61. 什么是正交频分复用(OFDM)?
正交频分复用调制 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM) 是一种多载波
调制技术,其子载波之间保持正交性,有重叠。由于 OFDM 系统中的载波数量常达几百, 所
以在实际应用中不可能象传统的 FDM 系统中那样, 使用 N 个振荡器和锁相环阵列进行
相干解调。直到S.B.Weinstein 提出了一种用离散付立叶变换 DFT实现 OFDM 的方法,简
化了系统实现,才使得OFDM技术实用化。
S.B.Weinstein 的核心思想是将通常在通带实现的正交频分复用信号 OFDM 转化为在
基带实现,先得到 OFDM 的等效基带信号,再乘以一个载波将等效基带信号搬移到所需的
频带上。
在过去的几十年中,OFDM 作为高速数据通信的调制方法,在数字音频广播(Digital
Audio Broadcasting,DAB)、地面数字视频广播(Terrestial Digital Video Broadcasting,
DVB-T)、无线局域网802.11 和802.16、非对称数字用户环ADSL 和甚高速数字用户环 VDSL
等方面得到实际的应用。
OFDM 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道
上使用一个子载波进行调制,而且各子载波并行传输。这样就可以把宽带变成窄带,解决频
率选择性衰落问题。
在传统的频分复用 FDM 传输系统中,各个频带没有重叠,频谱利用率低。但OFDM
的各个子载波是相互正交的,子载波间有部分重叠,所以它比传统的FDMA 提高了频带利用率。
62. OFDM 原理是什么 ?
OFDM 的概念诞生于二十世纪五六十年代。上图是基本的OFDM 系统,在发射端,高
速串行基带码流经过并/串变换成为N 路并行的低速信号,然后分别用N 个子载波进行调
制。基带码流可以是实数或复数,也就是说,每一路子载波可以采用PAM、QPSK 或MQAM
等数字调制方式,不同的子载波采用的调制方式也可以不同。
假设每一路并行信号的符号周期为Ts,那么就令子载波间隔 Δf = 1/T5 。不失一般性,
我们可以把子载波表示为复数形式:
63. 如何用 DFT 实现 OFDM 调制 ?
在 OFDM 系统中,对每一路子载波都要配备一套完整的调制解调器,在子载波数量N
较大时,系统的复杂度将无法接收。1971 年,Weinstein 等人将离散傅里叶变换 (DFT) 应用
于OFDM,圆满地解决了这个问题。
如果把f0 看作调制信号的唯一载波,那么发射机的输出信号D(t) 的复包络可以表示
为:
因此,OFDM 系统可以用上图所示的等效形式来实现。其核心思想是将通常在载频实
现的频分复用过程转化为一个基带的数字预处理,在实用中,DFT 的实现一般可运用快速
傅里叶变换算法(FFT)。经过这种转化,OFDM 系统在射频部分仍可采用传统的单载波模式,
避免了子载波间的交调干扰和多路载波同步等复杂问题,在保持多载波优点的同时,使系统
结构大大简化。同时,在接收端便于利用数字信号处理算法完成数据恢复,这是当前数字通
信接收机发展的必然趋势。
64. 为什么OFDM 保护间隔能抗多径干扰 ?
