引言

自从九十年代以来，随着高速数字信号处理器和通信技术的发展。多载波调制技术重新得到重视。并成为实际应用的一种数字调制技术。本报告研究了多载波调制的发展，应用，关键技术，OFDM调制是多载波调制的一种重要方式，重点研究了OFDM的应用，OFDM-MINO系统。

多载波技术在国内外的发展方向及应用

数字调制技术随着数字通信系统的发展而不断取得进步，最初的数字调制技术是只使用一个载波的单载波系统,如图（a）所示,最初的多载波调制技术是把信道的可用频带简单的划分为多个子带（称为子信道），然后用不同频率的载波调制，为了避免信道间的相互干扰，子信道间留有相当宽的隔离带。这种简单的多载波调制方式成为频分复用（FDM）调制，如图（b）所示，与图(a)比较可知，每个符号占用的带宽变窄了，则相应的时域持续时间延长，因此ISI(码间干扰)能得到很大缓解，但由于保护带的宽展与滤波器的性能密切相关，保护带越窄，滤波器的设计就越困难。为了进一步提高通信系统的传输效率和频带利用率，并克服滤波器设计上的困难，人们意识到需要从软件和硬件两方面改进，既要有高性能的快速芯片，又要有快速的算法；并发现按照一定规律选择子信道载波，可以使信道的频谱重叠，但不相互干扰，如图(C)所示，这样就可以在很大程度上提高频带利用率。这就是目前多载波调制的基本思想。 fig1 将多载波技术应用在无线环境中称为正交频分复用(OFDM)。基本原理实在频域内将信道的可用带宽划分为N个频谱重叠的子信道，使相邻子信道间的载波频率的间隔为符号速率一半的整数倍，这样各载波间可以保持正交，使载波集合符合奈奎斯特准则。在这种多载波调制系统中，接收端可用相关器或匹配滤波器轻易检测到各子信道传输的信号，且可以避免子信道间的相互干扰。当划分的子信道N数足够大时，各子信道带宽很窄，于是每个子信道的传输函数可近似看成幅度频率平坦，相频线性且相互独立，可以实现无码间干扰传输的理想信道。从时域上看，多载波调制系统中的串并转换等效于延长了符号周期，从而提高了系统的抗脉冲噪声干扰的性能，并增强了系统的抗快衰落的能力，多载波技术不仅使通信系统降低了对均衡器复杂性的要求，而且提高了系统灵活适应信道的能力。由于当时实现的复杂度太大，使这一先进的传输方式没有得到广泛应用。

1971年，Weinstein和Ebert提出了用离散傅立叶变换(DFT)来实现多载波调制，人们开始研究并行传输的多载波系统的数字化实现方法，将DFT运用到OFDM的调制解调中，为OFDM的实用化奠定了基础，大大简化了多载波技术的实现。运用DFT实现的OFDM系统的发多套的正弦发生器，而接收端也不需要用多个带通滤波器来检测各路子载波，但由于当时的数字信号处理技术的限制，OFDM技术并没有得到广泛应用。80年代，人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，L.J.Cimini首先分析了OFDM在移动通信中应用中存在的问题和解决方法，从此以后，OFDM在无线移动通信领域中的应用得到了迅猛的发展。

根据参考文献[3],[4]， 多载波调制技术应用的领域主要有:

  1. 高速话带调制解调器
  2. 采用DMT技术的不对称数字用户线
  3. 采用DMT技术的DSL lite
  4. 采用OFDM技术的欧洲数字音频广播（DAB），欧洲数字视频广播（DVB），IEEE802.11无线局域网等
  5. 第三代数字移动通信系统

    多载波调制的特点

与普通的单载波调制相比，多载波调制主要有以下优点:

  1. 在OFDM调制中，由于引入了循环前缀，时域均衡只需让均衡信道的冲激响应长度小于循环前缀的长度即可，这样可以不用单载波调制系统中的高阶数字均衡器；
  2. 在传输速率相同的情况下，由于多载波调制系统的码元周期较长，使得脉冲干扰和快衰落对它的影响远弱于对单载波调制的影响；
  3. 单载波调制系统对于单频干扰较为敏感，而在多载波调制系统中各子信道可以根据各自信噪比大小传送的不同比特数，并可关闭干扰严重的信道，这样既能充分利用频带，又可以克服窄带干扰； 多载波调制存在的主要缺点：
  4. 多载波调制系统对符号的定时和载波频率偏差比单载波调制系统敏感。
  5. 多载波信号是多个单载波信号的叠加，因此其峰值功率和平均功率的比值(PAR)大于单载波通信系统，对前端放大器的线性度要求较高。

