OFDM的应用（精选12篇）

OFDM的应用 第1篇

现阶段的日常生活中,人们已经离不开通信手段,各个通信领域的广泛发展呈现出以下几种特点:其一,多媒体业务层出不穷;其二,用户的数量急剧上升[1,2]。从上述特点来看,新型移动通信系统需要有更高的配置来满足用户的基本需求,继而4G网络应运而生。4G网络在3G的基础上增加了不同介质下达到语音以及高清多媒体界面等业务,4G网络技术的出现使得人们的生活更为丰富多彩,但是与此同时4G技术也面临着宽带利用功率低以及多径衰落等困难,运用OFDM技术能够有效地解决上述问题,OFDM技术通过分解信道使得多径衰落信道逐渐走向平坦衰落信道。简而言之,OFDM技术是一种多载波数字调节技术,能够有效消除符号之间的干扰,对抗多径效应,在4G通信中发挥着重要作用。

1 OFDM技术基本原理

OFDM技术是一种无线信道高速数据传输基础,一方面属于复用技术,另外一方面又属于多载波技术。在传输环境较差的情况下都会使用到OFDM技术,主要原因是因为OFDM技术具有抵抗多种干扰的作用,就算是处于被外界信号干扰的情况下OFDM技术也能够发挥出其作用[3,4]。简而言之,OFDM技术基本流程为:通过发送数据流到符号映射到S/P转换到编码交织到导频插入到IFFT带插保护间隔到P/S变化到D/A转换到发送滤波器再到无线信道,通过无线信道传给接收滤波器再到A/D转换到S/P变换到去保护间隔到FFT到去导频到解编码交织到P/S变换到解符号映射到接收数据流。

2 4G通信技术的优缺点

2.1 4G通信技术的优点

4G技术是以3G技术为前提,摒弃3G技术不好的功能,对其进行深度的研究与开发,实现3G所不能够实现的速度,在高清下载方面以及数据传输方面等有了重大突破。另外,4G技术本身对传播介质网络有了更高的要求,相比起以往的网络信息通道更需要更宽的频率(达到100MHz),4G网络技术达到3G技术的20倍左右;4G通信技术的网络容量也开始发生巨大的变化,4G网络技术的传输通道容量是3G技术的10倍左右[5,6]。

4G通信技术中的无缝通信技术是最大的突破点,无缝通信技术的出现使得移动通信网络能够在不同的标准下进行衔接且没有任何障碍,有效弥补了3G网络的统一标准缺陷。4G通信网络技术的信息分配方式也能够符合不同渠道的通信条件,将实际紧密结合起来,使得通信技术能够分配得更加合理化。

2.2 4G通信技术的缺点

4G通信技术在发展高效传输数据的同时也带来一定程度的弊端,举例来说,通话的容量较小,不能高效满足人们的通话需求,因此只能利用OFDM技术来弥补此项缺陷。3G网络通信技术能够满足人们大量通话需求,因此4G网络技术仍然需要在通话容量方面加以深入研究,继而有效解决上述缺点,提供更为优质的通信服务。

2.3 4G通信技术安全目标

4G通信技术安全目标有以下几个:(1)可用性,保证网络和服务器不会被恶意破坏;(2)互相操作性,确保安全解决方案能够避免互相操作性问题;(3)易使用性,可以让用户能够更为安全地使用相关功能和服务;(4)灵活性,安全系机构必须非常灵活,继而能够适应自身的脆弱性以及不断变化的安全需求;(5)Qo S保证,类似与加密算法的安全解决方案能够满足Qo S显著以及语音需求等。

3 OFDM技术的优势

3.1 频谱利用率高

相比起常规的频分复用系统,OFDM系统就有更大的优势,主要表现在能够最大限度地利用资源,在各个子载波之间存在正交性,OFDM系统可以使得各个子载波的频谱互相重叠,也就是说当子载波数量达到最多时系统的频谱利用率最高,可以达到2BAUD/Hz。

3.2 抗多径能力强

OFDM技术能够将高速数据通过串并转换,使得每个子载波上的数据符号能够持续增加,有效降低各个子载波之间的符号速率,减轻ISI(符号间干扰)的干扰;与此同时,引入CP(循环前缀)、克服ICI(邻信道之间的干扰)、保持子载波正交性。基于此,接收机不需要采用时域均衡器,有效降低了设计复杂度。相比起3G网络,其技术核心以CDMA为对抗多径,需要复杂的均衡器,在实现过程中遇到的困难比较多。

3.3 抗频率选择性衰落能力强

OFDM技术将宽带信道转化成几个平坦的窄带子信道,每一个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每一个子信道生的频率选择性衰落可以被当作是平坦性衰落。利用OFDM技术可以自动提供频率分集,联合各个子载波编码,进一步增强深度衰落的子载波信息,将其进行正确恢复。

3.4 调制解调实现容易

通过FFT(快速傅里叶变换)、IFFT(快速傅里叶反变换)可以实现各个子信道之间的解调与调制,与此同时,采用FFT与IFFT能够在处理很多子载波数量时实现调制解调。目前,随着DSP技术以及大规模集成电路技术的发展,FFT与IFFT技术非常容易实现。另外,OFDM技术中的窄带干扰会影响到一小部分子信道,在一定程度上能够抵抗此种干扰。为了能够有效提高OFDM系统的传输速率,各个子载波可以选择频率极高的多进制调剂方式。OFDM技术中的主要优势能够满足4G的高速传输需求,因此也相应成为了4G通信中的核心技术。

3.5 OFDM系统支持非对称业务

无线数据业务中一般存在着非对称性,也就是说无线数据业务中的下行链路的数据传输量要大于上行链路中的数据传输量,通过使用不同的子信道,OFDM系统可以将下行链路与上行链路的不同传输速率有效实现,物理层需要支持非对称性业务。OFDM系统恰好可以满足上述相关要求,确保物理层支持非对称的高速率数据传输作用。

3.6 OFDM技术能够与多址方式结合使用

OFDM系统能够与以下多种多址方式相互结合使用:(1)OFDM-TDMA;(2)MIMO-OFDM;(3)MCCDMA。用户可以同时采用OFDM技术来有效实现信息高速率传输,使得通信质量能够有很大程度的提高。

4 OFDM技术在4G通信网络系统中的相关应用

4G又被称为是第4代移动通信系统,4G技术已经被广泛应用,相比起3G网络,4G更符合个人通信,目前来看,对4G网络通信技术达到以下共识:(1)最低数据传输速率达到2Mb/s,最高达到100Mb/s;(2)实现无缝漫游,与各种媒体以及各种同通信主机达到无缝连接;(3)高度智能化的网络,4G网络所使用的智能技术能够科学化以及自主化地分配好资源,处理不同信道环境下的业务以及容量,在操作方面具有更强大的应用;(4)实现不同的Q&S业务,4G通信系统通过动态调节带宽以及调节好发射功率所使用的不同类型业务,能够让用户在使用过程中获得自己所需要的信息,继而将信息系统以及个人通信有机结合起来,更为安全地向用户提供丰富多彩的应用与服务。

5 结束语

综上所述,为了达到4G网络技术的目标,相关技术人员需要对数据的传输、数据的接入以及网络的交换等各个环节进行创新突破,尤其是在频谱资源有限的环境下,工作人员的关注点都在如何提高且安全可靠地运行高速率数据传输问题上。因此,数据传输速率有可能受到一定程度的限制,倘若使用高于信道的带宽,那么信号的质量会有一定程度的下降,需要人们深入研究。

参考文献

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[5]黄敏,李兵兵.基于整体最小二乘的联合信道估计及OFDM信号检测算法[J].电子与信息学报,2014.

OFDM技术的基本原理 第2篇

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。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而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，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，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。

OFDM技术属于多载波调制(Multi-Car?rierModulation，MCM)技术。有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高;而MCM，可以是更多种信道划分方法。

OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换(IDFT/DFT)代替多载波调制和解调。

OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用，但在多载波的OFDM系统中，只会有一小部分载波受影响。此外，纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上的信息。通过合理地挑选子载波位置，可以使OFDM的频谱波形保持平坦，同时保证了各载波之间的正交。

OFDM尽管还是一种频分复用(FDM)，但已完全不同于过去的FDM。OFDM的接收机实际上是通过FFT实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响，

OFDM的数据传输速率也与子载波的数量有关。

OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。我们通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。无线多径信道的频率选择性衰落会使接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。OFDM技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK(频谱效率1bit/s/Hz)转化成16QAM-64QAM(频谱效率4～6bit/s/Hz)，整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的提高。自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必须包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。终端还要定期更新调制信息，这也会增加更多的开销比特。

OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式(如64QAM)，或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡。也就是说对于一个发射台，如果它有良好的信道，在发送功率保持不变的情况下，可使用较高的调制方案如64QAM;如果功率减小，调制方案也就可以相应降低，使用QPSK方式等。

自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和精确的了解，如果在差的信道上使用较强的调制方式，那么就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏。发送一个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。

什么是OFDM

OFDM的英文全称为Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing

OFDM技术的基本原理文含义为正交频分复用技术。这种技术是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

OFDM的应用 第3篇

关键词 OFDM 最大似然算法 定时估计 频偏估计

1 引 言

基于循环前缀的同步算法是利用OFDM符号循环冗余扩展的循环前缀携带的信息，利用它和符号尾端数据的天然的相关性，不需要额外的开销，避免了导频码或训练序列的同步估计带来的频率和功率资源的浪费。利用循环前缀的最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation，ML）算法是由Van de Beek等人提出的[1]。

2 OFDM同步技术

在OFDM无线通信系统中，在传输过程中，接收机存在两个不确定性：一是接收机与发射机内的振荡器频率会存在一定的偏差，无线衰落信道时变性造成载波频率的偏移和相位的跳变，最终会导致子载波间的干扰，正交性的破坏。二是OFDM符号到达时间的不确定性，也就是说接收机不知道什么时候收到的数据为发射机发射的数据。

