石玉峰+鄧文

摘 要 在向3G/4G演進的過程中，OFDM是關鍵的技術之一，可以結合分集，時空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。文章分析了OFDM技術的優(yōu)缺點，以供參考。

關鍵詞 OFDM（正交頻分復用）；ISI（符號間干擾）；ICI（載頻間干擾）

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0050-02

OFDM技術比較成熟，應用也比較廣泛，是現(xiàn)代網(wǎng)絡物理層的核心技術。OFDM技術頻譜利用率高，相對于傳統(tǒng)的FDM技術，其利用子載波之間的正交性，帶寬節(jié)省近一半，有很強的頻譜優(yōu)勢?？梢宰鳛榉菍ΨQ數(shù)字業(yè)務的傳輸技術，選擇子信道的數(shù)目不同，其傳輸速率也不同，已應用的有DSL、WLAN等方面。能夠有效的抵抗多徑效應帶來的ISI（符號間干擾）、ICI（載頻間干擾），主要基于其保護間隔，循環(huán)前綴。還有，OFDM技術的實現(xiàn)也比較容易，因為隨著DSP的發(fā)展，IFFT可以輕松實現(xiàn)調(diào)制信號。OFDM系統(tǒng)可以維護兩個發(fā)送碼元周期比多徑時延要大得多，而且還可以支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務，并且不需要復雜的信道均衡。當然缺點也比較突出，那就是對頻偏比較敏感，峰均比過高。下面我們就詳細來探討一下OFDM技術的優(yōu)勢和不足之處。

1 初步認識OFDM

1.1 OFDM的概念

OFDM由（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）縮寫而來，即正交頻分復用，是一種無線環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)傳輸技術，其本質(zhì)是一個頻分系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的FDM（頻分系統(tǒng)），相鄰載波間需要很寬的保護帶，頻譜利用率低。OFDM通過子載波之間的正交，大大的提升了頻譜效率。在實際應用中，系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)可以采用反傅立葉變換（IFFT）和傅立葉變換（FFT）來實現(xiàn)。

1.2 OFDM信號的生成

OFDM信號的通帶信號表示為：

OFDM的等效基帶信號形式為：

公式中，N表示子載波的個數(shù)，T表示OFDM符號（比特）時間間隔，di（i=0、1、2……）是第i個子載波上調(diào)制的數(shù)據(jù)，fc是載波頻率，相鄰子載波間隔為1/T。

2 OFDM的優(yōu)勢

2.1 頻譜利用率高

傳統(tǒng)的FDM通常都采用在相鄰的載波之間保留一定的保護間隔的方法來避免載波之間的干擾，降低了頻譜效率。而OFDM的各個子載波重疊排列，同時通過FFT技術來實現(xiàn)和保持子載波的正交性，從而使數(shù)量更多的子載波能夠在相同帶寬內(nèi)容納，進而提升了頻譜效率。

2.2 有效對抗多徑

當符號之間無保護間隔時，在時域上，多路徑能引起符號間干擾，也就是，（Inter-symbol Interference）ISI，而在頻域上，多徑能引起載波頻率間干擾，即，（Inter-Carrier Interference）ICI。

圖1

我們可以從圖一看到接收端同時收到前一個符號的多徑延遲信號（虛線）和下一個符號的正常信號（實線），影響了正常接收，頻域上受到了ICI，時域上受到了ISI。

OFDM能夠通過符號間保護間隔CP消除ISI和ICI。將OFDM符號周期內(nèi)的后面一部分拷貝到前面去，形成（Cyclic Prefix）CP，即循環(huán)前綴。CP使一個符號周期內(nèi)因多徑產(chǎn)生的波形為完整的正弦波，因此不同子載波對應的時域信號及其多徑積分總為0，因此采用CP來消除載波間干擾（ICI）。如圖2所示。