多载波关键技术

在多载波传输系统中，为了进行高质量的快速通信，需要解决以下几个问题，通过参考文献[2]的学习，主要有：

  1. 信道划分： 在多载波调制系统中，需要将信道划分为一个并行，理想独立的相互正交的子信道集，并把信息分配到各个子信道上并行传输。信道划分就是研究如何划分子信道才是最优的，才能最好的消除ISI
  2. 比特加载： 在划分子信道之后，不同的子信道可以按照相同的比特速率进行传输，也可以按照不同的比特速率进行传输。但在各个不同的子信道中分配比特的准则如何确定，如何实现最优分配？从概念上说，应在信噪比大的子信道内加载较多的比特，这样的分配是最优的。
  3. 信道辨识： 因为需要根据子信道的特性来进行最优的比特分配，因此对信道特性的估计也是一个重要问题，研究如何估算信道的传输函数和信噪比。
  4. 频域均衡： 在多载波调制系统中，由于信道不是理想信道，所以不同子信道的信道增益不同，因而导致发射端信号星座之间相同的距离间隔，在经过不同的子信道之后会变得的不同，因此需要对不同的子信道采用不同的检测器，若想采用一个检测器对不同的子信道输出进行检测，必须把不同的子信道增益调整为相同的，这个调整子信道特性的过程，称为频域均衡。
  5. 信道缩短： 在多载波调制系统中，希望每个子信道中的符号周期T远远大于整个信道的脉冲响应长度，但实际的信道往往不满足这个要求，需要用时域均衡器将信道的脉冲响应缩短到足够小，这就是信道缩短问题。
  6. 比特互换： 在实际通信中，信道特性会随着外界因素而变化，这样原来最优比特加载在信道特性改变后就不是最优的。因此需要进行比特分配调整：在信噪比大的子信道中，增加比特数；在信噪比减小的子信道中，减小比特数，这种把比特从信噪比减小的子信道交换到信噪比增大的子信道的过程成为比特互换。

    OFDM的应用， OFDM+MIMO系统

在4G中，相比第三代移动通信系统会提供更高的数据传输速率，更低的成本，达到高速率低成本的前提就是高频谱效率的技术，从而可以在有限的频谱上提供更高的传输速率和系统容量，MIMO和OFDM就是这样的技术。通过这两种技术的优势互补，可以为系统提供高达2~100Mbit/s的传输速率，同时也能提高系统容量，降低成本。

OFDM系统介绍

OFDM在时域上可以表示成为N个调制的子载波的代数和。发送信号的表达式为 fig2 其中 Cn,k表示在第n时刻，第K个子信道上发送的码元，码元周期为Ts，N为OFDM系统中子载波的个数，fk是第k个子载波的频率，f0为最低频率 fig3 OFDM利用各个子载波之间的正交性进行解调，由此得到OFDM系统的实现框图如下 fig4 可见，上述系统需要很多相同的调值与解调模块，造成了极大的浪费。通过对S(t)的表达式取样，取样频率设定为N/Ts。所以我们可以通过离散傅里叶变换来实现OFDM系统。为了抵消掉非理想信道产生的码间串扰和帧间干扰，在发送信号中需要插入循环前缀（CP），由此得到OFD,的系统实现框图为: fig5 由于实际系统考虑抗摔落，抗多径等因素，还需要引入均衡，同步，编码等算法，这里不再研究。

MIMO多天线技术

MIMO技术是针对多径无线信道来说的，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，从而提高数据速率，减少误比特率，改善无线信道的传送质量，如图所示，MIMO系统同时利用信道编码和多天线技术，信号S(t)经过空时编码形成N个发射子流Wk(t),这N个子流由N个天线发射出去，经空间传输后由M个接受天线接收，MIMO接收机通过空时解码处理这些子数据流，对其进行区分和解码，从而实现最佳信号处理，MIMO系统正是依靠这种同时使用空域和时域分集的方法来降低信道误码率，提高无线链路的可靠性。 另一方面，这N个子流同时发射时，只占用同一传输信道，并不会增加使用带宽，在自由空间里，MIMO系统占用比普通天线更多的传输空间，用来在各发射和接受天线间构筑多条相互独立的信道，产生多个并行空间信道，并通过这些并行的空间信道独立的传输信息，达到了空间复用的目的，以此方式来提高系统的传输容量。 对于天线数和信道容量的关系，我们假定在发射端，各天线发射独立的等功率信号，而且各个信号满足瑞利分布，根据MIMO系统的信道传输特性和相同信道容量的计算方法，表明在同等传输带宽下，和接收端信噪比不变化的情况下，MIMO系统的信道容量随最小天线数目的增加而线性增加，相对而言，在不占用额外的带宽，也不消耗额外的发射功率的情况下，利用MIMO技术可以成倍的提高系统的传输容量，大大提高了频谱利用率，这是无线通信领域智能天线技术的重大突破。

