OFDM的基本概述.pdf

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OFDMOFDM技技术术论论文文第1页11前言前言正交频分复用是一种把高速率的串行数据通过频分复用来实现并行传输的多载波传输技术。

其思想在1966年由R.W.Chang提出，但由于当时使用模拟滤波器实现起来的系统复杂度较高，所以一直没有发展起来；1971年，Weistein和Ebert提出了用离散傅立叶变换来实现多载波调制，人们开始研究多载波并行传输系统的数字化实现方法，将离散傅立叶变换运用到OFDM的调制解调中，大大简化了多载波技术的实现，为OFDM的实用化奠定了基础，但由于当时的数字信号处理技术的限制，OFDM技术并没有得到广泛应用；80年代，人们对多载波调制技术在数字移动通信领域中的应用有了较为深入的研究，L.J.Cimini首先分析了OFDM在移动通信中应用中存在的问题和解决方法，从此以后OFDM在无线移动通信领域中的应用得到了迅猛的发展；近年来，由于数字信号处理技术和大规模集成电路的飞速发展，使得当载波数目高达几千时也可以通过专用芯片来实现其离散傅立叶变换，大大推动了OFDM技术在无线通信环境中的实用化，OFDM技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注。

国际电工电子工程学会的IEEE802.11和欧洲电信标准协会的HiperLAN2两大无线局域网标准将正交频分复用作为其物理层关键技术，第四代移动通信系统也将正交频分复用作为其核心技术。

本论文以正交频分复用的基本原理作为依据，在其基础利用ProtelDXP2004进行其调制解调电路的设计；利用MATLAB进行其性能的仿真与分析；利用FPGAIPCore完成FFT的实现。

全文分为七个部分：

第一部分进行OFDM的基本原理简绍；第二部分利用快速傅里叶变换与快速傅里叶逆变换搭建数学模型进行OFDM的数学分析；第三部分对OFDM调制解调系统中的关键技术进行分析与讨论；第四部分在IEEE802.11a物理层参数的基础上进行OFDM系统的参数设计；第五部分利用ProtelDXP2004进行其调制解调电路的设计，采用的是FPGA+DUC/DDC方案；第六部分利用MATLAB进行OFDM调制解调器性能的仿真与分析；第七部分利用FPGAIPCore完成FFT的实现。

OFDMOFDM技技术术论论文文第2页22OFDMOFDM（正交频分复用）的基本原理（正交频分复用）的基本原理2.12.1OFDMOFDM（正交频分复用）的引入（正交频分复用）的引入移动通信中最难克服的是快衰落所引起的时变特性。

快衰落即移动台附近的散射体（地形，建筑物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相互叠加，造成接收信号快速起伏的现象。

主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化。

如图2.1所示。

图2.1快衰落根据其现象、原理和成因分为三大类：

（1）空间选择性衰落：

是指不同的地点、不同的传输路径衰落特性不一样，它是由于开放型移动无线信道使天线的波束角度产生了扩散以及到达角的起伏所引起的衰落。

如图2.2所示。

OFDMOFDM技技术术论论文文第3页图2.2

（2）频率选择性衰落：

是指在不同的频段上衰落特性不一样，它是由于信道在时域上的时延扩散（时域多径效应）而引起在频域上的选择性衰落。

如图2.3所示。

图2.3（3）时间选择性衰落：

是指在不同的时间上衰落特性不一样，它是由于用户的高速移动在频域引起了多普勒频移，在相应的时域上其波形产生了时间选择性衰落。

如图2.4所示。

OFDMOFDM技技术术论论文文第4页图2.4综上，在多径传播环境下，由于空间、时间、频率等因素，会使所传输的信号产生选择性衰落。

面对恶劣的移动环境和频谱的短缺，需要设计抗衰落性能良好和频带利用率相对较高的信道。

在一般的串行数据系统中，每个数据符号都完全占用信道的可用带宽。

由于多径衰落的突发性，一连几个比特往往在信号衰落期间被完全破坏而失去，这是十分严重的问题。

采用并行系统可以减少串行传输所遇到的上述问题。

这种系统把整个可用信道频带B划分为N个带宽为F的子信道。

把N个串行码元变换成N个并行的码元，分别调制这N个子信道载波进行同步传输，在这样的系统中各个子信道的频谱不重叠，且相邻的子信道之间有足够的保护间隔以便于接收机用滤波器把这些子信道分离出来，这就是频分复用。

如图2.5（a）所示。

通常f很窄，若子信道的码元速率fTs1,则各子信道可以看做是平坦性衰落的信道，从而避免严重的码间串扰。

另外，若频谱允许重叠，则还可以节省带宽而获得更高的频带效率,这就是正交频分复用。

如图2.5（b）所示。

图2.5OFDMOFDM技技术术论论文文第5页2.22.2OFDMOFDM（正交频分复用）的（正交频分复用）的基本基本概述概述OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用。

