn)性，具有廣闊的發(fā)展前景。同時(shí)作為一個(gè)充滿希望與潛力的新研究領(lǐng)域關(guān)于小波/小波包調(diào)制技術(shù)有許多問(wèn)題尚待進(jìn)

29、一步研究第2章 OFDM技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用第1節(jié) 高清晰度數(shù)字電視廣播 OFDM在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中取得了廣泛的應(yīng)用，其中數(shù)字音頻廣播（DAB）標(biāo)準(zhǔn)是第一個(gè)正式使用OFDM的標(biāo)準(zhǔn)。另外，當(dāng)前國(guó)際上全數(shù)字高清晰度電視傳輸系統(tǒng)中采用的調(diào)制技術(shù)中就包括OFDM技術(shù)，歐洲HDTV傳輸系統(tǒng)已經(jīng)采用COFDM（coded OFDM：編碼OFDM）技術(shù)。它具有很高的頻譜利用率，可以進(jìn)一步提高抗干擾能力，滿足電視系統(tǒng)的傳輸要求。選擇OFDM作為數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻廣播（DVB）的主要原因在于：OFDM技術(shù)可以有效地解決多徑時(shí)延擴(kuò)展問(wèn)題。 因此不難看出，OFDM技術(shù)良好的性能使得它在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)

30、用。歐洲的DAB系統(tǒng)使用的OFDM調(diào)制技術(shù)其試驗(yàn)系統(tǒng)已在運(yùn)行，很快吸引了大量聽(tīng)眾。它明顯地改善了移動(dòng)中接收無(wú)線廣播的效果，用于DAB的成套芯片的開(kāi)發(fā)工作正在一項(xiàng)歐洲發(fā)展項(xiàng)目中進(jìn)行，它將使OFDM接收機(jī)的價(jià)格大大降低，其市場(chǎng)前景非?？春谩?第2節(jié) 無(wú)線局域網(wǎng) 大家知道，HiperLAN/2物理層應(yīng)用了OFDM和鏈路自適應(yīng)技術(shù)，媒體接入控制（MAC）層采用面向連接、集中資源控制的TDMA/TDD方式和無(wú)線ATM技術(shù)，最高速率達(dá)54Mbps，實(shí)際應(yīng)用最低也能保持在20Mbps左右。另外，IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)工作于ISM免許可證頻段，分別在5.8GHz和2.4GHz兩個(gè)頻段定義了采用OFD

31、M技術(shù)的IEEE 802.11a和IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)，其最高數(shù)據(jù)傳輸速率提高到54Mbps。 技術(shù)的不斷發(fā)展，引發(fā)了融合。一些4G及3.5G的關(guān)鍵技術(shù)，如OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)、智能天線和軟件無(wú)線電等，開(kāi)始應(yīng)用到無(wú)線局域網(wǎng)中，以提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM調(diào)制技術(shù)，提高了傳輸速率，增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。802.11n計(jì)劃采用MIMO與OFDM相結(jié)合，使傳輸速率成倍提高。另外，天線技術(shù)及傳輸技術(shù)，使得無(wú)線局域網(wǎng)的傳輸距離大大增加，可以達(dá)到幾公里（并且能夠保障100Mbps的傳輸速率）。 而對(duì)于今后要開(kāi)展的在無(wú)線局域網(wǎng)中的多媒體業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，最高為54Mb

32、ps的數(shù)據(jù)傳輸速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了進(jìn)一步提升無(wú)線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)有線與無(wú)線局域網(wǎng)的無(wú)縫結(jié)合，IEEE成立了IEEE 802.11n工作小組，以制定一項(xiàng)新的高速無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11n計(jì)劃將WLAN的傳輸速率從802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可達(dá)320Mbps，成為802.11b/a/g之后的另一場(chǎng)重頭戲。和以往的802.11標(biāo)準(zhǔn)不同，802.11n協(xié)議為雙頻工作模式（包含2.4GHz和5.8GHz兩個(gè)工作頻段）。這樣802.11n保證了與以往的802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)兼容。 第3節(jié) 寬帶無(wú)線接入 OFDM技術(shù)適用于無(wú)線環(huán)

33、境下的高速傳輸，不僅應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)，還在寬帶無(wú)線接入（BWA）中得到應(yīng)用。IEEE 802.16工作組專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)BWA方面的技術(shù)工作，它已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)2GHz11GHz BWA的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16a，物理層就采用了OFDM技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)不僅是新一代的無(wú)線接入技術(shù)，而且對(duì)未來(lái)蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展也具有重要意義。 在BWA領(lǐng)域，一些公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)雖然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些專(zhuān)利技術(shù)，如Cisco和Iospan公司的Vector OFDM（VOFDM）、Wi-LAN公司的Wideband OFDM（WOFDM）、Flarion公司的flash-OFDM。其中，VOFDM由Cisc

