移動(dòng)通信系統中OFDM技術(shù)的分析及其應用

　　1、OFDM技術(shù)概述及其發(fā)展史

　　被稱(chēng)之為“第四代移動(dòng)通信技術(shù)”，其核心技術(shù)為OFDM。正交頻分復用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一種無(wú)線(xiàn)環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。主要是在頻域內將所給信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調制，且各個(gè)子載波并行傳輸。OFDM特別適合于存在多徑傳播和多普勒頻移的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道中傳輸高速數據。能有效對抗多徑效應，消除ISI，對抗頻率選擇性衰落，信道利用率高。OFDM可視為一種調變技術(shù)及一種多任務(wù)技術(shù)，為多載波（Multicar-rier）的傳送方式。

　　OFDM由多載波調制（MCM）發(fā)展而來(lái)。美國軍方早在上世紀的50-60年代就創(chuàng )建了世界上第一個(gè)MCM系統，在1970年衍生出采用大規模子載波和頻率重疊技術(shù)的OFDM系統。但在以后相當長(cháng)的一段時(shí)間，OFDM邁向實(shí)踐的腳步放緩。由于OFDM的各個(gè)子載波之間相互正交，采用FFT實(shí)現這種調制，但在實(shí)際應用中，實(shí)時(shí)傅立葉變換設備的復雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩定性以及射頻功率放大器的線(xiàn)性要求等因素制約了OFDM技術(shù)的實(shí)現。經(jīng)過(guò)大量研究，在20世紀80年代，MCM獲得了突破性進(jìn)展，大規模集成電路促進(jìn)了FFT技術(shù)的實(shí)現，OFDM逐步進(jìn)入高速Modem和數字移動(dòng)通信的領(lǐng)域。90年代，OFDM開(kāi)始被歐洲和澳大利亞廣泛用于廣播信道的寬帶數據通信，數字音頻廣播（DAB）、高清晰度數字電視（HDTV）和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）。隨著(zhù)DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，格柵編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應技術(shù)等成熟技術(shù)的應用，OFMD技術(shù)的實(shí)現和完善指日可待。

　　2、OFDM技術(shù)的基本原理

　　OFDM技術(shù)的主要思想是將指配的信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調制和傳輸，信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。OFDM單個(gè)用戶(hù)的信息流被串/并變換為多個(gè)低速率碼流（100Hz-50kHz），每個(gè)碼流用一條載波發(fā)送。OFDM采用跳頻方式選用即便頻譜混疊也能保持正交的波形，所以OFDM既有調制技術(shù)，也有復用技術(shù)。OFDM增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統中，單個(gè)衰落或干擾會(huì )導致整條鏈路不可用，但在多載波系統中，只會(huì )有一小部分載波受影響。糾錯碼的應用可以恢復一些易錯載波上的信息。

　　OFDM允許各載波間頻率互相混疊，采用基于載波頻率正交的FFT調制，由于各個(gè)載波的中心頻點(diǎn)處沒(méi)有其他載波的頻譜分量，所以能夠實(shí)現各個(gè)載波的正交。不通過(guò)很多帶通濾波器來(lái)實(shí)現，而是直接在基帶處理，這也是OFDM有別于其他系統的優(yōu)點(diǎn)之一。OFDM的接收機實(shí)際上是一組解調器，它將不同載波搬移至零頻，在一個(gè)碼元周期內積分，其他載波由于與所積分的信號正交，不會(huì )對這個(gè)積分結果產(chǎn)生影響。OFDM的高數據速率與子載波的數量有關(guān)，增加子載波數目能提高數據的傳送速率。OFDM每個(gè)頻帶的調制方法可以不同，增加了系統的靈活性，OFDM適用于多用戶(hù)的高靈活度、高利用率的通信系統。

　　3、OFDM系統的關(guān)鍵技術(shù)

　　（1）時(shí)域和頻域同步

　　OFDM系統對定時(shí)和頻率偏移敏感，特別是實(shí)際應用中與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結合使用時(shí)，時(shí)域和頻率同步顯得尤為重要。在下行鏈路中，基站向各個(gè)移動(dòng)終端廣播式發(fā)同步信號，所以下行鏈路同步較易實(shí)現；上行鏈路中，來(lái)自不同移動(dòng)終端的信號必須同步到達基站，才能保證子載波間的正交性?；靖鶕饕苿?dòng)終端發(fā)來(lái)的子載波攜帶信息進(jìn)行時(shí)域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動(dòng)終端，以便移動(dòng)終端進(jìn)行同步。

