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OFDM技术及其在电力线高速数据通信中的应用作者：黄海燕关继勇日期：2004-11-3引言OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个于载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时义提高了频谱利用率。 OFDM技术是HPA联盟(HomePlng Powerline Alliance)工业规范的基础，这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。例如在电力线高速通信系统巾，由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，电力传输网的固有特点使其作为通信信道使用时，其特性并不理想，因此，使用OFDM调制技术为电力线高速通信技术的发展开辟了更广阔的前景。OFDM的基本原理 OFDM信号发送器的原理(如图所示)是：用户信号以串行的方式输入发送器，速率为R码字／秒。这些码字先被送入一个串行/并行变换器中，使串行输入的信号以并行的方式输出到N条线路上。这N条线路上的任何一条上的数据传输速率则为R／N码字／秒。该OFDM码随后被送入一个进行快速傅里叶逆变换的模块，进行快速傅里叶逆变换。快速傅里叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此，用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了处理。计算出快速傅里叶逆变换样值之后，一个循环前缀被加到了样值前，形成一个循环拓展的OFDM信息码字。添加循环前缀技术利用的是离散线性系统原理中的一个概念。在连续时间域，两个时域信号的卷积就等于这两个信号频域形式的乘积。但是，这在离散时域的情况下一般是不成立的，除非使用无限大的样值点N或者至少一个卷积信号是周期性的(在该情况下，信号可以被圆周卷积)。因为只能使用有限的样值点N，所以只能利用循环前缀使OFDM信息码在感兴趣的时间区内呈现周期性。循环拓展信息码的样值再次通过一个并行/串行转换器模块。然后按照串行的方式通过信道(经过适当的滤波和调制)。在传输过程中，信道的冲击响应对时域信号造成了干扰。由于循环前缀使所传输的OFDM信号表现出周期性，这种卷积就成了一种圆周卷积。根据离散时间线性系统原理，这种圆周卷积就相当于OFDM信号的频率响应和信道频率响应的乘积，接收器完成与发送器相反的操作。接收器收到的信号是时域信号。由于无线信道的影响发生了一定的变化，接收到的信号经过一个串行/并行的转换器，并且把循环前缀清除掉。清除循环前缀并没有删掉任何信息。循环前缀中的信息是冗余的。使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。循环前缀的另外一个好处是可以消除码间干扰。要求循环前缀的值比信道内存更大一些。多径信号引起先发信息码字的滞后到达而影响当前信息码字，从而产生码间干扰。但是事实上，码间干扰仅仅会干扰当前信息码的循环前缀。因此，使用适当大小的循环前缀就能够使OFDM技术消除码间干扰。在清除了循环前缀之后，信号将会经过一个快速傅里叶变换模块，把信号从时域转变回频域。信号经过一个并行/串行转换模块进行并串变换，就完成了对原始OFDM信号的接收。快速傅里叶变换在OFDM系统中的应用 OFDM并不是如今发展起来的新技术，OFDM技术的应用已有近40年的历史，但是一个OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到20世纪70年代，人们采用离散傅里叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。通常采用复等效基带信号来描述OFDM的输出信号，如式(1)。其实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的cos分量和sin分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。 OFDM复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换(IDFT)方法来实现。（附1）根据上述分析可以看到，OFDM系统的调制解调可以分别由IDFT和DFT来代替。通过N点IDFT运算，把频域数据符号di变换为时域数据符号Sk，经过射频载波调制之后，发送到信道中，其中每一个IDFT输出的数据符号Sk都是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。在实际应用中，可以采用更加方便的快速傅里叶变换来实现。 OFDM的工作方式可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调