34、o公司支持，WOFDM則由Wi-LAN公司提出，構(gòu)成了基于兩個(gè)組織的OFDM兩大陣營(yíng)：寬帶無(wú)線Internet論壇（BWIF）和OFDM論壇，它們力圖使自己的OFDM模式成為標(biāo)準(zhǔn)。其中由Wi-LAN公司倡導(dǎo)的OFDM論壇，有50多個(gè)成員，其中有如Breezecom、start-up BeamReach Networks和Nokia等參加，主要是協(xié)調(diào)提交到IEEE的OFDM提案。而寬帶Internet論壇（BWIF）則是在Cisco倡導(dǎo)下，由IEEE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)組織IEEE-ISTO成立的，其主要目標(biāo)是提供低成本寬帶無(wú)線接入技術(shù)，號(hào)召采用基于VOFDM的標(biāo)準(zhǔn)作為解決方案。 第4節(jié) 3G CDMA

35、的新概念 為滿足未來(lái)無(wú)線多媒體通信需求，人們?cè)诩泳o實(shí)現(xiàn)3G系統(tǒng)商業(yè)化的同時(shí)，開(kāi)始了后3G（Beyond 3G）的研究。從技術(shù)方面看，3G主要以CDMA技術(shù)為核心技術(shù)，而未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)則以O(shè)FDM技術(shù)最受矚目。在寬帶接入系統(tǒng)中，由于OFDM系統(tǒng)具備良好的特性，將成為下一代蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的有力支撐。 另外一個(gè)事實(shí)是，3G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在面臨諸多的問(wèn)題，例如它的數(shù)據(jù)傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到廣告中宣稱的2Mbps，其實(shí)際傳輸速度僅為0.4Mbps左右，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)可能連這一速度的三分之一都達(dá)不到。這一狀況僅僅足夠傳輸高質(zhì)量的音頻，用戶要想傳輸高質(zhì)量的視頻恐怕還需要繼續(xù)等待。 CDMA技術(shù)為了對(duì)抗多徑干擾，需要

36、更復(fù)雜的均衡及調(diào)制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難。為了推動(dòng)3G的發(fā)展，人們開(kāi)始研究將OFDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)引入到CDMA系統(tǒng)中，推出MC-CDMA技術(shù)。與普通的DS-CDMA相比，MC-CDMA系統(tǒng)具有下述優(yōu)點(diǎn)： （1）具有更大的靈活性。例如，在OFDM信號(hào)中加入保護(hù)時(shí)間帶來(lái)的靈活性，可以使得在不同小區(qū)環(huán)境中達(dá)到最佳的頻譜利用率； （2）高容量，高性能。由于頻率交織，系統(tǒng)提供了更多重?cái)?shù)的頻率分集，因此，可以應(yīng)用不同檢測(cè)方法充分挖掘這種分集提供的增益； （3）高抗干擾性； （4）不需要均衡。由于多載波調(diào)制的特性，它將高速率信號(hào)分割成多個(gè)低速率信號(hào)，使得信號(hào)波形間的干擾得到消除，因此可以不需要均衡。 綜上所述，在

37、時(shí)代交替之際，舊有系統(tǒng)之整合與升級(jí)是產(chǎn)業(yè)關(guān)心的話題，目前大家談的是GSM如何升級(jí)到第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，而未來(lái)則是CDMA如何與OFDM技術(shù)相結(jié)合？可以預(yù)計(jì)，CDMA絕對(duì)不會(huì)在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中消失，而是將成為其應(yīng)用技術(shù)的一部份，或許未來(lái)也會(huì)有新的整合技術(shù)如OFDM/CDMA產(chǎn)生。前文所提到的數(shù)字音頻廣播，其實(shí)它真正運(yùn)用的技術(shù)是OFDM/FDMA的整合技術(shù)，同樣是利用兩種技術(shù)的結(jié)合。因此未來(lái)以O(shè)FDM為核心技術(shù)的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)，也將會(huì)結(jié)合兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。 第3章 OFDM技術(shù)在設(shè)備制造和運(yùn)行中的優(yōu)勢(shì) 該技術(shù)可以處理多體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的異步特性，可以提供比傳統(tǒng)多址技術(shù)更高的容量，并且可以抗信道的頻

