基于OFDM的無線移動通信
來源：21IC電子網(wǎng)
摘要： 通過一些通俗易懂的圖形，對正交頻分復(fù)用（OFDM）的基本原理及其在移動通信中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。首先從高的頻譜利用率和抗多徑衰落出發(fā)，先對OFDM優(yōu)點的基本原理進(jìn)行了闡述，然后分析了循環(huán)前綴對時間彌散信道所帶來的ISI和ICI的消除。最后,對OFDM的缺點進(jìn)行了說明。
Abstract：
Key words :
帶寬在移動通信中是稀缺的資源，所以必須采用先進(jìn)的技術(shù)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，正交頻分復(fù)用（OrthogonalFrequencyDivision Multiplex，OFDM）是目前非常被看好的一種技術(shù)。他是一種高效并行多載波傳輸技術(shù)，將所傳送的高速串行數(shù)據(jù)分解并調(diào)制到多個并行的正交子信道中，從而使每個子信道的碼元寬度大于信道時延擴展，再通過加入循環(huán)擴展，保證系統(tǒng)不受多徑干擾引起的碼間干擾（ISI）的影響。他可以有效對抗多徑傳播。
1多載波傳輸
1.1多載波基本原理
多載波就是把傳輸?shù)膸挿殖稍S多窄帶子載波來并行傳輸，多載波可以在有限的無線傳播帶寬中獲得更高的傳輸速率。多載波和單載波的差別如圖1所示。
1.1多載波基本原理
多載波就是把傳輸?shù)膸挿殖稍S多窄帶子載波來并行傳輸，多載波可以在有限的無線傳播帶寬中獲得更高的傳輸速率。多載波和單載波的差別如圖1所示。
比如要在無線環(huán)境中用BPSK調(diào)制信號，使數(shù)據(jù)速率達(dá)到10Mb/s，最大傳輸時延為5μs，則帶寬為5MHz。若用單載波實現(xiàn)，則符號周期Tsymb,SC=0.2 μs，τmax=25Tsymb，SC，也就是符號間干擾會持續(xù)25個符號。而如果用128個子載波的多載波來實現(xiàn)，每個符號的持續(xù)時間就是單載波的N(128)倍，τmax=0.039NTsymb,SC(NTsymb,SC為多載波時的符號周期)，可見符號間干擾（ISI）減少了許多。
1.2正交子載波
子載波間正交可以使載波間交疊而彼此間又不會因交疊失真。因此用正交子載波技術(shù)可以節(jié)省寶貴的頻率資源，如圖2，圖3所示。
2正交頻分復(fù)用（OFDM）
2.1基本原理
在正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中，正交的子載波可通過離散傅里葉變換（DFT）獲得（在實際應(yīng)用中，用快速傅里葉變換FFT），OFDM的基帶信號為：
2.1基本原理
在正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中，正交的子載波可通過離散傅里葉變換（DFT）獲得（在實際應(yīng)用中，用快速傅里葉變換FFT），OFDM的基帶信號為：
在接收端，對OFDM符號進(jìn)行解調(diào)的過程中，需要計算這些點上所對應(yīng)的每個子載波頻率的最大值，因為在每個子載波頻率最大值處，所有其他子載波的頻譜值恰好為0（圖4為6個子載波的情況），所以可以從多個相互重疊的子信道符號中提取每一個子信道符號，而不會受到其他子信道的干擾（假設(shè)有精確的同步）。
2.2循環(huán)擴展
因為每個OFDM符號中都包括所有的非零子載波信號，而且也同時出現(xiàn)該OFDM符號的時延信號，所以無線信道間的符號間會存在干擾，如圖5所示。
在系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率給定的情況下，OFDM信號的符號速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單載波的傳輸模式，正因為這種低符號速率使OFDM系統(tǒng)可以自然抵抗多徑傳播導(dǎo)致ISI，另外，通過在每個符號的起始位置增加保護(hù)間隔可以進(jìn)一步抵制ISI，還可以減少在接收端的定時偏移錯誤，如圖6所示。
2.3OFDM系統(tǒng)
圖7為傳統(tǒng)的OFDM發(fā)射接收系統(tǒng)。發(fā)送端將被傳輸?shù)臄?shù)字信號轉(zhuǎn)換成子載波幅度和相位的映射，并進(jìn)行離散傅里葉反變換（IDFT）將數(shù)據(jù)的頻譜表達(dá)式變到時域上，接收端進(jìn)行與發(fā)送端相反的操作，子載波的幅度和相位被采集出來并轉(zhuǎn)換回數(shù)字信號。
2.4OFDM的缺點
(1)OFDM對系統(tǒng)定時和頻率偏移敏感
定時偏差會引起子載波相位的旋轉(zhuǎn)，如圖8所示，而且相位旋轉(zhuǎn)角度與子載波的頻率有關(guān)，頻率越高，旋轉(zhuǎn)角度越大，如果定時的偏移量與最大時延擴展的長度之和仍小于循環(huán)前綴的長度，此時子載波之間的正交性仍然成立，沒有ISI和ICI（信道間干擾），對解調(diào)出來的數(shù)據(jù)信息符號的影響只是一個相位的旋轉(zhuǎn)。如果定時的偏移量與最大時延擴展的長度之和大于循環(huán)前綴的長度，這時一部分?jǐn)?shù)據(jù)信息丟失了，而且最為嚴(yán)重的是子載波之間的正交性破壞了，由此帶來了ISI和ICI，這是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題之一。
頻率偏差是由收發(fā)設(shè)備的本地載頻之間的偏差、信道的多普勒頻移等引起的，由子載波間隔的整數(shù)倍和子載波間隔的小數(shù)倍偏移構(gòu)成。子載波間隔整數(shù)倍不會引起ICI，但是解調(diào)出來的信息符號的錯誤率為50％，子載波間隔的小數(shù)倍的偏移由于抽樣點不在頂點，如圖9所示，破壞了子載波之間的正交性由此引起了ICI。
(2)存在較高的峰值平均功率比
多載波系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號相位一致時，所得的疊加信號的瞬時功率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，如圖10所示。因此可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發(fā)生變化，子信道間正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾。
3結(jié)語
OFDM技術(shù)以其抗多徑衰落、高的頻譜利用率等諸多優(yōu)勢成為人們研究的熱點，并有希望成為第4代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。但OFDM存在兩個致命缺點成為OFDM應(yīng)用于移動通信的障礙，目前，許多科研工作者正致力于此，OFDM技術(shù)也正逐步成熟起來。
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