2.1 同步技术分类

在OFDM通信系统中，同步问题包括频率同步和时间同步。其中时间同步包括码元同步和采样时钟同步。码元同步的目的是找到FFT窗的位置，采样时钟同步是为了使接收端的模数转换器的采样频率和发射端的数模转换器时钟频率一致，频率同步为了使发射端和接收端的振荡器频率一致。

收发两端射频中心频率的不匹配会导致ICI，对于OFDM系统来说，载波的频率偏移所带来的影响会更加严重，如果不采取措施对这种信道间干扰加以克服，会对系统性能带来非常严重的地板效应，即无论如何增加信号的发射功率，也不能显著地改善系统的性能[3]。M.Mouri等人研究了频率频移对BER的影响，在1000个子载波下，频率偏移几个子信道间隔时，将导致30dB的干扰，严重恶化系统性能。同时指出频率偏移在1%之内对BER的影响较小[4]。

3 基于循环前缀的最大似然法估计

利用循环前缀的最大似然估计主要是利用循环前缀与OFDM符号中被复制的部分的相关性来进行符号定时估计和载波频率偏移估计。

在信号传输过程中，在接收端的一个不确定性是信号到达的时间，另一个是发射端和接收端的振荡器之间的频率偏差。前者产生了数据码元的相位旋转，建模为信道冲激响应延时δ（k-θ），其中θ是一个整数值。后者在时域建模成对于接收信号的一个复乘性衰减e。

3.2 仿真

仿真条件：子载波数 N=1024，循环前缀 CP=128，延时θ=25，归一化频偏ε=0.45，SNR=25dB，采用PN序列作为发送序列，经过64QAM调制，循环次数为1000次。3GPP的信道设置：选用3GPP SCM 中的urban micro模式，信道有6条主径，每个主径有20个子径，各径衰落服从指数分布，移动台速度为10m/s。

4 结论

图1和图2为似然函数和频偏估计曲线在AWGN信道和3GPP信道下的对比图。图中可以看出，AWGN信道下较3GPP信道下的定时峰值幅值高，更为尖锐。因此基于循环前缀的同步算法在AWGN信道下，定时点更易于检测，定时效果更好。如图3、4为在两信道下，频偏估计的性能曲线。

OFDM的应用 第4篇

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 是一种高效的多载波复用技术, 具有很强的抗频率选择性衰落的能力。

传统的OFDM调制方式, 为了保证系统的误码性能, 只能根据最恶劣的信道情况选择适当的调制方式。但是信道情况最差的时段在整个传输时段内是非常短的, 这就造成了极大的浪费。因此, 自适应OFDM应运而生。自适应OFDM基本原理是:改变调制方式, 在理想信道条件下用较高阶的调制方式, 而在不太理想的信道条件下则用较低阶的调制方式, 使传输能力与信道条件相适应, 来保证通信的可靠性和有效性。

这里介绍了煤矿井下无线信道特性, 建立相应的模型, 详细阐述了一种自适应OFDM比特与功率分配算法, 最后结合信道模型对算法进行了仿真, 并对固定调试方式的OFDM、单输入单输出 (SISO) OFDM和多输入多输出 (MIMO) OFDM的误码率情况做了比较。

1 自适应 OFDM 系统模型

OFDM的基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输, 从而使子载波的符号速率大幅度降低, 符号持续时间大大加长, 因而对时延扩展有较强的抵抗力。自适应OFDM系统框图如图1所示, 系统先估计出所有子信道的状况, 然后自适应算法据此计算出各个子信道应分配的比特与功率, 最后映射模块根据各子信道的比特与功率分配信息把输入比特流映射成调制信号, 送入IFFT模块转换成已调信号。同样, 接收端也需要根据相应的子信道比特与功率分配信息对信号进行解调, 获得输出比特流。

2 自适应比特与功率分配算法

2.1 问题描述

OFDM系统把信道划分为若干个子信道, 每个子信道都相当窄, 衰落起伏不大, 可以认为在整个子信道内都处于平坦衰落。当不考虑信道干扰时, 平坦衰落信道的信噪比可以表达为:

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其中:hn表示信道增益, N0表示加性噪声的单边功率谱密度, Γ为一定误比特率下的信噪比间隔, 它反映了实际传输速率和理论传输速率的差额, 一系列的Γ可以反映系统不同条件下的误码率情况。Γ与BERtarget之间的关系为:Γ=-ln (5BERtarget) /1.5。

bn, en分别表示分配在第n个子载波上的比特数和功率, bn与en的关系如下:

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当高斯白噪声均值为 0, 方差为σ2=1时, 式 (2) 、式 (3) 结合式 (1) , 可得bn, en与SNR (n) 的关系如下:

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2.2 优化准则

OFDM自适应基本思想就是自适应调节信号传输的参数来充分利用当前信道环境。本文的思想是在给定误码率和总传输比特的条件下, 使总的发射功率最小。

2.3 分配算法描述

研究了一种自适应比特及功率分配方法, 该算法的表述如下:

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其中:bn表示在第n个子信道上所需传输的比特数, bn∈Z, bn≥0, n=1, 2, , N, N为子信道总数;B为在一个OFDM符号中一共可以传输的比特数;en (bn) 表示在给定的编码方案与满足一定误码率要求的条件下子信道n上传输bn比特所必需的能量数。假定en (0) =0, 在一个OFDM符号中, 由于每个子载波的时间长度都一样, 不同子载波间功率的比较与能量的比较是一致的, 因此后面的论述对此不再区分。

(1) 比特初始化算法

① 利用式SNR (k) =hundefined/ (N0Γ) , 计算出第k个子载波上的信噪比SNR (k) ;

② 根据如下公式, 计算出第k个子信道可传输的比特数undefinedk;

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③ 对undefinedk向下取整得bk, 使每个子信道分配的比特数为整数;

④ 限制bk只取 0, 1, 2, 4, 6, 8, 这是为了采用 MQAM 调制方式。

(2) 能量初始化算法

① 根据最初分配的比特数, 使用如下公式计算第k个子信道所需的能量:

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② 对每个子信道生成能量增量表, 对第i个子信道, 能量增量为:

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由于仿真中子信道最大传输8比特, 则8比特到9比特的增量被设置成无限大, 即大于8比特的比特值不能传输。另外, 不支持除1之外的任何奇数比特数, 这可以通过平均的方法解决:

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对5、6比特和7、8比特也作如此处理。这样可以保证在子信道k从2到3分配了1比特之后, 在下一次迭代中, 还会分配到接下来的1比特。惟一的例外是在算法终止时, 有可能最后1比特被分配到某个信道使其比特数不属于支持的范围, 这可用后面的 “最后1比特配置”算法处理。

(3) 满足总比特数为B的算法如下:

对个子信道初始分配的比特数求和:B′=sum (bk) , 将B′与每个OFDM帧中传输的总比特数B做比较, 如果B′≠B, 则重复以下步骤, 直到B′=B为止。

当B′>B时:

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当B′

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(4) 最后一比特算法

① 检查是否存在由于最后1比特分配造成含有不支持比特数的信道。如果没有, 则跳出以下步骤, 分配过程结束;若有, 则设该信道为v。

② 找出所有分配了1比特的子信道, 将减少l比特能量减少最大的信道记为i, 得其能量增量为:Δei (bi) , 计算E1=Δev (bv+1) -Δei (bi) 。

③ 找出所有分配了0比特或1比特的子信道, 将增加1比特所需能量最小的信道记为j, 得Δej (bj+1) , 计算E2=Δej (bj+1) -Δe (bv) 。

④ 若E1E2, i信道减少1比特, v信道增加1比特;反之, i信道增加1比特, v信道减少1比特。并做相应的能量分配调整。

本算法在初始阶段就利用已有的信道信息对比特分配方案做出初步的估计, 这样可以减少后续逼近算法的收敛次数, 从而大大降低整个算法的计算复杂度。

3 信道模型

采用高斯加性白噪声信道 (AWGN) , 其时域表达式为:y=h (t) *x+noise, 其中, h (t) 为信道传输函数;*表示卷积运算, x为输入信号, y为输出信号;noise为均值为0, 方差为σ2=1, 单边功率谱密度为N0的高斯白噪声。

煤矿井下巷道的无线信道是一个具有时间选择性、频率选择性和空间选择性的空间受限信道。假设频率选择性衰落的信道脉冲响应模型是一个离散的广义平稳非相关散射模型, 即:在时间t (可能是几个码元长度) 内, 衰落的统计特性是平稳的 (只受到多普勒频移的影响) , 电波到达角和传播时延是统计独立变量。此时, L个多径信道组合而成的时变冲击响应为:

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其中:pi为第i个延时时间的功率, gi (t) 为第t个时延分量, 是复高斯过程, 可以理解为它是在某个时间间隔内从不同入射角到达的不可分辨的多径分量的组合。τi为抽头时延。采用中载波频率为60 GHz, 采样频率为225 MHz, 移动速度为50 km/h的具有3条多径的频率选择性瑞利衰落模型, 其中, 3个时延时间的功率pi分别为1, 1/exp (1) , 1/exp (2) 。该信道是时变的。

4 仿真与结果性能分析

参照上述AWGN建模方法, 对自适应比特和功率算法进行了仿真。一个OFDM信号分为64个子载波, 未使用信道编码。为了突出自适应比特与能量分配算法的优点, 本文将固定调试方式的OFDM、单输入单输出 (SISO) OFDM和多输入多输出 (MIMO) OFDM进行了性能比较。各种传输方式下, 随着信道增益的变化, 其比特与能量的分配情况如图2～图5所示。