OFDM 子载波上的符号周期比单载波调制扩大了N 倍,但是仍然不能完全消除多径衰
落的影响。在多载波系统中,多径回波不仅使同一载波的前后相邻符号互相叠加,造成符号
间干扰 (ISI),还会破坏子载波间的正交性,造成载波间串扰 (Inter-Carrier Interference, ICI)。
这是因为多径回波使子载波的幅度和/或相位在一个积分周期s T 内发生了变化,以至接收信
号中来自其它载波的分量在积分以后不再为0 了。解决这一问题的方法是在每个符号周期上
增加一段保护间隔时间Δ (Guard Interval)。此时实际的符号传输周期为′ = + Δ s s T T 。如下图
所示,如果保护间隔大于信道冲激响应的持续时间(即多径回波的最大延时),那么根据卷积
的性质可知,前一符号的多径延时完全被保护间隔吸收,不会波及到当前符号的有用信号周
期s T 内。在接收端只需仍在有用信号周期s T 内进行积分就可以了。
对于OFDM 系统的DFT 实现形式来说,上述方法等效于在发射端N 个IDFT 样点(称
为一个OFDM 周期或OFDM 符号) 前增加M 个样点的保护间隔,这M 个样点通常采用
OFDM 周期的循环扩展。在接收端首先要去除保护间隔,再对N 点有用信号进行DFT 变换。
式中第一项为所需信号, 第二项为载波间的干扰 (ICI),第三项为OFDM 周期间的干扰(包括
同一子载波的ISI 和不同子载波的串扰), 最后一项为随机噪声。由此式可见,时延小于保护
间隔Δ的M1个回波只决定判决结果的复系数,并不会对判决结果产生破坏。当所有回波都
落在保护间隔之内时,上式简化为:
65. OFDM 的频域特性如何 ?
在实际系统中,OFDM 的子载波数N 通常很大。而发射信号作为N 个独立的子载波信
号的线性叠加,根据大数定理,其时域统计特性应接近于高斯分布。从频域来看,由N 个
功率谱包络为sin c 函数的子载波叠加构成的OFDM 信号功率谱近似为规则矩形,在不经过
滤波器的情况下其边沿已非常陡峭,类似于限带高斯白噪声的频谱。如果在每个子载波上采
用M 进制调制,则理想OFDM 信号总的频谱效率约为log2M bit/s/Hz,达到了“理论最高
频谱效率”。而单载波系统由于受滤波器实现的限制,实际最高频谱效率仅为理论值的
80%~90%。
66. 如何选择OFDM 子载波数量 N ?
与冗余码元一样,保护间隔的引入必然会降低实际系统的频谱效率。对于一个确定延时
的多径信道,系统的实际频谱效率为
因此,为了在保持信息速率的前提下提高系统的频谱效率,就必须增加Ts ,也就是增加子
载波的数量N 。
但是,子载波数量也不是越多越好。除DFT 计算复杂度和硬件消耗会随N 值增加而迅
速上升外,还因为限带系统的子载波间隔与N 值成反比;子载波间隔越小,对时间选择性
衰落和多普勒效应造成的频谱扩展以及载波相位噪声越敏感,越容易失去正交性。因此在工
程应用中,需要在这一对矛盾间折衷考虑。
此外,我们选择的N 值还应该能够分解成小基数的乘积,以便采用FFT 蝶形算法。
目前在地面数字电视广播系统中,子载波数量一般为 2K、4K 或8K。至于具体选择哪
一种参数,除了上述因素外,还要考虑移动性、网络规划灵活性等。
在移动性能方面,在 2K 模式下提供非常好的移动性能,明显好于 8K 模式。在网络
规划方面,很大的地理区域只被单一频率覆盖从而构成单频率网络 (SFN) ,但 2K 模式的
符号持续时间和相应的保护间隔很短,这就使得网络设计者难于进行频率规划,阻碍了其在
这类环境中的使用。所以,2K 模式只适合于小型单频网(SFN),而8K 模式更适合于构成
一个大范围的 SFN。
4K 模式是在移动性能和网络规划灵活性方面一个很好的折中。欧洲 DVB-T 原来只有
2K 和 8K 模式,日本 ISDB-T 和欧洲后来的 DVB-H 在原来 2K 和 8K 的基础上增加了
4K 模式。清华大学 DMB-T 系统采用了 4K 模式,更好地兼顾移动和网络规划。
简而言之,子载波数目的选择不影响传播能力,但是要在可容忍的多普勒频移和最大回
波延迟之间折衷。
67. OFDM 调制有何优点 ?
???抗抗多径干è
??支支持移动接ê
??构构建单频í SF,,易于频率规划?
