OFDM原理

puma0421

转载《正交频分复用OFDM技术的研究》
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种令人感兴趣的多载波调制方式，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。对这些子信道可以采用纠错码来进行纠错。
在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到子信道中，并且频带没有重叠，但是其最大的缺点是频谱利用率很低，造成频谱浪费。所以，人们提出了频谱可以重叠的多载波系统。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。
设基带调制信号的带宽为W，码元调制速率为R，码元周期为，且信道的最大迟延扩展 。OFDM的原理是将原信号分割为N个子信号，分割后码元速率为R/N、周期为，然后用N个子信号去分别调制N个相互正交的子载波。
当调制信号通过陆地无线信道到达接收端时，由于子信道的划分受到频率偏移敏感性的影响不能使，因此子信道仍然存在多径效应。由于多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再能够保持良好的正交状态。因而发送前就在码元间插入保护时间间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，因而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为了减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高的问题。
OFDM调制信号可以表示为：
        （2.9）
这里d(n)为第n个调制码元，TS为码元周期，T为码元周期加保护时间(T=TS+),各子载波的频率满足下列关系：
                (2.10)
载波的基本单元信号为：
                (2.11)
故这些基本的单元信号满足正交性：
  (2.12)
OFDM系统的调制解调原理示意图如图2-4所示。OFDM的频谱图见图2-5


图 2-4  OFDM的原理图

图 2-5  OFDM频谱示意图

图中左边的串/并单元读取一帧信号所需的串行数据流bit，分为组分别进行QAM映射，其中第组包含bit的码元，且满足：
                  （2.13）
这里表示传输中实际使用的子载波数量。bit的码元为映射第个子信道的调制矢量符号即,。信道中如果有较高的信噪比，可采用如16-QAM，64-QAM，如果信噪比较低，则可使用BPSK映射调制。
在接收端， 输入信号分成N个支路，分别用各子载波混频和积分，恢复出子载波上调制的信号，再经过并串变换和常规QAM解调就可以恢复出数据。由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效地分离各个子信道，如下式所示：
          （2.14）
在常规的频分复用系统中，为了避免相临频道间频谱的混叠，通常在频道间加入保护间隔。这种方式的信道利用率较低。而OFDM技术则将整个频带分成多个正交的子信道，各子信道频谱相互交叠，从而增加了频谱利用率，但在每个子信道载频的位置上，来自其他子信道的干扰为零，如图2.6所示。

图 2-6  OFDM与FDM频谱比较示意图
由图中可以看到，在频域每一个子带的频谱与其他的子带频谱相交迭，从而增加了频谱利用率。在接收端，通过FFT可以将所有的子带分开，从而达到通信的目的。