图2是OFDM采用固定调制方式时, 以16QAM为例, 各子信道比特与能量的自适应分配。图3是单输入单输出 (SISO) 时, 根据信道增益的变化, 各子信道比特与能量的自适应分配图。图4是多输入多输出 (MIMO) 时, 本文中发送和接收天线的个数均为2, 各子信道比特与能量的自适应分配图。图5是分别采用Fixed OFDM, SISO-OFDM和MIMO-OFDM时的误码率比较。

从图2～图5可以得出:在保持传输比特总数恒定的情况下, 信噪比高的子信道分配的比特数多, 能量少, 信噪比低的子信道分配的比特数少, 能量高, 这样做就确保了在满足误码率要求的情况下, 使总发射能量最少。

5 结 语

自适应比特与功率分配可以通过改变子信道的比特与功率分配来适应时变信道, 保障速率与误码率满足要求, 确保系统的服务质量。本文针对井下无线信道的传输环境, 研究了一种功率最小化分配的自适应比特与功率分配算法, 并进行了仿真。仿真结果表明, 自适应算法明显优于固定调制方式, 而在自适应算法的基础上, MIMO方式明显优于SISO方式。这清楚地表明将自适应OFDM技术应用到煤矿井下进行无线数据传输, 能够提高井下数据传输的抗干扰性能, 同时最大限度地利用井下的信道容量。

摘要：根据煤矿井下无线通信特性, 建立了服从瑞利分布的具有频率选择性衰落的信道模型, 研究了动态改变传输比特与功率分配的自适应正交频分复用 (OFDM) 算法。仿真结果表明:自适应比特与功率分配算法的误码率性能明显好于固定调制;多输入多输出 (MIMO) 技术的误码率明显好于单输入单输出 (SISO) 技术。

关键词：自适应OFDM,比特与功率分配算法,井下无线通信,MIMO,SISO

参考文献

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OFDM的应用 第5篇

赵婧华 酆广增

1 绪论

无线通信与个人通信在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通信、从FDMA到CDMA的巨大发展，目前又有新技术出现，比以CDMA为核心的第三代移动通信技术更加完善，我们称之为“第四代移动通信技术”。

纵观移动通信的发展史，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据;第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有9.6bit/s，最高可达32kbit/s;第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbit/s;而我们目前所致力研究的第四代移动通信系统可以达到10Mbit/s至20Mbit/s。虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求，第四代移动通信系统的提出便是希望能满足提供更大的频宽需求。

第四代移动通信系统计划以OFDM(正交频分复用)为核心技术提供增值服务，它在宽带领域的应用具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种新技术的OFDM具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去

2 OFDM的发展史

OFDM并不是新生事物，它由多载波调制(MCM)发展而来。美国军方早在上世纪的50、60年代就创建了世界上第一个MCM系统，在1970年衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的OFDM系统。但在以后相当长的一段时间，OFDM理论迈向实践的脚步放缓了。由于OFDM的各个子载波之间相互正交，采用FFT实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为OFDM技术实现的制约条件。后来经过大量研究，终于在20世纪80年代，MCM获得了突破性进展，大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此，OFDM走上了通信的舞台，逐步迈入高速Modem和数字移动通信的领域。20世纪90年代,OFDM开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信，数字音频广播(DAB)、高清晰度数字电视(HDTV)和无线局域网(WLAN)。随着DSP芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应用，OFMD技术的实现和完善指日可待。

3 OFDM的基本原理

OFDM是一种特殊的多载波传送方案，单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流(100 Hz ~ 50 kHz)，每个码流都用一条载波发送。OFDM弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式，改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形，因此我们说，OFDM既可以当作调制技术，也可以当作复用技术。OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用，但在多载波系统中，只会有一小部分载波受影响。纠错码的应用可以帮助其恢复一些易错载波上的信息。像这样用并行数据传送和频分复用的思路早在20世纪60年代的中期就被提出来了。

在传统的并行通信系统中，整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道，每个子信道被一个独立的信源符号调制，即N个子信道被频分复用。这种做法，虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲频带利用率为代价，这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。上个世纪中期，人们又提出了频带混叠的子信道方案，信息速率为a，并且每个信道之间距离也为a Hz，这样可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错，同时可以充分利用信道带宽,节省了50%。为了减少各个子信道间的干扰，我们希望各个载波间正交。这种“正交”表示的是载波的频率间精确的数学关系。如前所述，传统的频分复用的载波频率之间有一定的保护间隔，通过滤波器接收所需信息。在这样的接收机下，保护频带分隔不同载波频率，这样就使频谱的利用率低。

OFDM不存在这个缺点，它允许各载波间频率互相混叠，采用了基于载波频率正交的FFT调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波的正交。尽管还是频分复用，但已与过去的FDMA有了很大的不同：不再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是OFDM有别于其他系统的优点之一。OFDM的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波由于与所积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响，

OFDM的高数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目就能提高数据的传送速率。OFDM每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性，大多数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户，OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。

4 OFDM的主要技术

4.1 调制方式

OFDM系统的各个载波可以根据信道的条件来使用不同的调制，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大频谱效率。多径信道的频率选择性衰落会导致接收信号功率大幅下降，达到30dB之多，信噪比也大幅下降。使用与信噪比相匹配的调制方式可以提高频谱利用率。众所周知，可靠性是通信系统运行是否良好的重要考核指标，因此系统通常选择BPSK或QPSK调制，这样可以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制的频谱效率太低。如果使用自适应调制，那么在信道好的时候终端就可以使用较高的调制，同样在终端靠近基站时，调制可以由BPSK(1bit/s/Hz)转化成16QAM ~ 64QAM(4~6 bit/s/Hz)，整个系统的频谱利用率得到大幅度的改善，自适应调制能够使系统容量翻番。但任何事物都有其两面性，自适应调制也不例外。它要求信号必需包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所采用的调制方式，并且，终端需要定期更新调制信息，这又势必会增加更多的开销比特。OFDM技术将这个矛盾迎刃而解，通过采用功率控制和自适应调制协调工作的技术。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式(如64QAM)，或者在低调制(如QPSK)时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡，也就是说对于一个远端发射台，它有良好的信道，若发送功率保持不变，可使用较高的调制方案如64QAM;若功率可以减小，调制方案也相应降低，可使用QPSK。

失真、频偏也是在选择调制时必须考虑的因素。传输的非线性会造成互调失真(IMD)，此时信号具有较高的噪声电平，信噪比一般不会太高;失步和多普勒平移所造成的频率偏移使信道间失去正交特性，仅仅1%的频偏就会造成信噪比下降30dB。信噪比限制了最大频谱利用率只能接近5~7bit/s/Hz。自适应调制要求对信道的性能有充分的了解，如果在差的信道上使用较强的调制方式，那么就会产生很高的误码率，影响系统的可靠性。多用户OFDM系统的导频信道或参考码字可以用来测试信道的好坏。发送一个已知数据的码字，在满足通信极限的情况下测量出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。

4.2 信道分配

为用户分配信道有多种方式，最主要的两种是分组信道分配、自适应信道分配。

4.2.1 分组信道

最简单的方法是将信道分组分配给每个用户，这样可以使由于失真、各信道能量的不均衡和频偏所造成的用户间的干扰最小。但载波分组会使信号容易衰落。载波跳频可以解决这个问题。分组随机跳频空闲时间较短，约11个字符时间。利用时间交织和前向纠错可以恢复丢失的数据，但是会降低系统容量增加信号时延。

4.2.2 自适应跳频

这是一种新的基于信道性能的跳频技术。信道用来传递对它来说具有最佳信噪比的信号。因为每个用户的位置不同，所以信号的衰落模式也不相同，因此每个用户收到的最强信号都不同于其他用户，从而相互之间不会发生冲突。初步研究表明，在频率选择性信道采用自适应跳频可以大幅提高信号接收功率，能够达到5~20dB，令人惊异。事实上，自适应跳频消除了频率选择性衰落。

多径信道中，速率为1Gbit/s的信号的频响特性每15cm就会发生很大的变化，因此信号的频率刷新速率要比15cm的移动速率快很多，一般情况下终端每移动5cm刷新一次就足够了。比如终端以每小时60km的速度移动，刷新速率就是大约330次/秒。跳频的开销比特数量与用户速率、用户数量以及系统是全双工还是半双工有关。全双工系统的接收机和发射机的工作频率的间隔至少应大于40MHz，信道数量是用户数的两倍，发射的参考码字的数量比用户数多1个，也就是说除了每个用户需要发送一个参考码字外，基站的前向信道也必需发送一个。采用并行通信可以减少参考码字，20个用户可以共用一个参考码字。对于一个10Mbit/s带宽全双工系统，有100个速率为50kbit/s的用户，调制方式是QPSK，其开销比特将占整个数据的30%～50%。而时分半双工系统可以减少开销比特，只有10%~15%。

当信道变化太快，跳频速度跟不上时，用随机跳频代替自适应跳频。由于这种转换非常快，所以衰落时间很短暂，采用时间交错和前向纠错能够补偿这种衰落。时间交错要求尽可能短，否则会增加时延。

4.3 多天线

ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络(SFN)可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大

OFDM的应用 第6篇

关键词：COFDM；优化互补；ISAR成像；抗干扰

中图分类号：TN957.51 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）23-0065-05

逆合成孔径雷达（inverse synthetic aperture radar，ISAR）成像技术已经广泛应用于空间目标检测和弹道导弹防御等领域，而在OFDM新体制雷达成像技术的研究中，已有关于SAR成像的一些仿真分析结果[1][2]，但是对于ISAR成像的研究成果较少。

