OFDM技术概述及其研究意义
1 OFDM技术概述
1.1 OFDM技术发展历史 1.2 OFDM技术的主要优点
1.3 OFDM系统中信道估计的研究现状 2研究意义
1 OFDM技术概述
1.1 OFDM技术发展历史
正交频分复用是一种特殊的多载波调制技术。而多载波调制技术是20世纪60年代研究人员针对宽带数字通信的要求提出的。
数字通信中，如果发射信号的带宽超过了信道相关带宽，信号通过信道时将经历频率选择性衰落，信道呈现出频率选择衰落特性，我们称信道呈现出频率选择特性的数字通信为宽带数字通信。在宽带数字通信中，如果使用单载波调制方式，并且接收端没有采用相应的均衡处理消除频率选择性衰落，系统性能将严重恶化，甚至失去通信能力。而系统采用的信道均衡方法在复杂度和性能之间不容易很好地折衷。为此上个世纪60年代，研究人员提出了与单载波调制方式相对应的多载波调制方式，具体方法是将发射的高速数据流分配为多个低速的支数据流在多个载波上独立并行的传输，每个支数据流独立占用一个子载波，但系统共占用的带宽将小于信道相关带宽，从而各支数据流的信号经过信道将经历平坦衰落，各符号间也不存在码间干扰（ISI），多载波系统采用复杂度相对较低的信道均衡措施就能够很好的消除子载波上的平坦衰落，并且得到很好的传输性能。同时，多载波系统可以通过信道编码充分利用频率分集增益。
在使用多载波技术进行并行数据传输的发展过程中，研究人员提出了三种典型的方法对系统所占频带进行子载波划分。每一种划分方法之间最大的区别是在各个子载波上发射的信号功率谱之间是否存在重叠和重叠程度，从系统频谱利用率的角度分别将三种子载波分割方法描述如下。
第一种方法是使用传统的成型滤波器完全分割子载波上发射信号的功率谱，将系统占用的整个频带分割为N个子载波，功率谱完全独立，并且互相不交叠。这种方法来源于传统的频分复用技术。为了减小或者消除各个子载波之间的相互干扰，按照传统的频分复用技术要求，各个子载波之间必须存在一定宽度的保护带宽，保护带宽的存在限制了系统频谱利用率的提高。于是，又提出了第二种子信道划分方法。
第二种分割方法的每个子载波使用了交错正交幅度调制技术，其各个子载波的功率谱在一3db处发生交叠，系统的频谱用率可以较第一种分割方法提高一
倍。各个子载波发射信号的可分性依靠交错系统两个正交通道上发射数据的半个符号周期来获得，从而在接收端可以独立地恢复各个子载波的数据。
为了进一步提高系统频谱利用率，Chang R. W.等提出了第三种具有多个正交子载波的多载波传输系统，这样的多载波调制技术被称为OFDM技术。在OFDM系统中，每个子载波的功率谱为sinc函数，各个子载波的功率谱通过系统时域矩形窗形成，各个子载波的功率谱紧密地相互交叠。大大提高了系统的频谱利用率。在接收端，子载波信号从接收信号中分离出来不能通过传统的滤波器组方法实现，而是通过对接收信号进行基带处理来实现，即通过基带信号处理来实现频分复用。
OFDM可以被看作一种调制技术，也可以被看作一种复用技术。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。正交频分复用OFDM最早起源于20世纪50年代中期.1971年，S. D. Weinstein和P. M. Ebert提出了用快速傅里叶变换技术实现OFDM调制，同时由于大规模集成电路技术的发展，实现高速大点数FFT的芯片面世，促进了OFDM技术的广泛应用。但是直到20世纪80年代中期，随着欧洲在数字音频广播(DAB)方案中采用OFDM，该方法才开始受到关注并且得到了广泛的应用。
自从20世纪80年代以来，OFDM己经在数字音频广播、数字视频广播、基于IEEE802. 11标准的无线本地局域网(WLAN)以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特数字用户线技术(例如ADSL)中得到了应用。其中大都利用了OFDM可以有效地消除信号多径传播所造成的符号间干扰(ISI)的这一特征。
DAB是在AM和FM等模拟广播基础上发展起来的，其可以提供与CD相比美的音质，以及其它的新型数据业务。1995年，由欧洲电信标准协会(ETSI)制定了DAB标准，这是第一个使用OFDM的标准。接着在1997年，基于OFDM的DVB标准也开始投入使用，在ADSL应用中，OFDM被典型地当作离散多音调制(DMT modulation)，成功的应用于有线环境中，可以在1MHz带宽内提供高达8Mbit/s的数据传输速率。1998年7月，经过多次的修改之后，IEEE802. 11标准组决定选择OFDM作为WLAN(工作于5GHz波段)的物理层接入方案，目标是提供6Mbit/s-54M bit/s数据速率，这是OFDM第一次被使用于分组业务通信当中。而且此后，ETSI, BRAN以及MMAC也纷纷采用OFDM作为物理层的标准。此外，OFDM还易于结合空时编码，分集，干扰抑制以及智能天线等技术，最大程度上提高了物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制，自适应编码以及动态子载波分配，动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步的得到优化。
1.2 OFDM技术的主要优点
OFDM技术有以下几个优点：
(1) 抗码间干扰能力较强。在OFDM系统中，高速数据流经过串/并转换分散到多个正交的子载波上传输，从而使得子载波上的符号速率大大降低，符号持续周期相对增加，因此有效的减轻了由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性，避免了ISI。有时甚至可以不采用均衡器，仅通过插入循环前缀（Cyclic Prefix，CP）的方法便可以消除ISI的不利影响。
(2) 较高的抗衰落和抗窄带干扰能力。当信道中出现频率选择性衰落或者干扰时，对于OFDM信号来讲，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，而其它的子载波未受损害。因此，还可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比相对较高的子信道，从而使系统性能得到提高。
(3) 较高的频谱利用率。OFDM系统采用相互正交的子载波作为子信道，允许子信道的频谱相互重叠，可以最大限度的利用频谱资源。一般来说，当子载波的个数趋于无限时频带利用率可以达到2band/Hz。
图1 正交频分复用信号频谱
(4) OFDM系统中可以利用IDFT/DFT来代替多载波调制和解调，实现各个子信道的正交调制和解调。对于子载波数目较大的系统，还可以采用快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)来实现。随着大规模集成电路技术和DSP技术的发展，快速傅立叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）和FFT都是非常容易实现的，这也是OFDM之所以越来越备受关注的一个重要原因。
(5) 适用于无线数据业务中的非对称性传输。在无线数据业务中，下行链路中的数据传输量要远远大于上行链路的数据传输量，因此，无论从用户数据业务的使用需求还是从移动通信系统的自身要求考虑，都希望物理层支持非对称的高速数据传输。OFDM技术可以通过使用不同数量的子信道来很容易的实现下行和
OFDM技术概述及其研究意义