圖2

2.3 有效抵抗頻率選擇性衰落

只有動態(tài)的OFDM子載波分配技術才可以在衰落的子載波上不傳遞數(shù)據(jù)或采用較低階調(diào)制。同時，通過聯(lián)合編碼子信道的作用之間達成的副載波頻率分集，同時也提升了信道沖激噪聲和快衰落阻力。OFDM頻域調(diào)度的顆粒很小，只180 kHz，從而確定頻域調(diào)度是柔性的。時刻準備好，供用戶選擇最佳頻率傳輸資源，以獲得頻率選擇性調(diào)度增益。

2.4 帶寬擴展性（Scalable OFDMA）

由于OFDM系統(tǒng)使用的子載波數(shù)量決定了它的信號帶寬，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的帶寬擴展性。不同寬帶的系統(tǒng)所采用的FFT點數(shù)是不一樣的，稱之為Scalable OFDMA。例如，在子載波帶寬為15 kHz的前提下，載波帶寬為5 MHz的FFT點數(shù)為512，而載波帶寬為20 MHz的FFT點數(shù)為2048。在實現(xiàn)上，載波帶寬的改變只要通過調(diào)整IFFT尺寸即可實現(xiàn)，增加的系統(tǒng)復雜度并不明顯。

3 OFDM的不足

3.1 OFDM技術最大的缺點是對頻率偏移特別敏感

在OFDM系統(tǒng)中，要想正確接收信號，只有先保證載波間的正交性，而完成這種操作，只能通過發(fā)送和接收的子載波完全一致這種方法。

任何頻率偏移都會破壞載波間的正交性，這將不可避免地導致ICI，在現(xiàn)實系統(tǒng)中，因為本地時鐘（晶體振蕩器）產(chǎn)生載波頻率不是很準確，還附加了一些隨機相位調(diào)制信號，結果在接收器不能與發(fā)送方產(chǎn)生完全相同的頻率；對于單載波系統(tǒng)，相位噪聲和頻率偏移會導致SNR的損失，卻不會產(chǎn)生干擾。

但對于多載波系統(tǒng)，卻會造成子載頻間干擾（ICI），雖然在接受端可以通過頻率同步來獲取頻率偏移并進行校正，但由于頻偏估計的不精確而引起的殘留頻偏將會使信號檢測性能下降。

3.2 時域信號的峰均比高

OFDM系統(tǒng)中，獨立的、經(jīng)過調(diào)制的子載波信號相互組合就會形成OFDM信號，這樣，如果該子載波又具有相同的相位，在時域中波形又直接疊加，此在的瞬時功率信號將是非常大的，即，峰值功率大，比信號的平均功率高得多，因此所得的峰均功率比（PAPR）較高，調(diào)制信號的動態(tài)范圍大，發(fā)射器增加了攻放的成本，而且耗電量也大。

4 總結

OFDM技術的主要優(yōu)點在于其頻譜利用率高、有效抵抗衰退，而且成本低，由于這些原因使得人們越來越關注這項技術。為了滿足人們更大的需求，隨著無線多媒體通信技術未來的發(fā)展，只是加緊實現(xiàn)3G系統(tǒng)商業(yè)化是僅僅不夠的，還要加大力度研究4G（3.9G）技術。在人們對于寬帶化、通信數(shù)字化、移動化和個人化的需求越來越大的浪潮下，OFDM技術必將在固定無線接入領域和移動接入領域中應用得越來越廣泛。OFDM技術的應用前景目前已被一些高校以及大公司充分認識到，相繼紛紛投入巨資展開深入研究，在改善OFDM的同步、峰均比高等技術難題外，還包括OFDM與其他通信技術相結合的研究工作。例如聯(lián)合發(fā)送、聯(lián)合檢測、空時碼、動態(tài)分組分配、智能天線等。目前這些研究結果已經(jīng)表明，無線OFDM技術系統(tǒng)的性能得到了提高，而且這些研究技術也將形成未來OFDM系統(tǒng)的核心技術。將來對這些方面的研究會更加廣泛，在這個活躍的研究領域里，有更多的課題等著我們?nèi)プ錾钊胙芯俊?/p>

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