38、率選擇性衰落； 該技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化。由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信； 該技術(shù)能提供隊(duì)列服務(wù)，克服傳輸介質(zhì)中外界信號(hào)的干擾，使無(wú)線通訊在大部分地區(qū)可以穩(wěn)定使用； 該技術(shù)解決了在移動(dòng)傳輸高速數(shù)據(jù)時(shí)所引起的無(wú)線信道性能變差的問(wèn)題，從而極大地提高了傳輸信道的質(zhì)量保持； 該技術(shù)具有快速糾錯(cuò)功能，能夠應(yīng)對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的干擾信號(hào)，并重建所有在傳送過(guò)程中遭到破壞的信號(hào)數(shù)據(jù)位； 該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來(lái)使指定

39、頻率下的載波進(jìn)行成功通信； 該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高的安全傳輸性能，它允許數(shù)據(jù)在復(fù)數(shù)的高速的射頻上被編碼； 該技術(shù)對(duì)傳輸線路上的多路徑外界信號(hào)干涉有較強(qiáng)的抵抗力，非常適合工作在一些惡劣的通信環(huán)境中。 總之，OFDM技術(shù)良好的性能使得它在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。歐洲的DAB系統(tǒng)使用的就是OFDM調(diào)制技術(shù)。試驗(yàn)系統(tǒng)已在運(yùn)行，很快吸引了大量聽(tīng)眾。它明顯地改善了移動(dòng)中接收無(wú)線廣播的效果。用于DAB的成套芯片的開(kāi)發(fā)正在一項(xiàng)歐洲發(fā)展項(xiàng)目中進(jìn)行，它將使OFDM接收機(jī)的價(jià)格大大降低。市場(chǎng)前景非?？春谩．?dāng)前國(guó)際上全數(shù)字高清晰度電視傳輸系統(tǒng)中采用的調(diào)制技術(shù)中就有OFDM技術(shù)，歐洲HDTV傳輸系統(tǒng)已經(jīng)采用COFDM（c

40、oded OFDM編碼OFDM）技術(shù)。它具有很高的頻譜利用率，進(jìn)一步提高抗干擾能力，滿足電視系統(tǒng)的傳輸要求。在無(wú)線局域網(wǎng)領(lǐng)域中，1999年IEEE80211a通過(guò)了一個(gè)5GHz的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采用為它的物理層標(biāo)準(zhǔn)。ETSI的寬帶射頻接入網(wǎng)（BRAN）的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也把OFDM定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。在未來(lái)的寬帶接入系統(tǒng)中，OFDM是一項(xiàng)基本技術(shù)。由于該系統(tǒng)的良好的特性，也可能成為下一代蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接入技術(shù)。將OFDM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于CDMA系統(tǒng)也引起各公司很大的研究興趣，即MC-CDMA。與普通的DS-CDMA相比，MC-CDMA系統(tǒng)具有下述優(yōu)點(diǎn)：（1）具有更大的靈活性

41、。如，在OFDM信號(hào)中加入的保護(hù)時(shí)間提供的靈活性可以使得在不同小區(qū)中易于達(dá)到最佳的頻譜利用率。（2）高容量，高性能。由于頻率交織，系統(tǒng)提供了更多重?cái)?shù)的頻率分集。可以應(yīng)用不同檢測(cè)方法充分挖掘這種分集提供的增益。（3）高抗干擾性。（4）不需要均衡。由于多載波調(diào)制的特性，它將高速率信號(hào)分割成多個(gè)低速率信號(hào)，使得信號(hào)波形間的干擾得到消除，因此可以不需要均衡。 隨著IEEE802.11a協(xié)議、ETSI BRAN（Broadband Radio Access Network）和多媒體應(yīng)用的引入，無(wú)線通信領(lǐng)域已經(jīng)為OFDM技術(shù)的應(yīng)用做好了準(zhǔn)備。世界各國(guó)許多大公司、研究團(tuán)體已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到OFDM技術(shù)的應(yīng)用前景