MIMO-OFDM系统

  1. MIMO,OFDM系统组合的必要性： 在高速宽带无线通信系统中，多径效应，频率选择性衰落和带宽效率是信号传输过程中必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落，因而被视为有害因素，然而MIMO系统是针对多径无线信道而产生的，在一定程度上可以利用传播过程中产生的多径分量，多径效应对其影响不大，反而可以作为一个有利因素加以使用，但是MIMO对于频率选择性衰落仍然无法避免，而解决频率选择性衰落问题恰恰是OFDM的长处。OFDM 技术实质上是一种多载波窄带调制 可以将宽带信道转化成若干个平坦的窄带子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的频率选择性衰落可以看作是平坦性衰落，OFDM被认为是第四代移动通信中的核心技术，然而 4G 需要高的频谱利用技术和高速传输系统，为了进一步提高系统传输速率，使用OFDM 技术的无线通信网就必须增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的占用带宽而 MIMO 多天线技术能在不增加带宽的情况下，在每一个窄带平坦子信道上获得更大的信道容量 可以成倍地提高通信系统的容量和频谱效率 是一种利用空间资源换取频谱资源的技术。 因此MIMO-OFDM系统的提出是无线通信领域的重大突破，其频谱利用率高，信号传输稳定，高传输速率等基本特性能够满足下一代无限传输网发展要求。MIMO-OFDM系统内组合了多输入多输出天线和正交频分复用，达到了很强的可靠性和频谱利用率。 fig6
  2. MIMO-OFDM系统模型: 在典型的MIMO-OFDM系统模型中，发射端N个发射天线流程如下：输入的数据符号流经串并电路分成N个字符号流，采用信道编码技术对每个符号流进行无失真的压缩并进行加入冗余信息，调制器对编码后的数据进行空时调制；调制后的信号在IFFT电路中实现OFDM调制处理，完成将频率数据转变为时域数据的过程，然后输出的每个OFDM符号前加一个循环前缀以减弱信道延迟扩展产生的影响，每个时隙前加前缀用以定时，这些处理过的OFDM信号流相互平行的传输，每一个信号流对应一个指定的发射天线，并经数模转换及射频模块处理后发射出去。 接收端进行与发射端相反的信号处理过程，首先通过接收端的M根接收天线接收信号，这些信号经过放大，变频，滤波等射频处理后，得到基带模拟接受信号；并分别通过模数转换将模拟信号转换为数字信号后同步，在去循环前缀后通过FFT解调剩下的OFDM符号；此时，时延数据变换为频域数据，接下来在频率内，从解调后的OFDM符号中提取频率导频，然后通过精细的频率同步和定时，准确地提取出导频和数据符号，实现数据还原。 如上说明，IFFT/FFT和循环前缀的添加和去除过程都在每一个独立的发送和接受模块内完成，而MIMO的空时编码和空间复用处理技术也可以应用于OFDM的每个子载波上（对应于平衰落信道）。总体而言，在MIMO-OFDM系统中，增加了频率的分集与复用作用，带来了大的系统增益和系统容量。
  3. MIMO-OFDM的关键技术
    • MIMO空时信号处理技术： 空时信号处理时随着MIMO技术而诞生的一个新概念，与传统信号处理的方式不同之处在于其同时从时间，空间两方面研究信号的处理问题，空时信号处理包括发射端的信令方案和接收端的检测算法，从信令方案的角度看，MIMO大致可以分为空时编码和空间复用两种。 空时编码技术在发射端对数据流进行联合编码以减少由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接收端获得最大的分集增益和编码增益；但它的缺点是无法提高数据的传输速率，一般而言，空时编码包括空时格码和空时分组码。空时格码可以实现满分集增益，并且具有相应的编码增肌，而且这种技术只需要在接收端进行简单的线性处理，大大简化了接收机的结构。 空间复用技术是通过不同的天线尽可能多的在空间信道内传输相互独立的数据，MIMO技术在空间复用就是在接收端和发射端使用多个天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同意信道上使用多个数据信道发射信号，从而使得信道容量随着天线数量的增加而，这种信道容量的增加不占用额外的带宽，也不消耗额外的发射功率，因而是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。
  • 同步，信道估计，信道纠错编码技术，自适应技术等技术超出了研究范围，故不做研究。

小结

研究报告研究了多载波调制的背景和发展，了解了关键技术和特点，并对多载波调制的技术之一OFDM的原理，在移动通信中的应用MIMO-OFDM系统进行了研究。

参考文献

[1]学位论文《多载波调制技术的研究与实现 DMT调制的研究》 作者：宋耀莲 邵玉斌 2005.3 [2]《XDSL技术与应用》 作者：John Cioffi,刘峰，龙腾 北京：电子工业出版社，2002 [3]会议论文 《OFDM(正交频分复用)在移动通信中的应用》 作者：李昕，2002 [4]学位论文《MIMO-OFDM系统中若干关键技术研究》 作者：周克，2009 [5] Timothy M. Schmidt and Donald C. Cox. Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM.IEEE Trans. on Communication, vol.45, no.12,pp.1613-1621,1997. [6]《MIMO+OFDM新一代移动通信核心技术》中国数据通信 [7]《MIMO多天线无线通信系统》 作者：肖扬 人民邮电出版社 [8]《MIMO-OFDM系统原理，应用及仿真》 作者：李莉 机械工业出版社 [9]期刊论文《4G中的MIMO-OFDM原理及关键技术分析》 《科技视界》 -2016年15期 黎碧霞 [10]《MIMO-OFDM系统原理及其关键技术》 作者：陈宏 2014.12.7