无线通信收发系统——正交频分复用技术

姓名：甄文晔； 学号：20181214260； 学院：通信工程学院

【嵌牛导读】OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation)，多载波调制的一种。通过频分复用实现高速串行数据的并行传输, 它具有较好的抗多径衰弱的能力，能够支持多用户接入。

【嵌牛鼻子】OFDM技术介绍

【嵌牛提问】什么是OFDM？

【嵌牛正文】

    OFDM 是一种特殊的多载波调制技术。其基本原理是将高速的串行数据流，并行地调制在多个正交的子载波上，这样可以降低码元速率，增大码元周期，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响（信道由频率选择性衰落变为各个子信道局部平坦衰落）。并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，从而减小系统的码间干扰(ISI)，提高系统的抗干扰能力;又由于保护间隔采用循环前缀的方式，当保护间隔长度大于信道的最大时延扩展时，可以避免由于多径而带来的信道间干扰;再者，由于各子载波的正交性，系统的频谱利用率将会大大提高，非常适合衰落移动场合中的高速传输。同时，采用快速傅里叶变换实现OFDM系统的调制解调过程，将大大简化系统实现复杂度。对于含有Nc个子载波的OFDM 系统中，待传输的经过M-PSK或QAM 调制之后的第k个子载波上串行符号为sk，其符号周期为T，信号的起始时刻为ts，发送信号在一个符号周期T内的复基带表达式为：

    相邻子载波中心频率的间隔均为1/T，因此各个子载波上调制的信号相互正交，接收端可以利用此正交性，通过数学方法而不是带通滤波器完成子载波的分离(解调)。以第m个子载波为例，接收端只需对接收信号在T时间内做如下积分，即可得到第m个子载波的解调结果：

    子载波的相互正交性不仅使子载波完全分离的目标得以实现，还由于允许频谱交叠而极大地提高了频谱效率，图4.1为子载波数目为8时，发送信号为矩形脉冲的OFDM系统的子载波频谱分布示意图。接收端只要接收到的子信道信号与本地相关信号在码元期间正交就可以做到无信道间干扰传输。因此OFDM 频谱是满足奈奎斯特准则。在OFDM系统中各个子信道相互正交，而频谱又是相互重叠的，不但可以减少子载波间的相互干扰，同时又可以提高频谱利用率。因为矩形脉冲的频谱呈sinc函数波形，带外谱衰减很慢，实际系统中，为了加快带外谱的衰减，降低OFDM系统对频偏的敏感性，还要通过各种各样的发送信号脉冲成型技术来改善OFDM系统的子载波频谱结构。

图4.1 OFDM子载波频谱图

    在数字通信系统中，上两式可分别由IDFT和DFT变换来实现。这就是利用数字信号处理技术实现多载波并行传输的基本原理。这样大大简化了多载波并行系统的结构，而且在OFDM系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换(FFT/IFFT)来增强系统的实用性。一个OFDM 符号持续时间内的发送信号序列可表示为:

其中因子是为了变换前后信号的总功率保持不变而添加的功率归一化因子

    对OFDM信道频域进行仿真，选择仿真了子载波数为8个和128个情况进行仿真。结果如图4.2所示。

图4.2 仿真OFDM频谱图 (a) 子载波数为8

图4.2 仿真OFDM频谱图 (b) 子载波数为128