42、。1999年，在Wi-LAN、Philip等公司的邀請(qǐng)下，來(lái)自世界六十多家公司的一百多名代表經(jīng)過(guò)討論成立了一個(gè)世界性的組織OFDM論壇，專(zhuān)門(mén)討論OFDM在技術(shù)上、市場(chǎng)推廣上的各方面問(wèn)題，從而進(jìn)一步推動(dòng)了OFDM技術(shù)的商用化。此外OFDM的重要性不僅僅在于它是IEEE802.11a等其他高性能無(wú)線技術(shù)的基礎(chǔ)，更重要的是OFDM技術(shù)與傳統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)相比存在下面的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)： OFDM調(diào)制頻帶利用率高、抗脈沖噪聲特性好，不過(guò)該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上要有數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)； OFDM技術(shù)能夠應(yīng)對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的干擾信號(hào)，它可對(duì)使用多種頻率方面存在的一些問(wèn)題進(jìn)行快速修正，并可以對(duì)

43、那些在通信傳輸過(guò)程中遭到破壞的信號(hào)數(shù)據(jù)位進(jìn)行自動(dòng)重建； OFDM技術(shù)通過(guò)在復(fù)數(shù)的高速的射頻上對(duì)傳送的信號(hào)進(jìn)行編碼，讓被傳輸?shù)男盘?hào)在傳輸過(guò)程中不容易被竊取，從而保證信號(hào)傳送具有更高的安全性； OFDM技術(shù)對(duì)傳輸線路上的多路徑外界信號(hào)干涉有較強(qiáng)的抵抗力，它不僅可以克服信號(hào)傳輸?shù)恼系K，而且還能提高通信傳輸?shù)乃俣?，因此在一些惡劣環(huán)境中通訊它將非常有吸引力； OFDM技術(shù)每赫茲的帶寬更高，這樣無(wú)線系統(tǒng)的容量也就更大，而且它抗信號(hào)衰落性能更好，目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被采用在無(wú)線局域網(wǎng)環(huán)境中，在未來(lái)該技術(shù)能使無(wú)線通信速度達(dá)到10Mbit/s左右； OFDM技術(shù)通過(guò)提供隊(duì)列服務(wù)，來(lái)解決了在移動(dòng)傳輸高速數(shù)據(jù)時(shí)所引

44、起的無(wú)線信道性能變差的問(wèn)題，從而克服傳輸介質(zhì)中外界信號(hào)的干擾，提高傳輸信道的通信質(zhì)量； OFDM技術(shù)既可用于移動(dòng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，也可以用于固定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)在樓層、使用者、交通工具和現(xiàn)場(chǎng)之間的信號(hào)跳換，解決其中的信息沖突問(wèn)題。 隨著人們對(duì)通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個(gè)人化和移動(dòng)化的需求，OFDM技術(shù)在綜合無(wú)線接入領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越得到廣泛的應(yīng)用。 可以看出，OFDM技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。第4章 下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的OFDM技術(shù)第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)正逐漸退出歷史舞臺(tái)，第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)正在以前所未有的速度發(fā)展，它們都是以傳輸語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主要目的。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)正處在大規(guī)模商用化的前夕，它將提出語(yǔ)音

45、、數(shù)據(jù)以及視頻等多媒體通信業(yè)務(wù)。繼第三代以后的下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)“Beyond 3G”或“4G”的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)建議工作目前也正在緊張開(kāi)展。 從移動(dòng)通信系統(tǒng)提供的傳輸速率來(lái)看，第一代模擬系統(tǒng)提供模擬語(yǔ)音服務(wù)和簡(jiǎn)單的信令；第二代數(shù)字N-CDMA兩個(gè)系統(tǒng)為代表，主要傳輸數(shù)字語(yǔ)音，當(dāng)然可以同時(shí)使用多個(gè)時(shí)隙實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高速率的數(shù)據(jù)通信；而第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2Mbps，其中，靜止環(huán)境為2Mbps，慢速移動(dòng)環(huán)境為384Mbps，快速移動(dòng)環(huán)境為144Mbps，衛(wèi)星移動(dòng)通信為9.6Mbps；下一代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)預(yù)計(jì)系統(tǒng)速率可達(dá)到20Mbps，甚至更高，國(guó)際電信聯(lián)盟正在著手有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的組織

46、工作。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須從通信網(wǎng)絡(luò)的交換、傳輸和接入等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究和突破，尤其是在移動(dòng)環(huán)境和有限頻譜資源條件下，如何穩(wěn)定可靠高效地支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸值得研究。正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)因其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴(kuò)展，且有良好的抗噪聲性能和抗多徑信道干擾的能力以及頻譜利用率高而被普遍認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必不可少的技術(shù)。關(guān)于下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究工作已經(jīng)提交給ITU-R第8研究組和世界無(wú)線電大會(huì)（WRC）。許多世界著名通信公司已經(jīng)投入巨資研究下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。早在1997年日本NTT DoCoMo公司已經(jīng)啟動(dòng)第四代系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究工作，并于2001年6月15日向國(guó)際電聯(lián)提交了有關(guān)建議：西