本文结合混沌编码技术，通过寻求优化互补编码，对COFDM ISAR成像进行相关的尝试，通过仿真分析，验证了其良好的抗干扰性能。

1 基于互补编码技术的OFDM雷达一维距离像

借鉴旁瓣对消、主瓣增强的互补编码思想，在发射COFDM信号的基础上发射一组最佳互补COFDM信号，通过旁瓣对消处理可以达到抑制回波信号的脉压输出旁瓣的目的。

2 COFDM雷达ISAR的成像原理

3 COFDM ISAR成像抗欺骗干扰

COFDM信号具有较强的抗干扰能力[6]，目前雷达的干扰主要分为压制性干扰和欺骗干扰[7]，此处主要研究了COFDM信号抗欺骗干扰的情况。

欺骗式干扰机模拟目标回波信号作用于雷达的目标检测和跟踪系统，以假代真或真假混杂，雷达往往在不知不觉中就受到了干扰，从而不能正确地检测真正的目标或者目标参数信息。

假设干扰机从接收到第m-1个脉冲信号开始，数字储频并进行幅度调制、相位延迟、复制叠加等变换产生欺骗干扰信号，和雷达第m个脉冲信号回波同时到达接收端。

4 仿真分析

以下结合优化互补编码技术，就抗欺骗式干扰模式下的COFDM雷达ISAR成像在matlab平台上进行系列仿真实验。

分别比较图2中初相加权IS COFDM和NIS COFDM成像结果，初相加权IS COFDM脉冲串在方位向上有一些模糊的影像，可能是由于目标的转动带来的微多普勒频移造成方位向上目标的平移，但是此时回波信号的峰均包络比为1，能够很好的满足雷达硬件发射条件，而NIS COFDM信号在方位向上的平移影像几乎不存在，成像结果非常理想，但是此时的信号峰均包络比相对有所增加，难以达到小于2的发射条件，需要进一步的研究。

比较图2（a）和图（c），互补编码条件下的微多普勒平移影像在一定程度上被抑制，但是此时的互补编码脉冲的峰均包络比有所提高。综合比较而言，四种情况下的成像结果都较为清晰，但是初相加权IS COFDM脉冲的峰均包络比较低。

当回波信号中存在欺骗干扰时，该干扰信号与目标信号在方位向和距离像上各相差20 m，初相加权IS COFDM和NIS COFDM脉冲串信号相对于图2（a）在距离向上的干扰被抑制掉，而方位向上的干扰依旧存在。

比较图3中的图（a）和图（c）可知，虽然干扰信号强度要高于原信号，但是优化互补编码信号的ISAR成像结果很好地解决了方位向干扰的影响，对于相对雷达距离不变（原地运动）的目标来说，具有很好的抗干扰性能。

假设飞机保持水平运动速度为？淄，远离雷达为正，同时匀速转动，若设定目标飞行方向与雷达视线的起始夹角为？茁=0，？淄=2 000 m/s，转动速度W=3.4 rad/s，在无干扰情况下，上述四种情况的成像结果，如图4（a）、（b）、（c）、（d）所示。

各强散射点由于速度的影响造成了散射点在距离和方位上的发散，导致目标的轮廓相对图2要模糊一些。由于信号初相的影响，在慢时间上多了一个一次相位项，造成了ISAR成像结果在方位向上的偏移，若在距离像上进行初相自聚焦补偿，则可得到的成像结果，如图5（a）、（b）、（c）、（d）所示。

此时目标的二维像经初相补偿能够很好的反映目标的位置，但是目标的轮廓清晰度降低。假设飞机的状态不变，在雷达接收回波时加入与图3相同的欺骗干扰信号，上述四种情况下目标的ISAR成像图，如图6（a）、（b）、（c）、（d）所示。

此时，非互补编码脉冲对组成的信号方位向的干扰较为严重，信号被淹没在干扰中，而互补情况下的二维像能够很好的反映目标的轮廓和位置，但是方位向产生了一定程度的偏移。将图6中（c）（d）两种情况进行初相补偿，如图7（a）、（b）所示。

此时的ISAR成像结果与图5一样，虽然目标轮廓相对模糊，但是在观测范围内目标的二维像基本上不受干扰的影响，对方位向的干扰有一定的抑制作用。

综上所述，优化互补编码OFDM信号在ISAR成像的过程中体现出较强的抗欺骗干扰的能力，具有进一步研究的价值。

5 结 语

本文研究了COFDM雷达ISAR成像原理，比较了优化互补COFDM脉冲对组成的脉冲串与COFDM脉冲串信号的ISAR成像结果，并着重研究了欺骗干扰下的成像结果，通过仿真验证了其良好抗欺骗干扰性能。文章仅考虑了低速情况下目标的ISAR成像，当采用互补编码OFDM脉冲串信号时，可获得距离和方位精度都较高的成像结果，但是由于没有进行速度补偿和目标微动特征研究，散射点容易产生越距离单元走动现象和多普勒失配现象，需要对高速运动情况COFDM雷达ISAR成像进一步研究。

参考文献：

[1] 冯祥芝，许小剑.混沌码正交频分复用SAR抗干扰能力研究[J].系统仿真学报，2009，（21）.

[2] Xiangzhi Feng；Xiaojian Xu.ECCM performance analysis of chaotic coded orthogonal frequency division multiplexing（COFDM）SAR.Proc. SPIE 8021，Radar Sensor Technology XV，80211K（June 21，2011）：doi：10.1117/12.883637.

[3] Han Xiao，Kai Huo and Weidong Jiang.A New Chaotic Phase-coded OFDM Signal and Its Characteristic.Cross Strait Quad-Regional Radio Science and WirelessTechnologyConference（CSQRWC），2013，doi：10.1109：CSQRWC.2013.6657426.

[4] 杨进.基于混沌理论的MIMO雷达正交波形设计与目标检测技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2012.

[5] 邓斌.多载频相位编码雷达信号设计与处理技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2011.

[6] Levanon N.Multicarrier radar signal-pulse train and CW[J].IEEE Trans，2002，（2）.

OFDM调制技术及应用 第7篇

OFDM是一种高效的数据传输方式, 其基本思想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, 并且各子载波并行传输。这样, 尽管总的信道是非平坦的, 具有频率选择性, 但是每个子信道上进行的是窄带传输, 信号带宽小于信道的相应带宽, 因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是他允许子载波频谱部分重叠, 只要满足子载波问相互正交, 则可以从混叠的子载波上分离出数据信号。

2 OFDM技术的优点

由上述原理可以分析得出, OFDM技术相对于其他的一些调制技术, 主要有以下四方面优点。首先是其频谱利用率高:由于OFDM系统各个子信道之间存在正交性, 允许子信道的频谱相互重叠, 因此和常规的频分复用系统相比, OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源, 这点对于目前频谱资源稀缺的无线环境是非常重要的。其次是它可以有效地对抗符号间的干扰:由于OFDM系统采用多个正交子载波并行传输数据, 把高速数据流经过串/并转换, 调制到各个子载波上进行并行传输, 使得各个子载波上的数据符号持续长度相对增加, 这样在每一路上的数据速率大大降低, 从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的ISI。另外其系统的实现也比较简单:由于OFDM的调制和解调方式分别是采用IDFT和DFT来实现的。在子载波数很大的系统中, 可以通过采用FFT来实现。随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展, IFFT和FFT的实现都十分容易, 这也进一步地推动了OFDM技术的发展。它还可以有效抵抗窄带干扰:因为窄带干扰只能影响一部分的子载波, 而与单载波系统相比, OFDM传输技术最重要的优越性体现在频率选择性衰落信道上, 当一个子载波受到衰落影响时, 其他的子载波仍然可以正常传输数据, 因此OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。

3 OFDM技术的应用

3.1 地面广播传输中的OFDM应用

因为数字广播系统的音频和视频编码朝着国际上同一的标准发展, 所以数字外部广播链路的信源编码采用同一标准。信源的比特率要在传输容量与信源的质最之间找到一个平衡点。DTT中的OFDM的有效码元的长度要考虑传播路径的延时和时变衰减。同时这个参数还取决于硬件的限制, 即硬件技术的发展对OFDM装置性能的改善起着重要的作用。传统情况下, 在大规模的电视直播传输中需要大量的接收基站和定向天线, 当应用OFDM-DTT时, 可以减少基站的数量并应用非定向的天线。又由于它的良好的抗多径传播性能, OFDM调制方案还能够形成单一频率网络。

3.2 电力线通信中的OFDM应用

电力线不同于普通的数据通信线路, 当作为一种数据传输的媒介时遇到许多干扰, 为了克服各种干扰, 电力线通信系统可主要釆用OFDM等调制技术。OFDM调制技术可以高效利用带宽, 因此可采用更先进的通道编码技术, 能够在窄带干扰、脉冲噪声和频率选择性衰减的情况下提供非常可靠的通信。

3.3 宽带无线中的OFDM应用

OFDM技术应用于无线局域网IEEE802.11和Hiper LAN2以及无线城域网IEEE802.16等系统。其中, 在802.11a标准中, OFDM在20Mhz频段能够提供高达54Mbit/s速率的原始数据传输。其中802.16a标准规范中明确定义了OFDM技术作为无线数据传输方式, 并规定在特许频段, 可以使用单载波调制或正交频分复用, 而对于非特许频段, 必须使用正交频分复用调制方式。

3.4 4G中的应用

4G中OFDM将与MIMO相结合, 与目前使用天线不同, MIMO技术在发送端将要发送的信息空时编码形成多个信息流, 再用多天线发送, 在接收端用多个天线接收, 这样就能利用信道传输中的多径分量, 在不需要增加频谱资源和天线发射功率的情况下可以成倍地提高信道容量, 但MIMO技术对频率选择性衰落无能为力, 而OFDM在这方面有其独到优势, 因而两者的结合将会发挥更大的优势, 成为实现4G中的更有效的方法。

4 结束语

OFDM技术凭借其抗干扰能力强、频谱利用率高、系统实现简单、成本较低等等原因越来越得到人们的关注。随着人们对于通信数据化、宽带化、移动化和个人化的更高需求, OFDM技术在移动通信领域、无线宽带领域以及第四代通信领域将得到越来越广泛的应用, 前途无量。

参考文献

[1]韩湘.基于导频的OFDM信道估计[J].现代电子技术出版社.2003年.[1]韩湘.基于导频的OFDM信道估计[J].现代电子技术出版社.2003年.

