Wimax关键技术--OFDM技术研究

原创

小星星呼呼 2013-06-16 20:19:06 ©著作权

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Wimax关键技术--OFDM技术研究

摘要：

Wimax技术是今后通信事业发展的一项重要技术，它的传播距离远，抗干扰等特点深受人们青睐，这也是此项技术在未来能大量运用于现实生活中的主要原因。Wimax能拥有这样优良的性能，离不开OFDM（正交频分复用），OFDM技术使Wimax有较强的抗干扰能力，OFDM可称为Wimax的核心技术。

关键词：Wimax OFDM 抗干扰正交频分复用

Abstract:

Wimax technology isthe development of an important communication technology in the future, its propagation distance, interference and other characteristics favored by the people, which is a lot of this technology can be applied in the future in real life the main reason. Wimax to have such excellent performance, without OFDM (orthogonal frequency division multiplexing), OFDM technology enables Wimax has strong anti-jamming capability, OFDM can be called Wimax core technology.

Keyword: Wimax OFDM anti-interference orthogonal frequency division multiplexing

一．OFDM的发展与简介

1.1 OFDM简介

OFDM(Orthogona1Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用，是一种多

载波数字调制技术，于 20 世纪 60 年代就己提出，该技术的特点是易于实现信道均衡，降低了均衡器的复杂性，但由于 OFDM 技术要求大量的复杂计算和高速存储设备，当时的技术条件达不到，所以仅在一些军用系统中有过应用。第一个OFDM 技术的实际应用是军用的无线高频通信链路，由于早期的 OFDM 系统结构非常复杂，需要使用多个调制解调器，从而限制了它的应用和发展。1971年，Weinstein 和 Ebert 提出了采用离散傅立叶变换来等效多个调制解调器的功能，简

化了系统结构，使得 OFDM 技术更趋于实用化。近年来，由于数字信号处理技术

和大规模集成电路技术(VLSI) 的发展，制约 OFDM 技术发展的障碍已不存在，同时，80 年代中期以来由于无线通信技术，特别是无线多媒体技术的飞速发展，要求的数据传输速率越来越高。随着传输速率的提高，信道干扰更加严重，采用传统的单载波调制方式，其信道均衡的难度也随之增加，而采用 OFDM 调制技术可有效地处理信道干扰，提高系统的传输速率，因此倍受瞩目。1995 年欧洲电信标准委员会(ETSI)将 OFDM 作为数字音频广播(DAB)的调制方式，这是第一个以OFDM 作为传输技术的标准。欧洲数字视频广播联盟也在 1997 年采用 OFDM 作为其地面广播(DVB-T)调制标准。1999 年 IEEE 将 OFDM 作为其无线局域网标准IEEE802.lla 的物理层的调制标准。OFDM 和 CDMA 的结合也被用于宽带 CDMA中。目前 OFDM 技术己经被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路(ADSL)、 ETSI 标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。正交频分复用技术(OFDM)是一种无线环境下高速传输技术。无线信道的频率响应大多是非平坦的，而 OFDM 技术的主要思想就是在频域内将所给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，也就是具有频率选择性，但是每个子信道

是相对平坦的，并且在每个子信道上是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，可以大大消除信号波形间的干扰，又由于各子信道的载波间相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样既减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。OFDM 技术具有较强的抗信道频率选择性衰落的性能，是抗信道多径的有

效方法。随着 DSP 芯片技术的发展，傅立叶变换 /反变换、高速 Modem 采用的64/128/256QAM 技术、栅格编码技术、信道自适应技术、插入保护时段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。OFDM 技术由于使用正交重叠的频谱，频谱效率较高，另外还具有抗多径时延、硬件实现简单等优点，目前已基本被公认为 Beyond3G 的核心技术，尤其

是OFDM、多载波作为一项核心技术和其他先进的发送和接收技术的结合，更是今后研究的热点。

近年来，OFDM 系统已经越来越得到人们的关注，其主要原因在于 OFDM 系统存在如下的主要优点[1]：

(1)带宽利用率很高。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，各子信道频带间严格分离，接收端通过带通滤波器虑除带外的信号来接收每个子信道上的数据，频谱利用率低。而 OFDM 系统中由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互混叠，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 Band/Hz。