47、門(mén)子正積極與國(guó)內(nèi)外頗具實(shí)力的高校進(jìn)行下一代系統(tǒng)的合作研究；愛(ài)立信也已宣布進(jìn)行第四代手機(jī)的研發(fā)；AT&T公司正在研究以提高蜂窩電話和其他移動(dòng)裝置無(wú)線訪問(wèn)因特風(fēng)速率為目的的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)?？偟膩?lái)說(shuō)，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)在性能方面主要有以下要求：（1）用戶速率在準(zhǔn)靜止（低速移動(dòng)和固定）情況下達(dá)20Mbps，在高速移動(dòng)情況下達(dá)2Mbps；（2）容量要達(dá)到第三代系統(tǒng)的5-10倍，傳輸質(zhì)量相當(dāng)于甚至優(yōu)于第三代系統(tǒng)；（3）條件相同時(shí)小區(qū)覆蓋范圍等于或大于第三代系統(tǒng)；（4）具有不同速率間的自動(dòng)切換能力，以保證通信質(zhì)量；（5）網(wǎng)絡(luò)的每比特成本要比第三代低。在功能方面主要有以下要求：（1）支持下一代因特網(wǎng)和所有

48、的信息設(shè)備、家用電器等；（2）實(shí)現(xiàn)與固定網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)的無(wú)縫化連接；（3）能通過(guò)中間件支持和開(kāi)通多種多樣的IP業(yè)務(wù)；（4）能提供用戶定義的個(gè)性化服務(wù)；（5）按服務(wù)級(jí)別收費(fèi)。由于信道傳輸特性不理想，各類(lèi)無(wú)線和移動(dòng)通信中，普遍存在著符號(hào)間干擾（ISI）?？朔?hào)間干擾的措施通常是采用自適應(yīng)均衡器，但是，在高速數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了保證克服ISI，往往要求均衡器的抽頭數(shù)很大，尤其是在城市，環(huán)境可能要求均衡器的抽頭數(shù)上百個(gè)。這樣，必然大大增加了均衡器的復(fù)雜程度，使設(shè)備造價(jià)和成本大大提高。為了能在下一代移動(dòng)通信中有效解決這一問(wèn)題，可采用頻譜利用率高，抗多徑衰落性能好的OFDM技術(shù)，以取代復(fù)雜而昂貴的自適應(yīng)均衡

49、器。近年來(lái)，由于DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM作為一種可以有效對(duì)抗ISI的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。OFDM技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播（Digital Audio Broadcasting, DAB）、高淅晰度電視（High-definition Television, HDTV）、無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network, WLAN），它在移動(dòng)通信中的運(yùn)用也是大勢(shì)所趨。對(duì)傳統(tǒng)的頻分復(fù)用（FDM）系統(tǒng)而言，為了避免載波間的相互干擾，載波間通常加保護(hù)頻帶而使頻譜利用率下降。而正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)則使各子載波早期采用正交濾波器將信道分成多個(gè)子信道，但要用

50、尤其是當(dāng)路數(shù)增多的時(shí)候。1971年，Weinstein及Ebert等將DFT應(yīng)用在多載波傳輸系統(tǒng)中，從而很方便地實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的復(fù)合和分解。為了克服多徑引起的OFDM符號(hào)幀之間的干擾（ISI），通常在每個(gè)符號(hào)幀之間插入循環(huán)前綴（Cyclic Prefix,CP），即將OFDM符號(hào)幀的最后幾個(gè)碼元拷貝插入到本符號(hào)幀的前面。如果CP所占時(shí)長(zhǎng)大于或等于最大時(shí)延擴(kuò)展Tmax，則所有多徑信號(hào)將不會(huì)延伸到下一個(gè)OFDM幀周期。令插入CP對(duì)應(yīng)G個(gè)碼元，則發(fā)送符號(hào)幀s可表示為：S=Xn-g,Xn-g+1,Xn-1,X0,X1,Xn-1經(jīng)過(guò)信道后，接收端移走接收到的符號(hào)幀S中的前G個(gè)碼元，得到由N個(gè)碼元組成的O