[2]佟学俭.OFDM移动通信技术原理与应用[M].人民邮电出版社.2005年.[2]佟学俭.OFDM移动通信技术原理与应用[M].人民邮电出版社.2005年.

[3]韩艳春.OFDM系统的同步技术研究[D].重庆大学博士论文.2007年.[3]韩艳春.OFDM系统的同步技术研究[D].重庆大学博士论文.2007年.

[4]Beek.J V.Sandell M.Borjesson P O.ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems.IEEE Trans on Signal Processing.1997.45 (6) .[4]Beek.J V.Sandell M.Borjesson P O.ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems.IEEE Trans on Signal Processing.1997.45 (6) .

OFDM的应用 第8篇

海洋环境下水声信道是一种极其复杂的时空频变信道, 信道带宽窄, 多途干扰强, 信号起伏衰落严重, 使在水下进行可靠高速的信息传输较为困难[1]。针对水声信道的特点, 人们提出将正交频分复用 (OFDM) 应用于水声通信系统[2,3]。基于OFDM的高速水声通信系统具有较高的频带利用率和系统容量, 能够有效对抗水声多途信道的频率选择性衰落, 通过在各个符号间插入循环前缀 (CP) 减少了信道多途干扰的影响, 使接收信号的子载波保持正交性, 在理论上只要CP的长度大于信道的时延扩展, 则可以完全消除码间串扰 (ISI) [4]。

在信道时延扩展很长的环境下, 加入过长的循环前缀会带来很大的性能浪费, 若循环前缀不足又会形成码间串扰[5]。由于水声信道的时延变化范围很大, 可达到几ms至几百ms的数量级, 因此, 在水声信道环境下OFDM系统的传输效率和系统的误码率性能间的矛盾就显得尤为突出。

1 系统模型

假设系统是完全同步的, 在OFDM系统的发射端, 首先将输入的二进制信号经过串/并变换变为N路并行比特流, 再将各支路上的信号分别进行基带映射 (可采用PSK调制或QAM调制) , 然后采用离散傅里叶逆变换 (IDFT) 快速实现多载波的调制, 并且插入循环前缀形成时域信号, 送入水声信道进行传输。

假设OFDM数据符号周期为Td, CP的长度为Tg, 则有效OFDM符号的长度就是T=Td+Tg。要发送的基带OFDM信号为:

$x(n)={\displaystyle \sum _{k=0}^{{\rm N}-1}X}{}_{i,k}\exp (\text{j}2\text{π}\frac{nk}{{\rm N}})$,

式中, Xi, k表示第i个符号, 第k个子载波上的调制信号N表示一个OFDM符号的子载波数。

水声多径衰落信道的冲激响应可以表示为:

$h(n)={\displaystyle \sum _{n=0}^{{\rm N}{}_L-1}a}{}_n\delta (n-\tau {}_n)$。

水声通信中由于传输信号到达接收机经过延时时间很长的多途传播, 使得信道冲激响应的长度NL可以很长, 并且水声信道的冲激响应长度还取决于信道的声线和传输速率。

经水声信道传输后的接收信号序列可表示为:

$y(n)={\displaystyle \sum _{k=0}^{{\rm N}{}_l-1}h}(k)x(n-k)+z(n)$,

式中, z (n) 是零均值方差为σ${}_z^2$的加性高斯白噪声。

当水声信道的最大时延扩展大于保护间隔的长度时, 频域信号在第k个子载波上的符号会受到前一OFDM符号子载波带来的码间串扰 (ISI) , 并且由于载波间的正交性被破坏, 还会受到同一个OFDM符号间隔内的其他子载波带来的载波间干扰 (ICI) 。

在接收端, 加入时域均衡器TEQ把等效的水声信道冲激响应长度缩短到小于循环前缀的长度, 从而消除接收信号中的ISI。接收到的信号经过TEQ滤波后得到:

$r(n)={\displaystyle \sum _{k=0}^{{\rm N}{}_{\text{w}}}w}(k)y(n-k)$,

式中, w (n) 是一个长度为Nw的有限冲激响应滤波器。

2 基于MMSE准则的时域均衡算法

该算法设立了一个虚拟的目标信道冲激响应 (TIR) , 实现过程如图1所示[6,7]。

令虚拟的目标信道冲击响应b (n) 满足信道缩短后的复合信道的要求, 然后通过使实际的复合信道heff (n) =w (n) *h (n) 与b (n) 之间的均方误差最小来确定TEQ和TIR抽头系数w (n) 和b (n) 的最优解, 从而达到信道缩短的目的。

由图1所示, 可以将误差定义为:

$e(n)=\tilde{\mathit{b}}{}^{*}x(n)-\mathit{w}{}^{*}y(n)$, (1)

式中, *表示共轭转置;w=[ω (0) ω (1) ω (Nw-1) ]T;b=[b (0) b (1) b (Nb-1) ]T;$\tilde{\mathit{b}}=[0{}_{1\delta }b(0)b(1)\cdots \cdots b({\rm N}{}_b-1)0{}_{1{\rm N}{}_{\text{L}}+{\rm N}{}_{\text{w}}-1-\delta }]{}^{\text{Τ}}$;δ表示判决时延。那么此时的均方误差定义为:

式中, Rxx=E{x (n) x (n) *};Rxy=E{x (n) y (n) *};Ryy=E{y (n) y (n) *}, Ryx=R*xy。

按照线性估计理论中的正交性原理, 最优的时域均衡器抽头系数应该使得误差与数据之间满足正交性, 即:

E{e (n) y (n) *}=0。 (3)

由式 (1) 、式 (3) 可以得出$\tilde{\mathit{b}}{}^{*}\mathit{R}{}_{xy}=\mathit{w}{}^{*}\mathit{R}{}_{yy}$, 那么时域均衡器抽头系数可以表示为:

$\mathit{w}{}^{*}=\tilde{\mathit{b}}{}^{*}\mathit{R}{}_{xy}\mathit{R}{}_{yy}^{-1}$。 (4)

此时只要求出最优解$\tilde{\mathit{b}}$opt就可由式 (4) 确定wopt。同样, $\tilde{\mathit{b}}$opt的选择也要遵循MMSE准则。由式 (4) 可将式 (2) 重新写为:

${\rm M}SE=\tilde{\mathit{b}}{}^{*}(\mathit{R}{}_{xx}-\mathit{R}{}_{xy}\mathit{R}{}_{yy}^{-1}\mathit{R}{}_{xy}^{*})\tilde{\mathit{b}}$。 (5)

定义:

Rδ=[0Nbδ, INb, 0Nbs] (Rxx-RxyR${}_{yy}^{-1}$R*xy)

[0δNb, INb, 0sNb], (6)

式中, s=NL+Nw-1-δ。则式 (5) 可重新写为:

MSE=b*Rδb。 (7)

为避免对式 (7) 求解最小值的过程中出现全零解, 可以对其进行单位能量约束 (b*b=1) 。

对于某一确定的判决延时δ, b的最优解应该满足:Rδbopt=λRδ, minbopt, bopt是对应于Rδ的最小特征值λRδ, min的特征向量, 即$\mathit{b}{}_{\text{o}\text{p}\text{t}}=q{}_{\begin{array}{l}\\ R{}_{\delta },\min \end{array}}$, 那么相应的最小MSE就为λRδ, min。

在理论上, 对于不同的判决延时δ, Rδ是不同的, 所以对于b的最优解也应该在搜索所有可能的延时情况下进行。基于MMSE准则的时域均衡算法可以概括如下:

步骤1:计算Rxx、Rxy和Ryy, 以及矩阵Ryy的逆R${}_{yy}^{-1}$;

步骤2:在0δNL+Nw-Nb这一范围内对所有可能出现的判决延时δ, 按照式 (6) 计算Rδ, 并求出最小特征值λRδ, min;

步骤3:将所有Rδ中具有最小特征值λRδ, min时的判决延时δ作为最佳延时时间, 并选择其相对应的特征向量作为最佳的目标信道冲激响应bopt, 即:bopt=qRδ, min;

步骤4:由式 (4) 求解时域均衡器的抽头系数。

水声OFDM系统时域均衡器设计的目的是希望通过加入时域均衡器TEQ使水声信道总的时延扩展变小, 且小于发送信号的保护间隔长度。当有效信道冲激响应的长度小于或者等于循环前缀的长度时, 理论上可以实现无码间干扰的传输, 从而保证水声通信高速可靠传输。

3算法复杂度分析

MMSE算法的复杂度一方面是来自于对最佳延时时间的搜索, 对于每一个可能的延时时间都要计算一次Rδ的最小特征值和相应的特征向量。然而, 对于某一信道, 最佳延时时间也不是唯一的, 会随时域均衡器的抽头个数不同而发生变化, 但最佳延时时间往往可以确定在一定范围内, 并不需要对0δNL+Nw-Nb这个较大的范围进行搜索。

所以为了减少计算的复杂度, 可以首先对所有时域均衡器的抽头系数确定最佳延时时间的上限值δmax, 并在以后搜索延时时间的过程中, 仅在0δδmax 范围内搜索即可。

影响MMSE算法复杂度的另一方面是对NwNw维矩阵Ryy求逆, 由于水声信道的时延扩展长度长, 往往需要较多的时域均衡器抽头个数, 那么对Ryy求逆的计算量大小就决定了MMSE算法的复杂程度。可以考虑从Ryy自身的结构入手来降低计算复杂度。在大多数通信系统中, 发送序列x (n) 是独立同分布的, 那么就有Rxx=INL+Nw-1, Ryy=HH*+σ2I, 式中, H是信道卷积矩阵。由于OFDM系统加入了循环前缀 (CP) 后使得H具有了循环Toeplitz矩阵结构, 可见Ryy也具有循环Toeplitz矩阵结构。

