OFDM原理介绍

文档发布

【资料名称】：OFDM原理

【资料作者】：佚名

【资料日期】：2010

【资料语言】：中文

【资料格式】：DOC

【资料目录和简介】：

OFDM是一种相当有潜力的技术，目前是移动通信领域的关键技术之一，它具有很多其它无线传输技术所未有的特点，适合于高速的无线数据传输系统，具有广阔的市场前景，被广泛应用于无线局域网、DAB、DVB以及HDTV等系统中，并很有可能成为第四代移动通信的核心技术，但OFDM存在着一些固有的缺点需要克服，这些缺点的存在将使OFDM的优点无法充分体现出来，同步技术是OFDM的关键技术之一，对OFDM来说具有举足轻重的影响，目前，国内外很多学者提出了很多种同步方案，但寻找一种易于实现、性能良好的同步方案是一个仍旧需要研究的课题。本文比较全面的分析了OFDM的同步技术，并对几种主要的同步技术实现方法进行重点介绍。

目录：

目    录
1绪论 1
1.1 OFDM技术的发展 1
1.2 OFDM的主要优缺点 2
1.3课题的研究和意义 3
2 OFDM系统的基本原理 5
2.1 OFDM原理简介 5
2.1.1 0FDM正交调制解调框图 6
2.1.2使用快速傅立叶变换调制解调 7
2.1.3循环前缀 8
2.2 OFDM关键技术 11
3 OFDM同步分析 13
3.1同步的重要性 13
3.1.1引言 13
3.1.2 OFDM同步技术的概况 13
3.2 OFDM系统同步的实现 15
3.2.1最大似然估计频率偏移估计算法 16
3.2.2基于导频符号和循环前缀的最大似然定时估计 17
3.2.3利用循环前缀实现符号定界的同步 20
3.3小结 26
4 OFDM系统仿真 28
4.1 OFDM系统仿真的设计 28
4.1.1信源发生器的设计 28
4.1.2 QPSK的调制和解调 28
4.1.3插入和去除循环前缀 30
4.1.4 FFT/IFFT 30
4.1.5串/并/串转换 30
4.2仿真过程 30
4.3仿真结果与分析 35
总 结 38
致谢 39
参考文献 40
附录 41

部分内容：

2 OFDM系统的基本原理
2.1 OFDM原理简介
OFDM是一种特殊的多载波传送方案，单个用户的信息流被串并变换为多个低速率码流，每个码流都用一条载波发送。OFDM 弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式，改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形，因此我们说，OFDM既可以当作调制技术，也可以当作复用技术。OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用，但在多载波系统中，只会有一小部分载波受影响。纠错码的应用可以帮助其恢复一些易错载波上的信息。
在传统的并行通信系统中，整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道，每个子信道被一个独立的信源符号调制，即N个子信道被频分复用。这种做法，虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲频带利用率为代价，这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。上个世纪中期，人们又提出了频带混叠的子信道方案，信息速率为a，并且每个信道之间距离也为a Hz，这样可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错，同时可以充分利用信道带宽，节省了50%。为了减少各个子信道间的干扰，我们希望各个载波间正交。这种“正交”表示的是载波的频率间精确的数学关系。如前所述，传统的频分复用的载波频率之间有一定的保护间隔，通过滤波器接收所需信息。在这样的接收机下，保护频带分隔不同载波频率，这样就使频谱的利用率低[2]。
OFDM不存在这个缺点，它允许各载波间频率互相混叠，采用了基于载波频率正交的FFT调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波的正交。尽管还是频分复用，但己与过去的FDMA有了很大的不同：不再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是OFDM有别于其他系统的优点之一。OFDM的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波由于与所积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响。OFDM 的高数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目就能提高数据的传送速率。OFDM每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性，大多数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户，OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。
2.1.1 0FDM正交调制解调框图

3 OFDM同步分析
3.1同步的重要性
3.1.1引言
在单载波系统中，载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的幅度衰减和相位旋转，这可以通过均衡等方法加以克服。而对于多载波系统来说，载波频率的偏移会产生干扰。OFDM系统内存在多个正交子载波，其输出信号是多个子信道信号的叠加，由于子信道相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。
多载波调制和其它数字通信调制一样，需要可靠的同步技术。N个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此对时间的偏差并不敏感。换句话说，在单载波调制系统中它并不影响发送波形的正交性。对移动无线通信系统来说，无线信道存在时变性，在传输系统中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机与接收机载波频率之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致ICI。因此如何减少ICI对系统性能的影响，是OFDM系统得到广泛应用的前提条件之一。频率偏差对OFDM系统设计非常的不利，在系统设计中起着很重要的作用。另外，消除相位噪声在无线OFDM系统中也是一个很难解决的问题。
3.1.2 OFDM同步技术的概况
OFDM系统的同步技术分为时间同步和载波频率同步。
由于发送端和接收端的载波频率存在偏差，每一个在时间t的信号样本都包含未知的相位因子 ，其中 是未知的载波频率偏差。为了不破坏子载波之间的正交性，在接收端进行FFT变换之前，必须对这个未知的相位因子进行估计和补偿。
（1） 定时恢复概述
定时恢复可以进一步分为OFDM块同步和采样时钟同步。OFDM系统的定时恢复与单载波系统的定时恢复不同，单载波系统的定时恢复是找到眼图张开最大时刻为最佳抽样时刻。OFDM块沿时间轴顺序到来，OFDM块是由循环前缀和有用信息组成，因此OFDM块同步就是要确定OFDM块有用数据信息的开始时刻也可以叫做确定FFT窗的开始时刻。
采样时钟同步主要是接收机和发射机的采样时钟频率保持一致，采样时钟频率偏差将导致ICI，采样时钟频率偏差还将影响同步，但可以假设采样时钟同步是理想的，一般研究定时恢复算法都基于此假设，这有助于简化问题而把更多的注意力放到核心算法上。定时的偏移会引起子载波相位的旋转，而且相位旋转角度与子载波的频率有关，频率越高，相位旋转角度越大，这可以用傅立叶变换的性质来解释：在时域的偏移对应于频域的相位旋转。如果定时的偏移量与最大时延扩展的长度之和仍小于循环前缀的长度，对此子载波之间的正交性仍然成立，没有ISI和ICI，对解调出来的数据信息符号的影响只是一个相位的旋转。如果定时的偏移量与最大时延扩展的长度之和大于循环前缀的长度，这时一部分数据信息丢失了，而且最为严重的是子载波之间的正交性破坏了，由此带来了ISI和ICI，这是影响系统性能的关键问题之一。从定时恢复的过程来看，一般分为粗同步（捕获）和细同步（跟踪），定时恢复是先做粗同步，后做细同步。
（2） 频偏估计概述
频率偏移估计，简称频偏估计。频率偏移是由收发设备的本地载频之间的偏差、信道的多普勒频移引起的，由子载波间隔的整数倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移构成。子载波间隔的整数倍不会引起ICI，抽样点仍在顶点，如图3-17所示，破坏了子载波之间的正交性由此引起了ICI，Moose[7]给出了ICI和AWGN情况下有效SNR的下界。