(2)把高速数据流通过串并转换，调制到每个子载波上进行并发传输，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，有效地减小由于无线信道的时间弥散所带来的 ISI。此外，OFDM 采用了循环前缀技术，即将 OFDM 符号的后几个样值复制到 OFDM 符号的前面，有效的抵抗多径衰落的影响。减小了接收机内均衡

的复杂度，甚至可以不采用均衡器。

(3)各个子信道的正交调制和解调可以通过离散傅立叶反变换(IDFT， InverseDiscrete Fourier Transform)和离散傅立叶变换(DFT， Discrete Fourier Transform)的方法来实现。在子载波数很大的情况下，可以通过采用快速傅立叶变换(FFT)来实现。近年来，随着大规模集成电路和 DSP 技术的发展，FFT 和 IFFT 技术都非常容易实现，进一步推动了 OFDM 技术的发展。

(4)无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据量。另一方面，移动终端功率一般比较小，传输速率较低，而基站恰恰相反。因此无论从用户数据业务的使用要求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而 OFDM 系统可以很容易地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。

OFDM 系统由于采用了正交多载波技术，因此与单载波系统相比存在如下缺点：

（1)对同步误差十分敏感，OFDM 子信道的频谱相互混叠，信号的解调是通过FFT 变换实现的，要求各个子载波之间保持正交，才能解调得到每一路数据。而无线信道具有多径时变特性，在传输过程中出现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，都会破坏子载波间的正交性，引起严重

的子信道间干扰(ICI，Inter-channel Interference)，每个子载波上的数据都将受到其余多个子载波上数据的千扰，解调性能迅速恶化。同步问题是本文具体阐述的问题。

(2)峰值平均功率比(PAPR)较高。OFDM 系统的输出是多个子信道信号的叠加，输出信号的包络起伏很大，当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大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比。当峰值平均功率比较大时，要求发射机内放大器具有很大的线性动态范围。如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会引起信号畸变，导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，使系统性能恶化。提出通过预编码的方法，使各子载波间的传输信息相互关联，以达到降低以 PAPR 的目的。提出了限幅法，当然还有别的一些方法，如编码和调制相结合的方法，选择性映射的方法等，这些方法虽然都有一定的效果，但迄今为止仍然没有一种很好的解决方法可以兼顾性能和复杂度问题。

1.2 OFDM的发展

OFDM 是一种相当有潜力的技术，目前是移动通信领域的关键技术之一，它具有很多其它无线传输技术所未有的特点，适合于高速的无线数据传输系统，具有广阔的市场前景，被广泛应用于无线局域网、DAB、DVB 以及 HDTV 等系统中，并很有可能成为第四代移动通信的核心技术，但 OFDM 存在着一些固有的缺点需

要克服，这些缺点的存在将使 OFDM 的优点无法充分体现出来，同步技术是 OFDM的关键技术之一，对 OFDM 来说具有举足轻重的影响，目前，国内外很多学者提出了很多种同步方案，但寻找一种易于实现、性能良好的同步方案是一个仍旧需要研究的课题。本文比较全面的分析了 OFDM 的同步技术，并对几种主要的同步技术实现方法进行重点介绍。

二．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，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。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，但己与过去的 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。

正交调制原理框图

三．Matlab仿真

function [ ERR ] =OFDM(Eb_N0)

carr=256; %子载波个数

sym_c=10; %每个子载波含有的OFDM符号数

bit_sym=2; %每个符号含有的比特数，QPSK调制

IFFT_n=256; %IFFT点数

r=1/10; %保护间隔和OFDM数据的比例；

SNR=10; %信噪比 dB

%产生信号

su=carr*sym_c*bit_sym;

colume=su/(2*carr);

signal=rand(1,su)>0.5; %初始信号

%QPSK调制,QPSK_sig里面存放的是调制后的信号，数目sumQ

sumQ=su/2;

imag=sqrt(-1); % 虚部 j

QPSK=[-1+imag,-1-imag,1+imag,1-imag]; %创建QPSK 映射表

SIGNAL=zeros(1,sumQ); %计算并存放调制前的十进制数据

QPSK_sig=zeros(1,sumQ); %存放调制后的QPSK信号

for n=1:sumQ

SIGNAL(n)=signal(2*n-1)*2+signal(2*n); %将二进制换算成十进制

end

for i=1:sumQ

if SIGNAL(i)==0;

