基于Matlab的OFDM系统仿真

现代通信的发展是爆炸式的。从电报、电话到今天的移动电话、互联网，人们从中享受了前所未有的便利和高效率。从有线到无线是一个飞跃，从完成单一的话音业务到完成视频、音频、图像和数据相结合的综合业务功能更是一个大的飞跃。在今天，人们获得了各种各样的通信服务，例如，固定电话、室外的移动电话的语音通话服务，有线网络的上百兆bit的信息交互。但是通信服务的内容和质量还远不能令人满意，现有几十Kbps传输能力的无线通信系统在承载多媒体应用和大量的数据通信方面力不从心:现有的通信标准未能全球统一，使得存在着跨区的通信障碍;另一方面，从资源角度看，现在使用的通信系统的频谱利用率较低，急需高效的新一代通信系统的进入应用。

目前，3G的通信系统己经进入商用，但是其传输速率最大只有2Mbps，仍然有多个标准，在与互联网融合方面也考虑不多。这些决定了3G通信系统只是一个对现有移动通信系统速度和能力的提高，而不是一个全球统一的无线宽带多媒体通信系统。因此，在全世界范围内，人们对宽带通信正在进行着更广泛深入的研究 。

正交频分复用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 是一种特殊的多载波方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作是一种复用技术。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，在60年代就已经形成恶劣使用并行数据传输和频分复用的概念。1970年1月首次公开发表了有关OFDM的专利。

在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为N个相互不重叠的频率子信道。每个子信道传输独立的调制符号，然后再将N个子信道进行频率复用。这种避免信道频谱重叠看起来有利于消除信道间的干扰，但是这样又不能有效利用宝贵频谱资源。为了解决这种低效利用频谱资源的问题，在20世纪60年代提出一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的频域距离也是如此，从而可以避免使用高速均衡，并且可以对抗窄带脉冲噪声和多径衰落，而且还可以充分利用可用的频谱资源 。

常规的非重叠多载波技术和重叠多载波技术之间的差别在于，利用重叠多载波调制技术可以几乎节省50%的带宽。为了实现这种相互重叠的多载波技术，必须要考虑如何减少各个子信道之间的干扰，也就是要求各个调制子载波之间保持正交性。

1971年，Weinstein和Ebert把离散傅立叶变换（DFT）应用到并行传输系统中，作为调制和解调过程的一部分。这样就不再利用带通滤波器，同时经过处理就可以实现FDM。而且，这样在完成FDM的过程中，不再要求使用子载波振荡器组以及相关解调器，可以完全依靠执行快速傅立叶变换（FFT）的硬件来实施。

早在20世纪60年代，OFDM技术就已经被应用到多种高频军事系统中，其中包括KINEPLEX、ANDEFT以及KNTHRYN等。以KNTHRYN为例，其中的可变速率的数据调制解调器可以最多使用34个并行低速调相子信道，每个子信道之间的间隔为82Hz 。

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。

1、OFDM系统的发展现状

自上世纪90年代以来，正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的应用已越来越广泛。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域己得到广泛的应用。主要的应用包括:非对称的数字用户环路 (ADSL), ETSI标准的音频广播 (DAB)、数字视频广播 (DVB)等。

1999年IEEE 802.11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为它的物理层标准OETSI的宽带射频接入网(BRAN)的局域网标准也把OFDM定为它的调制标准技术。1999年 12月，包括Ericsson, Nokia和Wi-LAN在内的七家公司发起了国际OFDM论坛，致力于策划一个基于OFDM技术的全球性单一标准。现在OFDM论坛的成员已经增加到46个会员，其中15个为主要会员。我国的信息产业部也己参加了OFDM论坛，可见OFDM在无线通信的应用己引起国内通信界的重视 。

