移動通信系統(tǒng)中OFDM技術的分析及其應用

　　1、OFDM技術概述及其發(fā)展史

　　被稱之為“第四代移動通信技術”，其核心技術為OFDM。正交頻分復用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術。主要是在頻域內(nèi)將所給信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，且各個子載波并行傳輸。OFDM特別適合于存在多徑傳播和多普勒頻移的無線移動信道中傳輸高速數(shù)據(jù)。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(diào)變技術及一種多任務技術，為多載波（Multicar-rier）的傳送方式。

　　OFDM由多載波調(diào)制（MCM）發(fā)展而來。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MCM系統(tǒng)，在1970年衍生出采用大規(guī)模子載波和頻率重疊技術的OFDM系統(tǒng)。但在以后相當長的一段時間，OFDM邁向?qū)嵺`的腳步放緩。由于OFDM的各個子載波之間相互正交，采用FFT實現(xiàn)這種調(diào)制，但在實際應用中，實時傅立葉變換設備的復雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素制約了OFDM技術的實現(xiàn)。經(jīng)過大量研究，在20世紀80年代，MCM獲得了突破性進展，大規(guī)模集成電路促進了FFT技術的實現(xiàn)，OFDM逐步進入高速Modem和數(shù)字移動通信的領域。90年代，OFDM開始被歐洲和澳大利亞廣泛用于廣播信道的寬帶數(shù)據(jù)通信，數(shù)字音頻廣播（DAB）、高清晰度數(shù)字電視（HDTV）和無線局域網(wǎng)（WLAN）。隨著DSP芯片技術的發(fā)展，格柵編碼技術、軟判決技術、信道自適應技術等成熟技術的應用，OFMD技術的實現(xiàn)和完善指日可待。

　　2、OFDM技術的基本原理

　　OFDM技術的主要思想是將指配的信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，信號帶寬小于信道的相關帶寬。OFDM單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流（100Hz-50kHz），每個碼流用一條載波發(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(diào)制技術，也有復用技術。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(tǒng)中，單個衰落或干擾會導致整條鏈路不可用，但在多載波系統(tǒng)中，只會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(diào)制，由于各個載波的中心頻點處沒有其他載波的頻譜分量，所以能夠?qū)崿F(xiàn)各個載波的正交。不通過很多帶通濾波器來實現(xiàn)，而是直接在基帶處理，這也是OFDM有別于其他系統(tǒng)的優(yōu)點之一。OFDM的接收機實際上是一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻，在一個碼元周期內(nèi)積分，其他載波由于與所積分的信號正交，不會對這個積分結(jié)果產(chǎn)生影響。OFDM的高數(shù)據(jù)速率與子載波的數(shù)量有關，增加子載波數(shù)目能提高數(shù)據(jù)的傳送速率。OFDM每個頻帶的調(diào)制方法可以不同，增加了系統(tǒng)的靈活性，OFDM適用于多用戶的高靈活度、高利用率的通信系統(tǒng)。

　　3、OFDM系統(tǒng)的關鍵技術

　　（1）時域和頻域同步

　　OFDM系統(tǒng)對定時和頻率偏移敏感，特別是實際應用中與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結(jié)合使用時，時域和頻率同步顯得尤為重要。在下行鏈路中，基站向各個移動終端廣播式發(fā)同步信號，所以下行鏈路同步較易實現(xiàn)；上行鏈路中，來自不同移動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?jù)各移動終端發(fā)來的子載波攜帶信息進行時域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動終端，以便移動終端進行同步。

　　（2）信道估計

　　在OFDM系統(tǒng)中，信道估計器的設計主要有兩個問題：一是導頻信息的選擇，由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷地對信道進行跟蹤，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(shù)字通信系統(tǒng)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。實際應用中，通常同時采用信道編碼和交織來進一步改善整個系統(tǒng)的性能。

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

　?。?）降低峰均功率比

　　由于OFDM信號時域上表現(xiàn)為N個正交子載波信號的疊加，當這N個信號恰好均以峰值相加時，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(xiàn)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變換器的線性度要求也很高，因此高的PAPR使得OFDM系統(tǒng)的性能大大下降。為了解決這一問題，人們提出了基于信號畸變技術、信號擾碼技術和基于信號空間擴展等降低OFDM系統(tǒng)PAPR的方法。

　　（5）均衡

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

　　4、OFDM技術的優(yōu)缺點

　　OFDM技術的優(yōu)點：（1）OFDM技術的最大優(yōu)點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或干擾會導致整個通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅有很小一部分載波會受到干擾。對這些子信道可以采用糾錯碼來進行糾錯。（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(shù)據(jù)傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時，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(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。（3）通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力。如果衰落不是特別嚴重，則沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯(lián)合編碼使系統(tǒng)性能得到提高。（4）可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實現(xiàn)方法。（5）信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。當子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。

　　OFDM技術存在兩個缺陷：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，比值的增大會降低射頻放大器的功率效率。

　　5、結(jié)論

　　OFDM具有其自身的優(yōu)勢和良好的性能，因此在很多領域得到了廣泛的應用。歐洲的DAB系統(tǒng)使用的就是OFDM調(diào)制技術。試驗系統(tǒng)已在運行，明顯改善了移動中接收無線廣播的效果。用于DAB的成套芯片的開發(fā)正在歐洲發(fā)展項目中進行，它將使OFDM接收機的價格大大降低。市場前景非?？春谩?/p>

　　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，引起了廣泛關注。人們開始集中越來越多的精力開發(fā)OFDM技術在移動通信領域的應用，因此，第三代以后的移動通信的主流技術將是OFDM。