51、FDM符號(hào)幀y。再將Y經(jīng)檢測(cè)等處理恢復(fù)出原始信號(hào)。OFDM系統(tǒng)與相同傳輸速率的單載波系統(tǒng)比較，每個(gè)子載波上的碼元寬度是單載波系統(tǒng)碼元寬度的N倍，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道的時(shí)延擴(kuò)展，因此，OFDM系統(tǒng)每個(gè)子載波均具有極強(qiáng)的抗碼間干擾的能力。由于OFDM系統(tǒng)傳輸高速數(shù)據(jù)，信道必然存在可辨多徑，接收到的OFDM符號(hào)幀y存在多徑干擾（MPI），接收端采用N點(diǎn)FFT和單抽頭均衡可以有效克服MPI。當(dāng)然，為了進(jìn)一步提高實(shí)際系統(tǒng)性能，通常還將增加頻域交織、時(shí)域交織、導(dǎo)頻和信道編解碼等功能模塊。OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)有關(guān)的OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)有：（1）域和頻域同步前面已經(jīng)提及，OFDM系統(tǒng)對(duì)定

52、時(shí)和頻率偏移敏感，特別是實(shí)際應(yīng)用中可能與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結(jié)合使用時(shí)，時(shí)域和頻率同步顯得尤為重要。與其它數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。在下行鏈路中，基站向各個(gè)移動(dòng)終端廣播式發(fā)同步信號(hào)，所以，下行鏈路同步相對(duì)簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)。在上行鏈路中，來(lái)自不同移動(dòng)終端的信號(hào)必須同步到達(dá)基站，才能保證子載波間的正交性?；靖鶕?jù)各移動(dòng)終端發(fā)來(lái)的子載波攜帶信息進(jìn)行時(shí)域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動(dòng)終端，以便讓移動(dòng)終端進(jìn)行同步。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，同步將分為時(shí)域同步和頻域同步，也可以時(shí)頻域同時(shí)進(jìn)行同步。（2）信道估計(jì)在OFDM系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問(wèn)題：一是導(dǎo)頻信息的選

53、擇。由于無(wú)線信道常常是衰落信道，需要不斷對(duì)信道進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷的傳送。二是既有較低的復(fù)雜度又有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。（3）信道編碼和交織為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；對(duì)于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織。實(shí)際應(yīng)用中，通常同時(shí)采用信道編碼和交織，進(jìn)一步改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。在OFDM系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太深，均衡是無(wú)法再利用信道的分集特性來(lái)改善系統(tǒng)性能的，因?yàn)镺FDM系統(tǒng)自身具有利用信

54、道分集特性的能力，一般的信道特性信息已經(jīng)被OFDM這種調(diào)制方式本身所利有了。但是，OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機(jī)會(huì)，形成COFDM方式。編碼可以采用各種碼，如分組碼、卷積碼等，卷積碼的效果要比分組碼好。（4）降低峰均功率比由于OFDM信號(hào)時(shí)域上表現(xiàn)為N個(gè)正交子載波信號(hào)的疊加，當(dāng)這N個(gè)信號(hào)恰好均以峰值占相加時(shí)，OFDM信號(hào)也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但為了不失真地傳輸這些高峰均功率比（Peak to Average Power Ratio, PAPR）的OFDM信號(hào)，發(fā)送端對(duì)高功率放大器（HPA）的線性度要求很高且發(fā)送效率極低，接收

55、端對(duì)前端放大器以及A/D變換器的線性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系統(tǒng)的性能大大下降甚至直接影響實(shí)際誤應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，人們提出了基于信號(hào)畸變技術(shù)、信號(hào)擾碼技術(shù)和基于信號(hào)空間擴(kuò)展等降低OFDM系統(tǒng)PAPR的方法。（5）均衡在一般的衰落環(huán)境下，OFDM系統(tǒng)中均衡不是有效改善系統(tǒng)性能的方法。因?yàn)榫獾膶?shí)質(zhì)是補(bǔ)償多徑信道引起的碼間干擾，而OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，因此在一般情況下，OFDM系統(tǒng)就不必再做均衡了。在高度散射的信道中，信道記憶長(zhǎng)度很長(zhǎng)，CP的長(zhǎng)度必須很長(zhǎng)，才能夠使ISI盡量不出現(xiàn)。但是，CP長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)必然導(dǎo)致能量大量損失，尤其對(duì)子載波個(gè)數(shù)不是很大的系