QPSK_sig(i)=QPSK(1);

elseif SIGNAL(i)==1;

QPSK_sig(i)=QPSK(2);

elseif SIGNAL(i)==2;

QPSK_sig(i)=QPSK(3);

elseif SIGNAL(i)==3;

QPSK_sig(i)=QPSK(4);

end

%串/并转换计算第i个载波上面的信号to_par（i，：）

colume=sumQ/carr;

for i=1:carr % carr载波个数

for j=1:colume;

to_par(i,j)=QPSK_sig(carr*(j-1)+i);

end

colume=sumQ/carr;

%每个子载波上进行 IFFT变换（调制后的QPSK信号进行IFFT）

for j=1:colume

y(:,j)=ifft(to_par(:,j));

end

yr=real(y); %实部

yi=(y-yr)*sqrt(-1)*(-1);

%加入保护间隔

CP_len=r*colume; %保护间隔长度

yr=[yr(:,colume-CP_len+1:colume),yr];

yi=[yi(:,colume-CP_len+1:colume),yi];

y_=yr+yi*sqrt(-1);

y_se=reshape(y_,1,(colume+CP_len)*carr);

y_series=y_se.*2-1;

%加入高斯白噪声

kk=1:length(Eb_N0);

spow=sum(y_series.*y_series)/su;

attn=0.5*spow*10.^(-Eb_N0(kk)/10);

attn=sqrt(attn);

inoise=randn(1,length(y_series)).*attn; % randn: built in function

y_s_noi=y_series+inoise;

y_par=reshape(y_s_noi,carr,colume+CP_len);

%去掉保护间隔

y_r=real(y_par);

y_i=(y_par-y_r)*(-1)*sqrt(-1);

y_r=y_r(:,CP_len+1:colume+CP_len);

y_i=y_i(:,CP_len+1:colume+CP_len);

%FFT变换

y_complex=y_r+y_i*sqrt(-1);

for j=1:colume

y_fft(:,j)=fft(y_complex(:,j));

end

QPSK=[-1+imag,-1-imag,1+imag,1-imag];

Y_r=real(y_receive);

Y_i=(y_receive-Y_r)*(-1)*sqrt(-1);

for i=1:sumQ

if Y_r(i)<0;

Y_r(i)=0;

else

Y_r(i)=1;

end

for i=1:sumQ

if Y_i(i)<0;

Y_i(i)=1;

else

Y_i(i)=0;

end

for i=1:sumQ

Y(2*i-1)=Y_r(i);

Y(2*i)=Y_i(i);

end

check=signal-Y;

figure(1);

subplot(3,1,1),stem(signal(1:50),'.'),grid minor;

title('The Original Signal');

xlabel('x'),ylabel('y');

subplot(3,1,2),stem(Y(1:50),'.'),grid minor;

title('The Final Signal');

subplot(3,1,3),stem(check(1:50),'.'),grid minor;

title('发端与收端的误差');

ER=sum(abs(Y-signal)==1);%计算相干解调误码个数

ERR=ER/length(signal);%计算相干解调误码率

顶层:

clear all;

clc;

r=0:15;

for ebn0=0:15

Pe(ebn0+1)=OFDM(ebn0);

end

plot(r,Pe,'b-o');

% axis([0 15 10^(-6) 1]);

grid on

title('OFDM性能');

图1 OFDM性能

clear all;

clc;

SNR=10; %信噪比取值，dB 为单位

fl=128; %设置 FFT 长度

Ns=6; %设置一个帧结构中 OFDM 信号的个数

para=128; %设置并行传输的子载波个数

sr=250000; %设置符号速率

br=sr*2; %设置每个子载波的比特率

gl=32; %设置保护时隙的长度

Signal=rand(1,para*Ns*2)>0.5; %输出信源波形

figure(1);

plot(211),stem(Signal(1:20)),grid; %产生 0，1 随机序列，符号个数为 para*Ns*2

for i=1:para

for j=1:Ns*2

SigPara(i,j)=Signal(i*j); %为行数为 para，列数为 2*Ns 的矩阵

end

%进行 QPSK 数据调制

for j=1:Ns

ich(:,j)=SigPara(:,2*j-1);

qch(:,j)=SigPara(:,2*j);

end

kmod=1./sqrt(2); %串并转换，将随机产生的二进制矩阵变换

ich0=ich.*2-1;

qch0=qch.*2-1;

ich1=ich.*kmod;

qch1=qch.*kmod;

x=ich1+qch1*sqrt(-1);