要降低MMSE时域均衡算法的复杂度, 核心是降低 (HH*+σ2I) -1的运算量, 一般可以采用递推的方法求解。由于HH*+σ2I是循环Toeplitz矩阵, 可以用直接FFT算法来对Ryy=HH*+σ2I进行处理。

直接FFT算法的核心思想是利用DFT变换来求解具有循环Toeplitz结构的矩阵。在这里将Ryy简计为Ryy=circ (ζ0, ζ1, ζNw-1, N阶傅里叶变换矩阵F可以写为:

$\mathit{F}=\frac{1}{\sqrt{{\rm N}}}\left[\begin{array}{ccccc}1& 1& 1& \cdots & 1\\ 1& \omega & \omega {}^2& \cdots & \omega {}^{{\rm N}-1}\\ 1& \omega {}^2& \omega {}^4& \cdots & \omega {}^{2({\rm N}-1)}\\ 1& \omega {}^{{\rm N}-1}& \omega {}^{2({\rm N}-1)}& \cdots & \omega {}^{({\rm N}-1)({\rm N}-1)}\end{array}\right]$

,

式中, $\omega =\text{e}{}^{-\text{j}\frac{2\text{π}}{{\rm N}}}$且F-1=F*。由定理:矩阵C为N阶循环矩阵的充要条件是存在数λ0, λ1, , λN-1使F-1CF=diag (λ0, λ1, λN-1) [8]可以推出计算循环矩阵Ρyy逆的快速算法为:

步骤1:计算循环矩阵Pyy的特征值:$\lambda {}_k={\displaystyle \sum _{n=0}^{{\rm N}{}_w-1}\xi }{}_n\omega {}^{kn},k=0,1,\cdots {\rm N}{}_w-1$;

步骤2:计算μk=λ${}_k^{-1}$, k=0, 1, , Nw-1;

步骤3:求出Ρyy的逆矩阵:R${}_{yy}^{-1}$=circ (η0, η1, , ηn) , 式中, $\eta {}_k={\displaystyle \sum _{n=0}^{{\rm N}{}_{\omega }-1}\mu }{}_n\omega {}^{-kn},k=0,1,\cdots ,{\rm N}{}_{\omega }-1$。

如果在步骤1和步骤3中分别进行Nw点的DFT和IDFF运算, 则整个算法的计算量为O (Nwlog2Nw) , 而采用递推算法对HxHHx+σ2I进行求逆的MMSE算法的计算量是O (N${}_w^2$) 。

可见, 整个处理过程简化了 (HxHHx+σ2I) -1的运算, 与以往的MMSE算法比较, 采用快速算法的处理复杂度能大大降低, 并且可以在接收端利用DSP来快速实现系统的时域均衡。

4 仿真实验

使用的信道是用声传播的射线理论仿真的10 km水声信道, 多径信道为8径, 功率延迟谱服从复指数分布。工作频带B=[2 kHz, 6 kHz], 载波间隔Δf=5 Hz, 有用子载波数为800, 系统采用1 024点DFT变换, 循环前缀长度为256点, 调制方式采用的QPSK。

图2所示为加入一个MMSE时域均衡器对信道的影响。将信道冲激响应CIR采样后得到长度为470点的原始信道冲激响应, 该信道冲激响应的长度超出了系统循环前缀的长度。在接收信噪比为15 dB时, 通过加入一个长度为200的时域均衡器后有效信道冲激响应的能量主要集中在前256个点上。

从图2中可以看出, 有效信道冲激响应的能量分布情况与目标信道冲激响应的能量分布是近似相同的, 但是由于MMSE算法在对均衡器抽头系数进行训练的过程中, 不能保证均方误差最小化为零, 因此在等效信道冲激响应和目标信道冲激响应之间会存在误差, 在窗外残留了部分能量, 尽管会有部分残余码间干扰的影响, 但是通过频域均衡后受干扰的部分会得到补偿。

图3为在接收信噪比为15 dB时, 在不同目标信道冲激响应长度Nb下有效信号干扰比SIR同时域均衡器抽头数Nw之间的关系。

从图3中可以看出当Nb长度一定时, Nw越大, 有效信号干扰比SIR就越高, 且有效SIR增加的过程是先快速增加而后缓慢增长。另外, 在时域均衡器抽头系数Nw一定的情况下, 目标信道冲激响应Nb越大, 有效信号干扰比SIR越大, 即通过增加Nb的长度能够有效地改善算法的性能, 当Nb的长度较小时, 为了获得较好的性能就需要较大的时域均衡器的抽头系数Nw, 一般Nb的长度应该选为略小于或等于系统循环前缀的长度。

图4为在水声信道下的系统误码率曲线。仿真结果表明, 由于CP的长度小于信道冲激响应长度, 误码率性能不够理想, 当加入基于MMSE准则的时域均衡器之后, OFDM系统的误码率性能得到了显著的改善。

5结束语

研究了时域均衡器在基于OFDM的水声通信系统中的应用。仿真结果表明在水声环境下通过加入时域均衡器能够有效地改善OFDM系统在循环前缀小于信道最大时延扩展时的误码率性能。并且基于MMSE准则的时域均衡算法抗干扰和噪声能力强, 适合在水声通信系统中使用。

参考文献

[1]杨士莪.水声传播原理[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社, 2007:1-4.

[2]COAELANS, GLAVIEUX A.Design andtest of a multicarrier transmission system on the shallow water acoustic channel[J].IEEE OCEANS, 1994 (3) :472-477.

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[5]CHENSHAO-PING, ZHUCUI-TAO.ICI and ISI analysis and mitigationfor OFDMsystems withinsufficient cyclic prefixin time-varying channels[J].IEEE Transactions Consumer Electronics, 2004, 50 (1) :78-83.

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[7]JABEUR B T, ABED-MERAIMK.Channel chorteningin OFDM systemwith controlled TIR quality[J].IEEE Signal Processing andits Applications, 9thInternational Symposium, 2007:1-4.

OFDM的应用 第9篇

近年来,无论是自然灾害的救援工作、公共卫生事件的防疫工作还是安全事件的秩序维护工作都对公共事件的相关部门处理紧急响应事件提出了越来越高的要求。相应部门无论是在预警方案和组织管理协调的软件方面,还是相应通信设备和管理指挥系统的硬件配备方面,都面临着全新的考验。因此,建设一套高效适用的应急通信系统,为公众提供更及时的救助服务,已成为当前一个重要而迫切的课题。作为第四代移动通信技术的核心技术OFDM技术,其多载波的传输距离和图像信号的流畅性均要优越于单载波技术,适用于强调无线语音和无线视频的实时性通信应急通信系统。

2 OFDM技术及特点

OFDM技术即正交频分复用技术,它的提出已有40年的历史,与已经普遍应用的FDM技术十分相似, OFDM技术把高速的数据流通过串/并变换分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输,其第一个实际应用是军用的无线高频通信链路。与传统技术相比,OFDM技术具有以下一些优点:

1) 通过对高速率数据流进行串/并转换,使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的符号间的干扰,进而减少了接收机内均衡器的复杂度,有时甚至可以不采用均衡器,而仅仅通过插入循环前缀的方法消除符号间干扰的不利影响。

2) OFDM中由于各个子载波间存在正交性,允许子信道的频谱相互重叠,因此,OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。OFDM技术与传统的FDM技术带宽利用率比较如图 1所示。从图 1中可以看出,传统的FDM技术需要在两个信道之间存在较大的频率间隔来防止干扰,这就降低了全部的频谱利用率,而应用OFDM技术的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽,提高了频谱利用率。

3) 各个子信道的正交调制和解调可以分别通过采用离散傅里叶反变换和离散傅里叶变换来实现,而且当子载波数很多时,还可以通过采用快速傅里叶反变换和快速傅里叶变换来实现。

4) OFDM系统物理层支持非对称的高速率数据传输,通过使用不同数据的子信道可以实现上下行链路中不同的传输速率。

5) OFDM技术易于和多种接入方式相结合使用。

但是OFDM系统由于存在多个正交的子载波,而且输出信号是多个子信道信号的叠加,因此与传统技术相比,也存在一些缺点:

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。无线信道的时变性在传输过程中造成的无线信号频谱偏移,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,导致子载波之间干扰。

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,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,导致较大的峰值平均功率比。这就对发射机内放大器的线性度得出了很高的要求,因此可能带来信号畸变,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。

3 OFDM技术在应急通信系统中的应用

McWiLL(多载波无线信息本地环路)宽带无线接入系统是我国自主研发的第一代宽带无线接入系统。McWiLL采用的是国际最先进的码扩正交频分多址、智能天线、空间零陷、联合检测等无线通信技术。采用McWiLL系统在应急通信中,只要一只简单的CPE或者PCMCIA卡,无需进行现场安装、调试,就能够迅速提供高速无线连接,同时由于其可移动性,便携性,能够满足应急通信的更多需要。

McWiLL系统由终端设备CPE、基站系统BTS以及网元管理系统EMS三个部分组成。其中,终端设备CPE完成用户端计算机与无线网络的连接。基站系统完成用户端CPE与骨干网络的连接,包括基站传输系统BTS以及射频系统RFS两部分。网元管理系统EMS完成对无线系统中的所有终端设备CPE、基站系统的设备管理、系统监控、权限管理、带宽分配等操作。系统结构如图 2所示。

McWiLL 系统的核心技术之一CS-OFDMA将OFDMA、TDMA 和SCDMA 有机融合为一体。CS-OFDMA 采用了OFDM 调制方式,具备所有OFDM 的技术优势,除了频率利用率高、信道分配灵活、容易实现外,还有以下显著优点:

1) 通过对调制符号的串并转换降低单载波上的符号速率可以增强多径干扰的抵抗能力;

2) 根据对各个信道的动态分配来选择符号的承载信道可以抗频率选择性衰落;

3) CS-OFDMA 采用了码扩技术,将一个符号进行码扩后再以一个信道为单位进行多载波调制,这样可以将一个符号的能量分散到整个信道中,在接收时达到频率分集的效果;

4) CS-OFDMA 采取的多址方式主要由TDMA 与OFDMA 组成,码扩的使用范围仅在每一个信道中,而信道是给用户的最小单位,这样用户在发射接收信号时,相互之间不会干扰,避开了传统CDMA 接入方式的多址干扰问题。

McWiLL 技术利用并行传输的OFDM 技术和CDMA 技术的有效融合,是两个技术的折衷方案,有效地克服了传统CDMA系统面对无线宽带数据传输时由于扩展频谱而引起的码间干扰的严重问题,其最大优点是对抗频率选择性衰落。在单载波窄带CDMA 系统中,单个衰落或者干扰能够导致整个通信链路失败,但是在McWiLL 系统中,由于使用了多载波,因此只有很小一部分载波会受到干扰。系统会自动在10 个子载波中选择信号效果最好的4个子载波或者2个子载波进行信号传输,实现频谱的最佳利用。

4 结束语

应急通信系统强调的是"应急状态"下的通信,快捷的无线语音通信保证指挥命令的迅速传达,实时的视频通信是指挥者正确判断的必备工具,二者缺一不可。而"应急状态"通常是场景不固定,因此更加强调移动性。未来的应急通信技术将朝着语音、数据、图像融合;专网、共网、公网共存;宽带、快速、安全、可靠、普遍软件无线电、IP、OFDM等新技术方向发展。可以预见,OFDM技术在未来的应急通信系统中将得到广泛应用,而未来的应急通信系统也将朝着更实时、更流畅的语音和视频方向发展。

摘要：当前,自然灾害、公共卫生事件以及公共安全事件在世界范围内频频发生,应急通信系统在面对这些突发事件时扮演着越来越重要的角色。本文首先分析了下一代移动通信核心技术——OFDM技术的原理及其特点,并以McWiLL系统为例,简要分析了OFDM技术在Mc-WiLL应急通信系统的应用。最后得出结论OFDM技术在未来的应急通信系统中将得到广泛应用。

关键词：OFDM技术,应急通信系统,McWiLL系统

参考文献

[1]王文博,郑侃.宽带无线通信OFDM技术[M].北京:人民邮电出版社,2007.

OFDM的应用 第10篇

近年来随着目前信息化和现代化建设的不断深入,信息化程度的不断提高,无线通信指挥系统必然由窄带、低速向宽带高速无线通信方向发展。我国是一个海岸线很长的国家,拥有几百万平方公里的海洋面积,但相邻国家不断蚕食;同时随着我国社会经济的飞速发展,国际贸易日益增长,而因国际贸易引起的各种纠纷必然引起国家之间的军事摩擦,加之国际海盗猖獗,严重威胁我国海洋贸易的发展和人员安全,因此建立一支强大的现代化海军已迫在眉睫,而作为海军作战系统大脑神经的无线通信指挥系统更应优先发展。现有通信指挥系统已无法满足舰与舰之间、岸舰之间高速、宽带无线通信的业务需求,因此建立海面舰艇宽带无线通信指挥系统很有必要,本文主要对OFDM技术性能,根据实际试用情况对基于OFDM技术的宽带无线通信系统在海上指挥系统的应用进行分析研究。

2 OFDM技术及其性能分析

传统的多载波传输系统将信号的频段划分为N个互不重叠的频率子信道。这种方式避免了频率重叠,减少了信道间干扰,但浪费了珍贵的频谱资源,不适合于信息高速、宽带化需求。20世纪60年代,人们在单载波复用技术基础上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,也就是我们所说的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术。OFDM技术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调制技术,用户的信息首先要经过串行到并行的转换,转变成多个低速率的数据码流,通过编码之后,调制为射频信号,传统的调制技术在同一个时刻只能用一种频率进行数据的传送,而OFDM则可以在正交的频率上同时发送多路信号,可以说是并行的传送多路信号,这样OFDM能够充分地利用信道的带宽。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。图 1为多载波系统的基本原理结构图。

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,而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,并且各子载波并行传输。这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,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。图 2为OFDM无线系统的原理框图。

OFDM信号的发送过程需要经过下面几个步骤:

(1) 编码:在基于OFDM调制技术的系统中,编码采用R-S码、卷积纠错码、维特比码或TURBO码。

(2) 交织:交织器用于降低在数据信道中的突发错误,交织后的数据通过一个串并行转换器,将IQ映射到一个相应的星座图上。

(3) 数字调制:在OFDM方式中,采用星座图将符号映射到相应的星座点上。这一过程产生IQ值,它们被过滤并送到IFFT上进行变换。

(4) 插入导频:为了能够使接收稳定,在每48个子载波中插入4个导频信息。

(5) 串并转换:使串行输入的信号以并行的方式输出到M条线路上。这M条线路上的任何一条上的数据传输速率则为R/M码字/秒。

(6) 快速傅立叶逆变换:快速傅立叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此,用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了处理。

(7) 并串转换:用于将并行数据转换为串行数据。

(8) 插入循环前缀并加窗:循环前缀为单个的OFDM符号创建一个保护带,在信噪比边缘损耗中被丢掉,以极大地减少符号间干扰。

接收器完成与发送器相反的操作。接收器收到的信号是时域信号。由于无线信道的影响发生了一定的变化,首先要通过训练序列定时和频率偏移进行估计,同时将符号的定时信息传送到去循环前缀功能模块,在这里训练序列和导频信息主要是用来信道纠错。然后将信号经过一个串/并转换器,并且把循环前缀清除掉。清除循环前缀并没有删掉任何信息,循环前缀中的信息是冗余的,使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。

OFDM系统因其系统的特点主要有以下关键技术:子载波之间的同步技术、降低功率峰值与均值比(PARP)技术、训练序列和导频及信道估计技术等,因篇幅所限,这里不再赘述,读者可参考相关文献。

综上所述,OFDM技术有以下优点 :

(1) 把高速数据流通过串并变换,使每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,减小了因无线信道时间弥散带来的ISI,减小了接收机均衡的复杂度,仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的影响。

(2) 最大限度的利用频谱资源,因OFDM技术各子载波之间采用正交复用,在波间无频率保护间隔,因而其频谱利用率很高。

(3) 自适应调制技术:OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化,由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化,所以OFDM能动态地与之相适应,并且接通和切断相应的载波以保证持续进行成功的通信。

(4) 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。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。

(5) OFDM技术可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多。

(6) OFDM技术通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力。

(7) OFDM技术可以使用硬件模块集成基于IFFT/FFT的算法,通过这种方式实现的OFDM系统的运行速度,主要取决于硬件电路的运行速度,同时也简化了系统实现的复杂程度。

3 OFDM宽带无线通信系统在 海上无线指挥系统的应用

因OFDM技术适合于通信宽带化、高数据速率的基本要求,因此各国将该项技术应用于指挥系统中。为实际业务需求,相关单位在2009年试用了一套宽带无线通信系统作为OFDM宽带无线通信系统在海上无线指挥系统的应用的验证,该系统基于IP分组交换网络以及软交换核心网络架构,具有覆盖范围广、高带宽、高保密性、非视距传输、支持高速移动等先进优势,适合于海面舰艇之间、岸舰之间高速数据业务传输需要,系统最远传输距离可达50km,调制方式采用QPSK、8PSK、16QAM、64QAM自适应调制,系统传输带宽可达5 MHz、数据吞吐率可达10 M bit/s,双工方式采用TDD方式,分为基站系统和远端用户站系统,可单基站组网也可多基站组网,实现语音、数据、视频传输等功能。图3为OFDM宽带无线指挥系统在海上应用网络示意图。

试用系统由1个基站,5个舰载站组成。系统基站通过以太网接口与指挥中心网络互联,并通过视频传输设备与指挥中心大屏幕相连,这样就可通过指挥大屏幕直接看见各舰的实际情况,大大提高了指挥的准确性和效率。系统基站连接示意图如图 4所示。

舰载终端通过以太网接口与摄像机、语音通话系统相连。远端用户站连接示意图如图 5。

通过试用该系统最远传输距离可达50公里左右,实现了语音、数据、视频传输,具有较好的传输效果。

4 结论

OFDM技术是一项最先进的无线通信技术,它具有高速率传输、抗多经、抗干扰等优势,基于该技术的宽带无线通信系统具有覆盖范围广、高带宽、高保密性、非视距传输、支持高速移动、支持终端漫游切换等特点,能够满足海上指挥系统各项业务的要求,是无线通信指挥系统的发展方向和目标,因此基于OFDM技术的无线宽带通信系统是海上指挥通信系统发展的必然趋势。

摘要：本文通过对OFDM技术性能的分析,阐述了OFDM技术的无线系统结构和OFDM技术的优势,结合海上无线系统的实际应用情况,论述了OFDM宽带无线通信系统在海上无线系统的应用,通过分析和研究得出基于OFDM技术的无线宽带通信系统是海上无线通信系统发展的必然趋势。

关键词：OFDM技术,宽带无线通信,无线通信指挥系统,多载波调制技术

参考文献

[1]佟学俭,罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[2]高泽华,赵国安,宁帆等.宽带无线城域网-WiMAX技术与应用[M].北京:人民邮电出版社,2008.