56、統(tǒng)。這時(shí)，可以考慮加均衡器以使CP的長(zhǎng)度適當(dāng)減小，即通過(guò)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性換取系統(tǒng)頻帶利用率的提高。下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作已經(jīng)開(kāi)始，OFDM技術(shù)被普遍認(rèn)為是下一代通信系統(tǒng)必不可少的技術(shù)。我們應(yīng)該跟蹤OFDM技術(shù)的最新發(fā)展，加快相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究，以便在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)中具有競(jìng)爭(zhēng)力。第5章 OFDM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景20世紀(jì)60年代OFDM的多路數(shù)據(jù)傳輸已被成功地用于高頻軍事通信系統(tǒng)。過(guò)去10多年，OFDM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于1.6 Mb/s高比特率數(shù)字用(HDSL)、6 Mb/s不對(duì)稱數(shù)字用戶線(ADSL)、100 Mb/s甚高速數(shù)字用戶線(VDSL)、數(shù)字音頻廣播和數(shù)

57、字視頻廣播等方面。最近，OFDM又被用于54 Mb/s無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11a和IEEE 802.11g、高性能局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)HiperLAN/2、歐洲寬帶無(wú)線接入網(wǎng)ETSI-BRAN、IEEE 802.16 MAN和集成業(yè)務(wù)數(shù)字廣播(ISDB-T)標(biāo)準(zhǔn)中。編碼OFDM(COFDM)被美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)接受為數(shù)字電視(DTV)陸地廣播標(biāo)準(zhǔn)，在6 MHz信道上將以19.3 Mb/s的MPEG格式分組傳輸，并進(jìn)行數(shù)字格狀編碼，計(jì)劃2006年底進(jìn)行DTV轉(zhuǎn)換。很多國(guó)家的全數(shù)字高清晰度電視傳輸系統(tǒng)（DVBT）也采用了OFDM技術(shù)。1997年，歐洲D(zhuǎn)VBTCOFDM系統(tǒng)是歐洲數(shù)字電視

58、廣播（DVB）系列標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)字地面電視廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)使用COFDM調(diào)制方式，把傳輸比特分割到數(shù)千計(jì)的低比特率子載波上。從目前的研發(fā)情況來(lái)看，由于OFDM具有很高的頻譜利用率和抗干擾能力，能夠很好地滿足電視系統(tǒng)的傳輸要求。另外，在電力線通信領(lǐng)域，OFDM也將作為主要的調(diào)制技術(shù)被采納。 在未來(lái)的寬帶接入系統(tǒng)中，OFDM會(huì)是一項(xiàng)基本技術(shù)，所謂寬帶（Broadband）是指速率高于10Mbit/s 的傳輸系統(tǒng)，寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)是針對(duì)微波及毫米波段中新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，它具有速率高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，能支持無(wú)線多媒體通信，適用于商務(wù)大樓、熱點(diǎn)地區(qū)及家庭用戶的寬帶接入。IEEE 802.16工作組專(zhuān)門(mén)

59、負(fù)責(zé)BWA方面的技術(shù)工作，開(kāi)發(fā)了211GHz BWA的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16a，物理層采用了OFDM技術(shù)。在BWA領(lǐng)域，一些公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)雖然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些專(zhuān)利技術(shù)，如Cisco和Iospan公司的Vector OFDM (VOFDM)，Wi- LAN公司的 Wideband OFDM (WOFDM) ，F(xiàn)larion公司的 flash-OFDM。VOFDM由Cisco公司支持，WOFDM則由Wi-LAN公司提出，構(gòu)成了OFDM的兩大陣營(yíng)：寬帶無(wú)線Internet論壇（BWIF）和OFDM論壇，它們力圖使自己的OFDM模式成為標(biāo)準(zhǔn)。由Wi-LAN公司倡導(dǎo)的OFDM論

60、壇，有50多個(gè)成員，一些公司，如Breezecom, start-up BeamReach Networks 和 Nokia參加，OFDM論壇主要是協(xié)調(diào)提交到IEEE的OFDM提案。在Cisco倡導(dǎo)下，IEEE 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)組織IEEE-ISTO成立了寬帶Internet論壇(BWIF)，提供低成本寬帶無(wú)線接入技術(shù)，號(hào)召采用基于VOFDM的標(biāo)準(zhǔn)作為解決方案。下面對(duì)這些技術(shù)作一概述。 （1） VOFDM VOFDM技術(shù)通過(guò)在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實(shí)現(xiàn)空間分集，提高了信號(hào)質(zhì)量，是聯(lián)合OFDM和空時(shí)處理而得到的一種新技術(shù)。它利用了時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無(wú)線系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑的容

