基于OFDM的無線移動通信
來源:21IC電子網
摘要: 通過一些通俗易懂的圖形,對正交頻分復用(OFDM)的基本原理及其在移動通信中的應用進行了闡述。首先從高的頻譜利用率和抗多徑衰落出發,先對OFDM優點的基本原理進行了闡述,然后分析了循環前綴對時間彌散信道所帶來的ISI和ICI的消除。最后,對OFDM的缺點進行了說明。
Abstract:
Key words :
帶寬在移動通信中是稀缺的資源,所以必須采用先進的技術有效利用頻率資源,同時要克服在無線信道下的多徑衰落,降低噪聲和多徑干擾,正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivision Multiplex,OFDM)是目前非常被看好的一種技術。他是一種高效并行多載波傳輸技術,將所傳送的高速串行數據分解并調制到多個并行的正交子信道中,從而使每個子信道的碼元寬度大于信道時延擴展,再通過加入循環擴展,保證系統不受多徑干擾引起的碼間干擾(ISI)的影響。他可以有效對抗多徑傳播。
1多載波傳輸
1.1多載波基本原理
多載波就是把傳輸的帶寬分成許多窄帶子載波來并行傳輸,多載波可以在有限的無線傳播帶寬中獲得更高的傳輸速率。多載波和單載波的差別如圖1所示。
1.1多載波基本原理
多載波就是把傳輸的帶寬分成許多窄帶子載波來并行傳輸,多載波可以在有限的無線傳播帶寬中獲得更高的傳輸速率。多載波和單載波的差別如圖1所示。

比如要在無線環境中用BPSK調制信號,使數據速率達到10Mb/s,最大傳輸時延為5μs,則帶寬為5MHz。若用單載波實現,則符號周期Tsymb,SC=0.2 μs,τmax=25Tsymb,SC,也就是符號間干擾會持續25個符號。而如果用128個子載波的多載波來實現,每個符號的持續時間就是單載波的N(128)倍,τmax=0.039NTsymb,SC(NTsymb,SC為多載波時的符號周期),可見符號間干擾(ISI)減少了許多。
1.2正交子載波
子載波間正交可以使載波間交疊而彼此間又不會因交疊失真。因此用正交子載波技術可以節省寶貴的頻率資源,如圖2,圖3所示。


在接收端,對OFDM符號進行解調的過程中,需要計算這些點上所對應的每個子載波頻率的最大值,因為在每個子載波頻率最大值處,所有其他子載波的頻譜值恰好為0(圖4為6個子載波的情況),所以可以從多個相互重疊的子信道符號中提取每一個子信道符號,而不會受到其他子信道的干擾(假設有精確的同步)。

2.2循環擴展
因為每個OFDM符號中都包括所有的非零子載波信號,而且也同時出現該OFDM符號的時延信號,所以無線信道間的符號間會存在干擾,如圖5所示。

在系統帶寬和數據傳輸速率給定的情況下,OFDM信號的符號速率遠遠低于單載波的傳輸模式,正因為這種低符號速率使OFDM系統可以自然抵抗多徑傳播導致ISI,另外,通過在每個符號的起始位置增加保護間隔可以進一步抵制ISI,還可以減少在接收端的定時偏移錯誤,如圖6所示。

2.3OFDM系統
圖7為傳統的OFDM發射接收系統。發送端將被傳輸的數字信號轉換成子載波幅度和相位的映射,并進行離散傅里葉反變換(IDFT)將數據的頻譜表達式變到時域上,接收端進行與發送端相反的操作,子載波的幅度和相位被采集出來并轉換回數字信號。

2.4OFDM的缺點
(1)OFDM對系統定時和頻率偏移敏感
定時偏差會引起子載波相位的旋轉,如圖8所示,而且相位旋轉角度與子載波的頻率有關,頻率越高,旋轉角度越大,如果定時的偏移量與最大時延擴展的長度之和仍小于循環前綴的長度,此時子載波之間的正交性仍然成立,沒有ISI和ICI(信道間干擾),對解調出來的數據信息符號的影響只是一個相位的旋轉。如果定時的偏移量與最大時延擴展的長度之和大于循環前綴的長度,這時一部分數據信息丟失了,而且最為嚴重的是子載波之間的正交性破壞了,由此帶來了ISI和ICI,這是影響系統性能的關鍵問題之一。

頻率偏差是由收發設備的本地載頻之間的偏差、信道的多普勒頻移等引起的,由子載波間隔的整數倍和子載波間隔的小數倍偏移構成。子載波間隔整數倍不會引起ICI,但是解調出來的信息符號的錯誤率為50%,子載波間隔的小數倍的偏移由于抽樣點不在頂點,如圖9所示,破壞了子載波之間的正交性由此引起了ICI。

(2)存在較高的峰值平均功率比
多載波系統的輸出是多個子信道信號的疊加,因此如果多個信號相位一致時,所得的疊加信號的瞬時功率會遠遠高于信號的平均功率,如圖10所示。因此可能帶來信號畸變,使信號的頻譜發生變化,子信道間正交性遭到破壞,產生干擾。

3結語
OFDM技術以其抗多徑衰落、高的頻譜利用率等諸多優勢成為人們研究的熱點,并有希望成為第4代移動通信的關鍵技術。但OFDM存在兩個致命缺點成為OFDM應用于移動通信的障礙,目前,許多科研工作者正致力于此,OFDM技術也正逐步成熟起來。
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