%产生复信号

figure(2);

plot(ich1,qch1,'bo');

grid on;

y=ifft(x);

ich2=real(y);

qch2=imag(y);

%通过傅立叶逆变换将频域数据转换为时域数据

%I 信道取变换后的实部

%信道取变换后的虚部

%**********插入保护间隔***********************

ich3=[ich2(fl-gl+1:fl,:);ich2];

qch3=[qch2(fl-gl+1:fl,:);qch2];

%**********串并转换***************************

ich4=reshape(ich3,1,(fl+gl)*Ns);

qch4=reshape(qch3,1,(fl+gl)*Ns);

%形成复数发射数据

TrData=ich4+qch4.*sqrt(-1);

%接收机，加入高斯白噪声

spow=sum(TrData.*TrData)/length(TrData);

attn=0.5*spow*10.^(-SNR/10);

attn=sqrt(attn);

%********* Add White Gaussian Noise (AWGN) **********

inoise=randn(1,length(TrData)).*attn; % randn: built in function

ReData=TrData+inoise;

%接收端，去掉保护时隙

idata=real(ReData);

qdata=imag(ReData);

idata1=reshape(idata,fl+gl,Ns);

qdata1=reshape(qdata,fl+gl,Ns);

idata2=idata1(gl+1:gl+fl,:);

qdata2=qdata1(gl+1:gl+fl,:);

Rex=idata2+qdata2*sqrt(-1);

%进行傅立叶变换

ry=fft(Rex);

%QPSK 解调

ReIChan=real(ry);

ReQChan=imag(ry);

figure(3);

plot(ReIChan,ReQChan,'o');

grid on;

ReIChan= ReIChan/kmod;

ReQChan= ReQChan/kmod;

ReIChan0= (ReIChan+1)/2;

ReQChan0= (ReQChan+1)/2;

%QPSK 逆映射

for j=1:Ns

RePara(:,2*j-1)=ReIChan0(:,j);

RePara(:,2*j)=ReQChan0(:,j);

end

ReSig=reshape(RePara,1,para*Ns*2);%串并变换

figure(4);

plot(210),stem(ReSig(1:20)),grid;

%符号抽样判决

ReSig=ReSig>0.5;

figure(5);

plot(212),stem(ReSig(1:20)),grid;

顶层：

clear all;

clc;

r=0:15;

for ebn0=0:15

Pe(ebn0+1)=OFDM(ebn0);

end

plot(r,Pe,'b-o');

% axis([0 15 10^(-6) 1]);

grid on

title('OFDM性能');

图2 输出信源波形

图3 复信号的星座图

图4 加噪声调制后的星座图

图5 串并转后的输出信号

图6 化为单极性信号

四．总结

OFDM 作为一种具有很强的抗多径衰落能力的调制解调技术，克服了 CDMA技术在无线信道中传输高速数据业务所遇到的瓶颈问题，即严重的码间干扰。目前称为移动通信领域的关键技术之一，很有希望称为以支持高速的多媒体业务为基本特征的第四代移动通信系统的核心技术。OFDM 作为一项极具潜力的技术，有着很多其它传输技术所未有的优点，具有很高的频谱利用率，很强的抗多径衰落、抗突发噪声的能力，支持高速数据传输等等，在很多领域得到了广泛应用。但由于 OFDM 对同步误差十分敏感，因此同步技术是 OFDM 的关键技术之一，同步性能对 OFDM 系统有着举足轻重的影响，而且同步电路在 OFDM 接收机中所占的分量极大，如何设计出实现起来简单，性能又较好的同步电路，对于 OFDM 系统的开发具有重要意义。

参考文献（Reference）：

[1] 汪裕民．OFDM 关键技术与应用．机械工业出版社．2007．

[2] 张军曹丽娜．现代通信原理与技术．西安电子科技大学出版社．2002-1．

[3] 樊昌信, 曹丽娜．通信原理．国防工业出版社．2006．