本部分主要包括OFDM的基本思想、基本条件、基本结构和基本处理模式。

OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）正交频分复用的基本思想有以下三点：

（1）将整个用于传输信号的频带总带宽B划分成N个带宽为f的子频带（或子信道）。

（2）将高速串行数据信号转换成N路并行的低速子数据流（或子信号）。

在串行通信系统中，数据符号连续串行传输，每个数据符号占用所有可用频带。

在并行通信系统中，由于整个信道带宽被分割成多个窄带子频带，单个数据只占用整个频带的一部分。

以8个数据信号为例，如图2.6所示。

图2.6（3）用这N路并行的低速子数据流（或子信号）分别调制N路相互正交的子载波并在N个带宽为f的子频带（或子信道）中进行同步传输。

OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）正交频分复用的基本条件有以下两点：

（1）所有子载波的时域表达式具有正交性，即任何两子载波之间是两两正交的，它们在周期内积分为0，它们的时域表达式组成一个正交函数集。

如图2.7所示。

时域正交函数集：

ftttZnnftn1,2sin00

（2）所有子载波的频域表达式具有正交性，即子载波与子载波之间在频谱相互叠OFDMOFDM技技术术论论文文第6页交的时候无相互干扰，所有子载波的频域表达式对于带限信号（即带宽有限的信号）是一个完备正交函数集。

如图2.8所示。

频域完备正交函数集：

，-t,sincZnTt-nT图2.7OFDMOFDM技技术术论论文文第7页图2.8OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）正交频分复用的基本结构包括发送端模块和接收端模块两大部分。

发送端结构如图2.9所示，接收端结构如图2.10所示。

图2.9发送端结构图OFDMOFDM技技术术论论文文第8页图2.10接收端结构图由以上的OFDM发送端模型和接收端模型图可以看出：

在发送端，需传送的二进制数据信息首先进行信道编码、交织和数字基带调制后形成调制信息，然后插入导频，串并转换后加入子载波，用IFFT进行OFDM调制、并串转换后插入循环前缀并加窗；产生的时域信号经成形滤波器、数模（D/A）转换，并由射频单元通过信道发送出去，信道为加性高斯白噪声信道（AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN）。

在接收端，首先进行下变频、模数（A/D）转换和低通滤波操作；然后在定时和频率同步的前提下，去除循环前缀、串并转换后，用FFT变换分解出频域信号；然后进行并串转换，在信道估计和信道补偿的同时，去除导频，信道估计器和信道均衡器分别对信道衰落进行估计和补偿；接着对均衡后的信号进行相应的数字解调、解交织和信道译码操作，以恢复出原始的信息序列。

本部分在OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）正交频分复用基本思想、基本条件和基本结构的基础上，给出其处理模型图并总结其优缺点。

OFDM（正交频分复用）的处理模型如图2.11所示。

OFDMOFDM技技术术论论文文第9页图2.11OFDM（正交频分复用）处理模型OFDM（正交频分复用）的优缺点如表2.1所示。

表2.1OFDM（正交频分复用）的优缺点优点1.频谱效率高（子载波之间相互重叠，节省了频谱资源）2.抗抗多径衰落能力强（将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度）3.传输数据速率高（并行传输数据）4.带宽扩展性强（信号带宽取决于使用的子载波的数量）5.频谱资源灵活分配（灵活选择适合的子载波进行传输，实现动态频域资源分配）缺点1.对系统定时和频率偏移敏感（容易引起ISI和ICI）2.存在较高的峰值平均功率比（PARR）3.所需线性范围宽（对放大器的线性范围要求更高）OFDMOFDM技技术术论论文文第10页33OFDMOFDM（正交频分复用）的数学分析（正交频分复用）的数学分析建立OFDM（正交频分复用）的数学模型，如图3.1所示。

图3.1OFDM（正交频分复用）的数学模型在发送端，假设串行码元的速率为aR，码元周期（即持续时间）为a1RTa。

经过串并转换后N个串行码元被转换为速率为NRa，码元周期（即持续时间）为aRNTNa的并行码元。

N个码元分别调制N个子载波：

fffn0（其中1,21,0n,n，）（式21）式中，f为子载波之间的频率间隔，设置aTNf1（式22）f是OFDM系统的重要参数之一，当ff0（即aTNf10）时，各子载波之间是两两正交的，即不同子载波之间在aTN，0内积分值为0。

把N个并行支路的已调子载波信号相加，便得到OFDM的实际发射信号：

10）2exp（）（）（xNKktfjkXt（式23）OFDM发送端数学处理过程如图3.2所示。

OFDMOFDM技技术术论论文文第11页图3.2OFDM（正交频分复用）发送端数学处理过程OFDM发送端波形处理过程如图3.3所示。

OFDMOFDM技技术术论论文文第12页图3.3一个OFDM已调符号包括多个经过调制的子载波。

由式23可得，从sTt开始的一个OFDM已调符号表达式：

102expx（k）ReNkskTtfjx（t）Tt（TssT（式24）式中，Re表示取实部，exp表示以自然常数e为底的指数函数，sT表示OFDM符号的持续时间（周期），）（1,2,1,0）（NkkX表示第k个子载波的加权符号，kf为第k个子载波的载波频率。

一旦将要传输的比特分配到子载波上，某一种调制模式（如相移键控或者正交幅度调制）就将它们映射为子载波的幅度和相位。

通常采用复等效基带信号来描述OFDM的输出信号，其复等效基带信号为OFDMOFDM技技术术论论文文第13页s10T-t2exp）k（xTkj（t）XNicTTtTss（式25）其中，）（tXc的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相（Inphase）和正交（Quadraturephase）分量，在实际中可以分别和子载波的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。

在接收端，将接收到的同相和正交分量映射回数据消息，完成子载波的解调。

在接收端，接收的信号同时进入N个并联支路，分别于N个子载波相乘和积分（相干解调）便可以恢复各并行支路的数据。

接下来接收端的数学分析。

前面讨论了OFDM发送端的发射信号）（tx，假设接收端接送到的信号为）（ty