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OFDM原理及其应用(论文).doc
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1、OFDM原理及其应用(论文) 作者: 日期:2 个人收集整理 勿做商业用途大连理工大学城市学院本科生毕业设计(论文)学 院:电子与自动化学院专 业: 电子信息工程 学 生: 指导教师: 完成日期: 2010年5月26日 3大连理工大学城市学院本科生毕业设计(论文)题目名称OFDM的原理及其应用总计 毕业设计(论文) 50 页表格 2 个插图 14 幅摘 要在现代通信系统中,如何高速和可靠地传输信息成为人们关注的一个焦点。虽然现在数据传输理论和实践已经取得了相当大的进展,但是随着通信的发展,特别是无线通信业务的增长,可以利用的频率资源日趋紧张。OFDM调制技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提
2、高频带利用率开辟了一条的新路径。正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是当前一种非常热门的通信技术.它即可以被看作是一种调制技术,也可以被看作是一种复用技术。由于它具有抗多径衰落和频谱利用率高的特点,因此被广泛应用于高速数字通信领域,比如应用于IEEE 802.11a无线局域网(WLAN)的物理层等等。本文叙述了正交频分复用技术的产生背景、发展历史、基本原理和OFDM系统的实现方法.其中OFDM的原理部分介绍了OFDM的系统组成、调制方式、信道的分配以及使用OFDM技术的优势与不足所在,指出在短波通信中采用OFDM体制需要
3、解决的几个关键性技术。最后总结了OFDM系统的性能特点以及在实际中的应用, 并且展望了今后的无线移动技术的发展前景。关键词:正交频分复用;调制;解调;4GAbstractIn modern communication system, how to transmit information with high speed reliablely become a focus that people pay attention to. Though now, data transmission theory and practice have gotten fairly big progress,
4、but along with the development of communication, especially the increase of wireless communication business but with a view to with frequency resource become tense day by day. The appearance of OFDM modulation technology is the modulation technology of interference rejection that realizes efficiency
5、 with raising the utilization rate of frequency band have opened up a new route. Because of wireless environment where multipath maybe significant, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), a special form of multicarrier modulation (MCM), where a single data stream is transmitted over a num
6、ber of lower rate subcarriers has recently received considerable attention for its robustness to multipath selective fading and high bandwidth efficiency。 It can be seen as either a modulation technique or a multiplexing technique.个人收集整理,勿做商业用途个人收集整理,勿做商业用途This paper has narrated orthogonality frequ
7、ency to divide, use again the technical realization method that produces the system of background, development history, basic principle and OFDM。 In which, the principle system of OFDM that has introduced OFDM partially forms and makes the distribution of way and channel as well as uses insufficient
8、 place and the advantage of OFDM technology, point out in some crucialness technologies that short wave solves in communication with OFDM system needs. Have summarized the performance characteristic of OFDM system as well as the application in reality finally, and have looked ahead in the future wir
9、eless move technology develop prospect.文档为个人收集整理,来源于网络本文为互联网收集,请勿用作商业用途Keywords: OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing); Modulation; Demodulation;4G目 录第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 课题任务及要求11.3 课题内容及安排2第2章 OFDM技术的产生背景及发展过程32.1 OFDM的产生背景32.2 OFDM的发展过程5第3章 OFDM的基本原理93.1 OFDM简介93.2 多载波传输133。3 正交频分复用153
10、。3。1 基本原理153.3.2 DFT的实现193。3.3 OFDM系统组成203。3。4 保护间隔、循环前缀和子载波数的选择243.3。5 调制方式273。3。6 OFDM的信道分配283.4 OFDM的关键技术293。4.1 同步技术293。4.2 功率峰值与均值比(PARP)的解决303。4.3 训练序列和导频及信道估计技术313.5OFDM技术的优势323.6OFDM技术的缺陷33第4章 OFDM技术在实际中的应用354.1 OFDM在ADSL中的应用354。2 OFDM在电力线通信中的应用364。3 OFDM在有线电视网络中的应用384。4 OFDM在数字电视中的应用394.5 O
11、FDM在数字音频广播中的应用404。6 OFDM在第4代(4G)移动通信系统中的应用414。7 OFDM在3。5G宽带无线接入中的应用424.8 OFDM在WiMAX无线城域网中的应用424。9 OFDM在无线局域网中的应用43OFDM技术的前景与展望46结束语48致 谢49参考文献5050第1章 绪 论1.1 课题背景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
12、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
13、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。1.2 课题任务及要求介绍OFDM技术的产生,发展以及在科学技术领域的地位和作用,介绍OFDM的原理,具体包括:多载波传输,传统的频分复用,正交频分复用,相关数学表达式,OFDM的系统实现过程,信号的发送与接收步骤,调制与解调的方式,OFDM的信道分配,OFDM技术的优势与缺陷以及相关的改进技术。最后介绍OFDM技术在实际领域中的应用。1.3 课题内容及安排本毕业设计主要叙述了正交频分复用技术的基本原理和OFDM系统的实现方法,通过一些通俗易懂的图形,对正交频分复用(OFDM)的基本原理及其在移动通信中的应