　　（2）信道估計

　　在OFDM系統中，信道估計器的設計主要有兩個(gè)問(wèn)題：一是導頻信息的選擇，由于無(wú)線(xiàn)信道常常是衰落信道，需要不斷地對信道進(jìn)行跟蹤，因此導頻信息也必須不斷的傳送；二是信道估計器的設計應既有較低的復雜度又有良好的導頻跟蹤能力。

　?。?）信道編碼和交織

　　為了提高數字通信系統性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯誤，可以采用交織。實(shí)際應用中，通常同時(shí)采用信道編碼和交織來(lái)進(jìn)一步改善整個(gè)系統的性能。

　　在OFDM系統中，如果信道衰落不是太深，均衡是無(wú)法再利用信道的分集特性來(lái)改善系統性能的，因為OFDM系統自身具有利用信道分集特性的能力，但是OFDM系統的結構卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機會(huì )，形成COFDM方式。

　?。?）降低峰均功率比

　　由于OFDM信號時(shí)域上表現為N個(gè)正交子載波信號的疊加，當這N個(gè)信號恰好均以峰值相加時(shí)，OFDM信號也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。盡管峰值功率出現的概率較低，但為了不失真地傳輸這些高峰均功率比PAPR（Peak to Average Power Ratio）的OFDM信號，發(fā)送端對高功率放大器（HPA）的線(xiàn)性度要求很高且發(fā)送效率極低，接收端對前端放大器以及A/D變換器的線(xiàn)性度要求也很高，因此高的PAPR使得OFDM系統的性能大大下降。為了解決這一問(wèn)題，人們提出了基于信號畸變技術(shù)、信號擾碼技術(shù)和基于信號空間擴展等降低OFDM系統PAPR的方法。

　　（5）均衡

　　在一般的衰落環(huán)境下，OFDM系統均衡不是有效改善系統性能的方法。因為均衡的實(shí)質(zhì)是補償多徑信道引起的碼間干擾，而OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，因此在一般情況下，OFDM系統不做均衡。但在高度散射的信道中，信道記憶長(cháng)度很長(cháng)，CP的長(cháng)度必須很長(cháng)才能使ISI盡量不出現，而CP長(cháng)度過(guò)長(cháng)必然導致能量大量損失，尤其對子載波個(gè)數不是很大的系統，這時(shí)可以考慮加均衡器以使CP的長(cháng)度適當減小，即通過(guò)增加系統的復雜性換取系統頻帶利用率的提高。

　　4、OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統中，單個(gè)衰落或干擾會(huì )導致整個(gè)通信鏈路失敗，但是在多載波系統中，僅有很小一部分載波會(huì )受到干擾。對這些子信道可以采用糾錯碼來(lái)進(jìn)行糾錯。（2）可以有效對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數據傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現頻率選擇性衰落時(shí)，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統總的誤碼率性能要好得多。（3）通過(guò)各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力。如果衰落不是特別嚴重，則沒(méi)有必要再加時(shí)域均衡器。通過(guò)將各個(gè)信道聯(lián)合編碼使系統性能得到提高。（4）可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實(shí)現方法。（5）信道利用率很高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中尤為重要。當子載波個(gè)數很大時(shí)，系統的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。

　　OFDM技術(shù)存在兩個(gè)缺陷：對頻率偏移和相位噪聲很敏感；峰值與均值功率比相對較大，比值的增大會(huì )降低射頻放大器的功率效率。

　　5、結論

　　OFDM具有其自身的優(yōu)勢和良好的性能，因此在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。歐洲的DAB系統使用的就是OFDM調制技術(shù)。試驗系統已在運行，明顯改善了移動(dòng)中接收無(wú)線(xiàn)廣播的效果。用于DAB的成套芯片的開(kāi)發(fā)正在歐洲發(fā)展項目中進(jìn)行，它將使OFDM接收機的價(jià)格大大降低。市場(chǎng)前景非?？春?。

　　OFDM作為一種可以有效對抗信號波形間干擾的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。人們開(kāi)始集中越來(lái)越多的精力開(kāi)發(fā)OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應用，因此，第三代以后的移動(dòng)通信的主流技術(shù)將是OFDM。