??陡陡峭(高效)的频谱,好的频谱掩模?
??便便于信道估计,易于实现频域均o
??灵灵活的频谱应ó
??有有效的实现技术,利ó FFT算算法用单载波调制实? OFD。?
??易易于实现天线分集o MIMO系系í
?? OFDM实实验室和场地测试表现良o
?? OFDM在在众多新制定的国际标准中得到采用,是未来宽带无线通信的主流技术?
68. OFDM调调制有何缺μ?£
£)£对对频率偏移和相位噪声敏?
这是一个接收机的实现问题,对ó OFDM调调制技术,需要更好的调谐器,以及更好μ
定时和频率恢复算法?
相位噪声的影响可以模型化为两部分:一是公共的旋转部分,它引起所ó OFDM载载2
的相位旋转,容易通过参考信号来跟踪。二是分散的部分,或者载波间干扰部分,它导致à
似噪声的载波星座点的散焦,补偿困难,将稍微降μ OFDM系系统的噪声门限?
£)£高高的峰均功率± PAPR
OFDM的μ PAP比比单载波? 2.5dB左左右,这意味着需要更大的发射机动态范围,?
者功率回退,以避免进入发射机的非线性区;需要更好的滤波,以减少邻频道干扰?
减é PAR是是研究热点之一,近年已提出了一些行之有效的技术,例如用非线性失真?
少峰值幅度,又不引? IS。。另外£OFDM调调制? PAPR的的缺点只影响数量少的发送端£
不影响数量巨大的接收用户。而且采用单频网时,由于发射机功率小£PA将将不是问题?
£)£插插入保护间隔降低了? 1%£的的传输有效码?
人们正在积极寻找方法克服此问题,例如清华大学地面数字电视传输系í DMB-T中?
就在保护间隔中插入á PN序序列,代ì OFDM常常用的循环前缀方式,用于系统定时、í步和信道估计均衡等?
69.什什么是峰值功率和平均值功率比(峰均功率±PAP))£
PAPR是是指发射机输出信号为非恒包络信号时,其峰值功率和平均值功率的比值。对μ
载波调制系统来说£PAPR值值主要由频谱成型滤波器的滚降系数决定。而对于多载波μOFDM
调制系统来说,由óOFDM信信号由一系列相互独立的调制载波合3,根根据中心极限定à,
OFDM的的时域信号?N比比较大时是很接近于高斯分布的统计概率。一般而?, N> 20时ê,分·
布就很接近高斯分布á,而而一般μOFDM系系统?, N都都可达几百以上。所ò,从从理论上讲£
OFDM信信号的峰值—平均值功率比的分布与高斯分布信号的是极为相似的?
多个子载波叠加的结果有时会出现较大的峰值?
决?OFDM信信号峰值—平均值功率比的因素有两?:一一是调制星座的大D,另另一个ê
并行载波ê。。调制星座越′,峰峰值—平均值功率比就可能越′,这这与串行传输方式时是?
同的?
较高μPAPR值值意味着发射机要有更好的线性范围,或采用更大功率的发射? 约?1.8
倍功?)以以适ó2.5dB的的“输出功率回退”?
70.哪哪些国际标准采纳á OFDM调调制方°?£
OFDM属属于能得到不断发展和提高的新技术,是未来宽带无线通信系统的主流技术£
在众多的国际标准中得到了采纳£OFDM已已经应用于£
??数数字用户环£xDS)£
??数数字音频广播£DA))和地面数字视频广播£DVB-T)
??蜂蜂窝无线网£IDE,,窄′ OFD)£
??无无线局域网£IEEE802.11a和o ETSI/BRAN HiperLAN/2)??固固定无线接入£IEEE802.16a)
OFDM也也将要应用于未来的第四代宽带移动通信中,例如目前提出的方案ó
Flash-OFD、?WOFD、、码分多? OFD等等?
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