14、用进行了阐述.首先从高的频谱利用率和抗多径衰落出发,先对OFDM优点的基本原理进行了阐述,包括接收机技术和峰均比问题等;然后分析了循环前缀对时间弥散信道所带来的ISI和ICI的消除。最后总结了OFDM系统的性能特点以及在实际中的应用。本文安排如下:第一章:绪论,概述论文写作背景.第二章:介绍OFDM的产生背景及其发展过程.第三章:介绍OFDM的原理的关键技术以及OFDM系统的性能特点.第四章:介绍OFDM技术在实际领域的应用。第2章 OFDM技术的产生背景及发展过程2.1 OFDM的产生背景现代移动通信是一门复杂的高新技术,不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就,而且集中了网络接收和计算机
15、技术的许多成果。目前,移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段,并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是,能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。1978年底,美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统(AMPS),建成了蜂窝状模拟移动通信网,大大提高了系统容量。与此同时,其它发达国家也相继开发出蜂窝式公共移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统,并在世界各地迅速发展,这个系统一般被当作是第一代移动通信系统。从20世纪80年代中期开始,数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝模拟网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。80年代中期,欧洲首先推
16、出了全球移动通信系统(GSM:Global System for Mobile)。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。20世纪90年代初,美国Qualcomm公司推出了窄带码分多址(CDMA:CodeDivision Multiple Access)蜂窝移动通信系统,这是移动通信系统中具有重要意义的事件。从此,码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高,已有的第二代移动通信网将很难满足新的
17、业务需求。为了适应新的市场需求,人们正在制定第三代(3G)移动通信系统.但是由于3G系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构,所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前,人们已经把目光越来越多得投向超三代(beyong 3G)的移动通信系统中,使其可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良,以及达到高速数据传输的要求.若从技术层面来看,第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术,三代以后的移动通信系统则以正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)最受瞩目,特别是有不少专家学者针
18、对OFDM技术在无线通信技术上的应用,提供了相关的理论基础,例如无线区域环路(WLL:Wireless Local Loop)、数字音讯广播(DAB: Digital Audio Broadcasting)等,都将在未来采用OFDM技术.目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统,然而基于支持话音业务的电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的需要,但是对于高速数据业务来说,单载波TDMA(Time Division Multiple Access)系统和窄带CDMA系统中都存在很大的缺陷.由于无线信道存在时延扩展,而且高速信息流的符号宽度又相对较窄,所以符号之间会存在较严重的符号间干
19、扰(ISI:InterSymbol Interference),因此对单载波TDMA系统中使用的均衡器提出非常高的要求,即抽头数量要足够大,训练符号要足够多,训练时间要足够长,而均衡算法的复杂度也会大大增加。对于窄带CDMA来说,其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。保证相同带宽的前提下,高速数据流所使用的扩频增益就不能太高,这样就大大限制了CDMA系统噪声平均的优点,从而使得系统的软容量受到一定的影响,如果保持原来的扩频增益,则必须要相应的提高带宽。此外,CDMA系统内的一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制,这在电路交换系统中比较容易实现,但对于分组业务来说,对信道进行探测,然后再
20、返回功率控制命令会导致较大的时延,因此对于高速的无线分组业务来说,这种闭环的功率控制问题也存在缺陷.个人收集整理,勿做商业用途本文为互联网收集,请勿用作商业用途因此,人们开始关注正交频分复用(OFDM)系统,希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题,从而可以满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度.移动通信系统的发展状况如表2-1所示.表2-1 通信系统的发展状况第一代(1G)第二代(2G)第三代(3G)时间1987199619902001业务模拟移动电话语音数据数字语音消息高速数据, 宽带视频,多媒体结构宏蜂窝微蜂窝,微微蜂窝,无线本地环路无线技术模拟调频 FDD
21、FDMA数字调制,CDMA使用TDD和FDD的TDMACDMA,可能与TDMA结合,或者与TDD和FDD结合频段800MHz800+1900MHz2GHz实例AMPS ,TACS,ETACS,NMT450/900,NTT,JTACS/NTACSCDMA,GSM/DCS1900,US TDMA IS136CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA在通信传输体制中,并行传输与串行传输一直是两种重要的传输方式。早期由于种种技术原因的制约,限制了并行传输技术在实际中的应用。串行方式一直占据着主导地位,串行在严重的码间干扰或信道衰落下,高速率的串行方式传输将变得非常困难。而并行传输体制则带来了一种新
22、的、高效的调制解调技术。他将所要传输的数据流分解成若干个比特流,使得每一个子数据流具有低得多的比特传输速率,从而使抗码间干扰或信道衰落的能力增强.传统的频分复用(FDM)的优点是简单、直接。但是频谱的利用率低,子信道之间要留有保护频带,而且在频分路数N较大时多个滤波器的实现使系统复杂化.带宽在移动通信中是稀缺的资源,所以必须采用先进的技术有效利用频率资源,同时要克服在无线信道下的多径衰落,降低噪声和多径干扰,OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正是在这一背景下被提出来的。2.2 OFDM的发展过程OFDM的历史要追溯到20世纪60年代
23、中期,当时RwChang发表了关于带限信号多信道传输合成的论文。他描述了发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)的原理。此后不久,Saltzberg完成了性能分析。他提出“设计一个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰(crosstalk)而不是完成单个信道,因为前者的影响是决定性的。”1970年,OFDM的专利发表,其基本思想就是通过采用允许子信道频谱重叠,但又相互间不影响的频分复用(FDM)的方法来并行传送数据,不仅无需高速均衡器,有很高的频谱利用率,而且有较强的抗脉冲噪声及多径衰落的能力。OFDM早期的应用有ANIGSC-1O(KA
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