OFDM的应用 第11篇

关键词：多输入多输出系统（MIMO） 正交频分复用技术（OFDM） 空时分组码（STBC） 空频分组码（SFBC）

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（b）-0001-01

如何进一步提高频谱效率和数据传输率，满足日益增长的多种无线数据业务要求已成为B3G无线通信系统的关键问题之一，而MIMO技术和OFDM技术的结合在解决这一问题上体现出了巨大的优势。目前，大量地把MIMO-OFDM技术应用在无线通信系统以提高系统性能的研究集中在如何在所有天线上分配子载波，使得基站根据信道状态信息来选择合适的子载波传输OFDM信号。通常将MIMO技术和OFDM结合有两种方法：一种是利用多天线实现空分复用，提高数据比特率；另一种是利用多天线实现空间分集，从而提高传输可靠性。基于MIMO-OFDM的STBC和SFBC能保证在频率选择性衰落信道中的分集增益，正逐渐成为热点研究分支。

1 系统模型

考虑带空分复用的MIMO-OFDM系统，分别有个发送天线和个接收天线。我们在发送端进行天线选择，从所有个发送天线中选择个天线来发送OFDM信号，所以共有种可能的天线组合，假设在每个子载波上信道为平坦瑞利衰落的，这样系统信道可以建模成的三维矩阵，为子载波数，且矩阵元素为服从均值为0，方差为1（实部和虚部的方差分别为1/2）的独立同分布的复高斯变量。经过天线选择后，信道变为的三维矩阵，

在发送端，空分复用器首先把一组串行的信息比特流转换成和选择天线数相等的组并行的比特流，然后经过快速付氏反变换（IFFT）并加循环前缀（CP）后在选择出的个天线上发送，在接收端由个接收天线接收信号，经过采样、去循环前缀（RP）、付氏变换（FFT）和空分复用检测器后得到最后的信息比特流。

2 空时分组码编码的OFDM

空时分组码是利用正交的原理设计各发射天线上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域联合的正交分组编码方式。在一定条件下，空时分组码可以使接收端解码后获得满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线性合并，译码复杂度低。

考察一个具有K根发射天线M根接收天线的MIMO无线通信系统，信道为平坦衰落信道，不同发射接收天线对间的信道衰落相互独立。在发射端，信息源比特流先被映射为复信号，然后串并转换为M路子流在发射端并行发送，设在某时刻第m根发射天线发射的复信号基带表示为，则在该时刻由所有发射天线的信号的复向量表示为。

空时分组码的正交设计就是构造矩阵X，使得X的列向量相互正交，即XTX=I。

OFDM的空时分组码是以单个OFDM信号，即一串向量为元素进行编码的。表示在第n时刻待发送的数据块，表示传输信道矩阵，表示接收到的数据块。在两发一收的MIMO-OFDM 的空时分组码系统中，一帧数据的每两个相邻的OFDM信号、被编码，再经过OFDM调制解调，得到、，最后将接收信号进行最大似然译码，得到发射信号、的估计值。

空时编码器每次对两个邻近的OFDM信号和进行编码并且发送：

Antenna #1：

Antenna #2：-

把记为，记为，记为，记为。我们用，来表示各个信道传输矩阵，并假定它们在一组空时码内不变或者变化很小。接收信号经过解调得：

进一步变换后得到的向量为：

3 仿真及性能分析

在该文中，仿真时的系统总带宽为20 MHz，OFDM的子载波数为z1024，载频为3.2 GHz，调制采用QPSK，信道模型为修正的Jakes模型，其中时延功率谱参数采用M.1225中的车载信道模型参数，采用理想信道估计，最大多普勒频偏为355 Hz。各接收天线之间相互独立，在空间域实现接收分集，采用最大比合并方式。

基于OFDM的一发两收和STBC、SFBC的两发两收性能仿真图。两根接收天线、误码率为10-3时，两发两收的空时分组码比一根发射天线且未经过编码的性能改进4 dB，两发两收的空时分组码比两发两收的空频分组码性能提高了1 dB左右；误码率为10-4时，两发两收的空时分组码比一根发射天线未经过编码的性能有5 dB左右的提高，两发两收的空时分组码比两发两收的空频分组码性能改善了1 dB左右。由此可知，当接收天线数N=2时，采用OFDM调制，再把信号进行空时分组编码或空频分组编码，其误码率有所下降，性能得到了改善。

4 结论

该文针对MIMO-OFDM系统的信道特点，得出基于MIMO-OFDM的STBC和SFBC能保证在频率选择性衰落信道中的发射分集增益。同时，随着接收天线的增多，空间域的接收分集增益提高。

参考文献

[1]Ye Li.Simplified Channel Estimation for OFDM Systems With Multiple Transmit Antennas[J].IEEE Trans commun，Vol.1，No.1.67-75，Jan，2002.

OFDM的应用 第12篇

关键词：LTE,OFDM技术,无线网络规划

现在人们联系更加紧密并且具有更随意的移动性, 同时随着移动互联网和物联网的发展对于带宽、移动网络速率的需求井喷式的提高, LTE技术应运而生。LTE采用优化的UTRAN结构, 是下一代无线通信系统, 将会最终演进到4G通信系统, 其将OFDM和MIMO技术作为其无线网络演进的关键技术和唯一标准。因此, 对OFDM技术, 尤其是随着LTE系统的商用和快速发展, 对于OFDM技术在该系统中的应用研究以及与其他技术的结合的研究, 不但具有极其重要的理论意义, 同时对于LTE系统的工程实践部署也具有重要的实践指导意义。

1 LTE系统简介

LTE可以被认为是3.9G的标准, 它采用OFDM和MIMO技术作为其无线网络演进的唯一标准。目前, 在20MHz的传输带宽下, LTE系统能提供下行 (DL) 100Mb/s与上行 (UL) 50Mb/s的峰值速率。LTE系统设计的目标是增加数据速率和小区边缘的比特率, 提高频谱效率和允许进行灵活的无线电频谱分配。对于下行链路来说, LTE使用OFDMA技术, 因为它是获得高频谱效率和满足现存网络需求的最适用的技术, 同时有区别于UMTS所基于的宽带CDMA技术。

2 OFDM技术

OFDM技术的基本思想可以表述为, 在可用频段范围内, 将信道“划分”成若干个正交的子信道。通过串并转换, 把高速串行数据流变成多个低速并行数据流, 进而让每个低速数据流都可以经过每一个子载波的调制。然后, 在每个子信道上进行传输, 可以使得每个子信道上的符号周期相对的增加, 同时还能够保持总的数据速率是恒定的, 从而降低甚至避免了每个子信道上的ISI。为了有效地对抗信道衰落, OFDM技术的本质是将一个频选信道“划分”成若干个具有正交性质的非频选信道。

3 TD-LTE系统的网络规划与工程设计

LTE系统的网络部署与2G、3G的网络部署相比比较复杂。主要有以下两方面的背景:一是在数据业务时代, 人们对于下行速率、上行速率要求更高, 对于时延要求更加的苛刻。在4G时代下行要求达到100Mbps的速率。二是当今是多系统运营商共存的时代, 如中国电信的无线网络 (cdma2000 1X EV-DO、PHS、WLAN) 等技术、中国联通 (WCDMA/HSPA、GSM、GPRS、EDGE、) 等技术、中国移动 (TD-SCADMA、GSM、WLAN、GPRS) 等。因这给我们在LTE时代规划、部署、工程设计等都带来了很大的挑战。接下来我们主要就室外宏基站场景来研究如何规划, 并且给出设计建设方案以及实际案例加以分析。

3.1 网络规划的需求分析

室外宏基站的网络规划需求分析主要包括对覆盖场强的要求和吞吐量的要求, 下面分别加以讨论。在数据业务的热点区域, 为了连续覆盖室外目标区域, 当有95%以上的目标区域达到, 参考信号接收功率 (RSRP) 大于-100d B, 则达到覆盖场强的需求;当邻小区负载率为50%, (1:3) 的业务子帧配置, (3:9:2) 的特殊子帧配比时, F频段小区边缘单用户上、下行速率分别达到256kbps、4Mbps, 单小区上、下行平均吞吐量分别达到4Mbps、22Mbps;当 (2:2) 的业务子帧配置, (10:2:2) 的特殊子帧配比时, D频段小区边缘单用户上、下行速率分别达到512kbps、4Mbps, 单小区上、下行平均吞吐量分别达到8Mbps、20Mbps, 则达到吞吐量的需求。

3.2 某城市LTE宏基站无线设计

本新建宏基站位于某城市密集市区, 站名为大丰开发区, 该站前期与查勘所选经纬度为经度:120.42480, 纬度:33.17602。该基站为共享电信的宏基站主要是解决TD-LTE前期弱覆盖问题, 接收电平小于-93d Bm。问题解决预估为该开发区附近RSRP大于-100d B, 无线接通率大于99%, CS掉话率小于0.15%, PS掉话率小于0.5%。

宏基站的无线设计图一般包括基站天线位置及馈线走向路由图、基站机房设备平面布置图、基站机房走线架及线缆走线路由图等三部分。

该基站为共享电信基站, 为45米景观塔。我们新增LTE天线位于第二平台, 40米的挂高, 方位角分别为0度、120度、240度, 下倾角暂定为3度。本站需要新增一个GPS天线。

该基站机房内新增设备为一个LTE机架。其他的电源, 接地排等设备可以利旧原电信设备。

该基站需新增一些垂直走线架, 单层水平走线架, 具体施工按照图纸所示。

4 结语

本文首先介绍了TD-LTE系统和OFDM技术, 网络质量的衡量指标网络规划的需求分析等问题, 接下来主要研究了TD-LTE系统宏基站的规划设计, 主要包括覆盖性能、容量性能、频率规划、站址规划等方面, 以期对LTE系统的工程实践部署也具有重要的实践指导意义。

参考文献

[1]曾召华.LTE基础原理与关键技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2010:54-56.

[2]宋铁成.OFDM在下一代移动通信中的应用[J].无线电技术与信息, 2013 (1) :63-66.