2000年 1月，OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE 892.63城域网委员会提交了一份建议书，提议采用OFDM技术作为IEEE892.16.3城域网的物理层(PHY)标准。随着IEEE802.l la和BRAN HyperLAN/2两个标准在局域网的普及和应用，OFDM 技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。OFDM 由于其频谱利用率高，成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。并且，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、软判决技术、信道自适应技术、插入保护间隔、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们将会集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计第三代以后的无线宽带通信的主流将会基于OFDM技术。

除了己经标准化了的系统之外，OFDM 正在作为四代移动通信的关键技术在各国进行广泛的研究和试验，我国大唐电信，还有日本，韩国也在去年相继开始了OFDM在四代移动通信中的研究 。

OFDM目前存在两个不同的联盟:一个是OFDM论坛，主要协调各成员递交给IEEE与OFDM有关的建议;另一个是宽带无线互连网论坛，开发了一个VOFDM规范。OFDM论坛已经在IEEE 802.16无线MAN会议上向802.16.3分会递交了物理层建议，在这个会议上除了CDMA外有许多OFDM的建议被提出 。

除了标准无线局域网的系统研究外，许多公司与研究机构已经对OFDM的关键技术进行了广泛的试验，在基于OFDM高速无线传输上取得了很好的成果。

AT&T在4G物理层的方面进行了智能天线、多输人多输出系统、空—时编码、动态包分配和 W-OFDM等的研究。已经在室内和现场测试中验证了OFDM接收系统分离不同天线接收所信号的能力，完成了全移动和室外到室内环境下发射天线、接收天线配置的测试。

Flarion技术公司致力于 Flash-OFDM的研究与推广;Wi-LAN公司的W-OFDM技术在最近的测试中，对70mph的移动系统达到了30Mbps的数据传输速率，超过了业界对4G期望的10Mbps速率。

Lucent实现了室内8发射天线、12接收天线在30kHz带宽26bps/Hz的传输率。

符合IEEE802.11a标准的ASIC已经批量生产，内置所有物理层的信号处理功能，包括参量化的均衡器、时钟偏移跟踪、可编程的模式捕获与转换器等，可以达到标准54Mbps的速率 。

2、的发展趋势

今后，OFDM的发展方向主要是增加传输距离、进一步提高传输速率以及与现有的网络设备兼容。随着数字信号处理和大规模集成电路技术的飞速发展，OFDM调制已经逐渐应用到无线通信、高清晰度广播电视等领域。采用OFDM技术实现电力线上高速数据的传输是一个崭新的课题，这方面Intellon公司率先在全球做了积极的探索。该公司经过几年的努力研制出了电力线高速数据的产品PowerPacket。该系统采用OFDM技术，将4．3 MHz～20．9 MHz的频带划分成84个子信道，每个子信道可以采用DQPSK、DBPSK或ROBO调制方式，传输速率不小于14Mbps 。

OFDM调制的高速率和良好的性能是通过提高系统复杂性为代价获得的。该技术的最大难点是如何实现各个子信道的精确同步。OFDM的基础是各个子载波必须满足频率正交性的特点，如果正交性恶化，整个系统的性能会严重下降，即产生OFDM所特有的通道间串扰（ICI） 。随着数字信号处理和锁相环（PLL）技术的发展，现在人们可以精确跟踪信道冲激响应的实时变化，均衡ICI的影响。

优势：OFDM存在很多技术优点见如下，在3G、4G中被运用，作为通信方面其有很多优势： 

(1) OFDM技术在窄带带宽下也能够发出大量的数据,能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎，例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大WiLAN工学院也开始使用这项技术。 

(2) 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地进行成功的通信.该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。 

(3) OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。 

(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。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。 

(7) OFDM技术可使信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。 

存在不足：虽然OFDM有上述优点，但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势：

(1)对相位噪声和载波频偏十分敏感

这是OFDM技术一个非常致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ICI，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ICI。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。

2)峰均比过大

OFDM信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子。因为OFDM信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。

(3)所需线性范围宽

由于OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。