61、限大大增加。VOFDM實(shí)現(xiàn)主要包括以下功能模塊：OFDM，可編程控制的系統(tǒng)數(shù)據(jù)率和時(shí)延擴(kuò)展容限；信道估計(jì)，采用突發(fā)模式的訓(xùn)練序列；同步，魯棒的系統(tǒng)定時(shí)和頻率恢復(fù)；空域處理，用作干擾刪除和發(fā)送、接收分集；編碼， 采用級(jí)連的卷積碼和Reed-Solomon碼。 把OFDM和智能天線相結(jié)合的技術(shù)除了VOFDM外，還有美國(guó)Iospan公司開(kāi)發(fā)的MIMO-OFDM技術(shù)。Iospan的技術(shù)基于Stanford大學(xué)A. Paulraj教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在多輸入多輸出（MIMO），即空時(shí)信號(hào)處理方面的研究工作。MIMO是該項(xiàng)技術(shù)的核心，它能大大提高頻譜利用率和業(yè)務(wù)覆蓋范圍，系統(tǒng)具有可伸縮性和能保證QoS。Io

62、span的無(wú)線接入技術(shù)能在非視距（NLOS）傳播環(huán)境下很好工作。業(yè)界廣泛的共識(shí)是在下一代BWA系統(tǒng)中使用多天線技術(shù)，多天線技術(shù)能在有地形障礙，如樹(shù)、建筑物等條件下，提供可靠的高速寬帶業(yè)務(wù)。 （2） WOFDM Wi-LAN公司發(fā)明的寬帶OFDM是IEEE 802.11a的基礎(chǔ)，同時(shí)它也提出了IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)。WOFDM通過(guò)擴(kuò)頻和前向糾錯(cuò)碼，如R-S碼降低了惡劣信道的影響，它把信道估計(jì)Reed-Solomon算法配合使用，使糾錯(cuò)能力增加一倍。系統(tǒng)在接收信號(hào)強(qiáng)度為-75dBm時(shí)誤比特率（BER）能達(dá)到10-6。為降低信號(hào)的峰值均值電平比，WOFDM采用了隨機(jī)相位的信號(hào)白化技術(shù)，通過(guò)對(duì)每個(gè)W

63、OFDM符號(hào)乘以一個(gè)收發(fā)端已知的復(fù)向量，該向量具有單位幅度和相位。與無(wú)此操作的WOFDM符號(hào)相比，使發(fā)射信號(hào)變化變小，所以信號(hào)“白化”降低了信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，使系統(tǒng)對(duì)射頻功率放大器線性度要求降低。利用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)解決了載波信號(hào)恢復(fù)中的時(shí)鐘同步問(wèn)題，DSSS是一種連續(xù)的包絡(luò)調(diào)制機(jī)制，它提供了一種不用預(yù)先設(shè)定自動(dòng)增益控制和自動(dòng)頻率控制而能獲取同步信號(hào)的方法，是一種非常簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的解決方案。WOFDM頻譜利用率高，用16QAM調(diào)制的商用WOFDM系統(tǒng)目前可到3.2bit/s/Hz的頻譜利用率。 WOFDM最初推出的ASIC芯片數(shù)據(jù)速率為32Mbit/s，調(diào)制方式為16QAM。如果把速率升

64、至45Mbit/s，只需改變DSP中的軟件，選擇64QAM的調(diào)制方式即可，無(wú)需改變硬件。WOFDM目前已用作點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線接入解決方案。 （3） flash-OFDM flash-OFDM是1998年由Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，后由朗訊科技下設(shè)的Flarion公司推出商用化產(chǎn)品。相對(duì)VOFDM、WOFDM而言，它的特點(diǎn)是能在移動(dòng)環(huán)境下工作，是一種移動(dòng)寬帶接入Internet解決方案。flash-OFDM采用FDD雙工方式，工作頻段從220MHz3.5GHz之間。上下行鏈路是數(shù)百個(gè)子信道組成的寬帶載波（擴(kuò)頻的OFDM），傳輸數(shù)據(jù)時(shí)給每個(gè)用戶分配子信道。每個(gè)子信道采用了自適應(yīng)調(diào)制和先進(jìn)的編碼技術(shù)，其頻譜利用率比CDMA 2000系統(tǒng)高3倍。flash-OFDM利用快速跳頻技術(shù)把信號(hào)擴(kuò)頻，具有頻率分集能力，減小了同一小區(qū)內(nèi)的用戶間干擾，它同時(shí)具有OFDM和跳頻擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。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)射能有效通信的功率?？罩薪涌诓捎梅纸M業(yè)務(wù)，支持全I(xiàn)P通信。 OFDM的