通信原理之OFDM读书笔记

关于OFDM的读书报告

班级：电信1101 姓名：邢兴荣

学号：3110503021

目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，然而基于支持话音业务的电

路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要,但是对于高速数

据业务来说，单载波TDMA（Time Division Multiple Access）系统和窄带CDMA

系统中都存在很大的缺陷。由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号

宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较严重的符号间干扰（ISI：Inter-Symbol

Interference），因此对单载波TDMA系统中使用的均衡器提出非常高的要求，即

抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，而均衡算法的复杂

度也会大大增加。对于窄带CDMA来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据

流之间的矛盾。保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能太

高，这样就大大限制了CDMA系统噪声平均的优点，从而使得系统的软容量受

到一定的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应的提高带宽。此外，

CDMA系统内的一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系

统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进行探测，然后再返回功率控

制命令会导致较大的时延，因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率

控制问题也存在缺陷。

因此，人们开始关注正交频分复用（OFDM）系统，希望通过这种方法来解

决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以满足带宽要求更高的多种多媒

体业务和更快的网络浏览速度。

正交频分复用(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的提出

已有近40年的历史，第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。

但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。经过

多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。近年来，由

于DSP（digital signal processing）技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对

抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。OFDM技术已经成功地应用于数字音

频广播（DAB）、高清晰度电视HDTV（High-definition Television）、无线局域网

WLAN（Wireless Local Area Network），它在移动通信中的运用也是大势所趋。

1999年IEEE802．11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技

术被采用并作为它的物理层标准。

OFDM基本技术原理

在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道

（载波）。载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之

后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率

为代价。而且当子信道数量很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置

就成了几乎不可能的事情。

上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交

的载波频率作子载波，也就是我们所说的OFDM。这种“正交”表示的是载波频

率间精确的数学关系。按照这种设想，OFDM既能充分利用信道带宽，也可以避

免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案，单个

用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发送。

OFDM不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换（FFT）来选用那

些即便混叠也能够保持正交的波形。

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。

OFDM是一种高速数据传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成

多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展

了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落等恶劣传输条件的性能。传统的频分复用

方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接受滤波

器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时，为了减小各个子载波间的相

互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利用率。

而现代OFDM系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号

处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率，使各子载

波上的频谱相互重叠（如图1所示），但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，

从而保证接收端能够不失真地复原信号。 当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为解决这个问题，在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展得 到的。只要多径时延超过保护间隔，子载波间的正交 性就不会被破坏。 OFDM的 算法理论与基本系统结构 由上面的原理分析可知，若要实现OFDM，

需要利用一组正交的信号作为子载波。

我 们再以码元周期为T的不归零方波作为基 图1.正交频分复用想信号

带码型，经调制器调制后送入信道传输。 OFDM调制器如图2所示。

要发送的串行二进制数据经过

数据编码器形成了M个复数序

列，此复数序列经过串并变换

器变换后得到码元周期为T的

M路并行码，码型选用不归零

方波。用这M路并行码调制M

个子载波来实现频分复用。在

接收端也是由这样一组正交信

号在一个码元周期内分别与发

送信号进行相关运算实现解调，恢复出原始信号。 图2 OFDM调制器 OFDM采用四种调制方式，分别为BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。调制方式的选择根据SIGNAL中的RATE及速率来决定。6Mbits和9Mbits用BPSK, 12Mbits和18Mbits用QPSK, 24Mbits和36Mbits用16QAM, 48Mbits和54Mbits用64QAM。 OFDM解调器如图3所示。

图3 OFDM解调器

近年来，OFDM技术已经备受关注，其原因在于OFDM技术有以下优点：

①把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相

对增加，从而有效的减少无线信道的时间弥散所带来的ISI，这样就减小了接收

机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅通过采用插入循环前缀

的方法消除ISI的不利影响。

②传统的频分多路传输方法，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行

数据流，子信道之间要保留足够的保护频带。而OFDM系统由于各个子载波之间

存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM

系统可以最大限度的利用频谱资源。当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋

于2波特/Hz。

③各个子信道中的正交调制和解调可以通过采用IDFT和DFT的方法来实现。

对于N很大的系统中，可以通过采用快速傅立叶(FFT)来实现。而随着大规模集

成电路技术与DSP技术的发展，IFFT与FFT都是非常容易实现的。

④无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要大于上行

链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，OFDM系统

可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

⑤OFDM可以容易的与其他多种接入方法结合使用，构成OFDMA系统，其中包

括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可

以同时利用OFDM技术进行信息的传输。

但是OFDM系统内由于存在有多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子

信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点：

①易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正

交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号的

频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使OFDM系

统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰（ICI）,这种对频

率偏差的敏感是OFDM系统的主要缺点之一。

②存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠

加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高

于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比（PAPR：Peak-to-Average

power Ratio）。这就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，可能带来信号

畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生

干扰，使系统的性能恶化。

OFDM由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们

对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领

域将越来越得到广泛的应用。 随着DSP芯片技术的发展，傅立叶变换／反变换、

采用64／128／256QAM的高速Modem技术、格状编码技术、软判决技术、信道自

适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集

中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计第三代以后的移

动通信的主流技术将是OFDM技术。

参考文献

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