ofdm关键技术及应用

　　摘要：与传统单载波技术相比，正交频分复用（OFDM）技术具有频谱利用率高和抗频率选择性衰落能力强等优点，是提高系统传输速率和可靠性的有效手段，并且随着对OFDM技术的研究逐渐完善和成熟，OFDM技术已经得到广泛应用。在此主要介绍了OFDM技术原理和关键技术，分析了OFDM技术的应用现状，展望了在下一代移动通信中的应用和研究方向。

　　引言

       OFDM技术的提出已有近40年的历史，近年来，由于数字信号（DSP）技术的飞速发展、傅里叶变换反变换、高速Modem技术等成熟技术的引入，OFDM技术作为可以高效抵抗ISI的多载波传输技术才引起了广泛关注。目前，OFDM技术已经成功地被应用在非对称数字用户线（ADSL）、无线本地环路（WLL）、数字音频广播、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网等系统中。随着人们对通信数据化、宽带化和移动化的需求，人们开始集中精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，下一代移动通信的主流技术将是OFDM技术。

　　一、OFDM系统原理

　　OFDM是一种多载波传输技术，可以看做是传统频分复用（FDM）的发展。在OFDM系统中，数据经过串并转换成N路，在N个子载波上同时传输，由此将频率选择性信道分割为一系列频率平坦衰落子信道，符号间干扰（ISI）区域缩小为原来的1/N。与传统FDM技术不同的是：传统FDM系统中的各子信道之间需要保护频带，系统的频谱利用率较低。而OFDM系统中的子载波在时域中相互正交，频域相互重叠，不同子载波间不再需要保护间隔，最大地提高了系统频谱效率。

　　图1为OFDM系统基本模型框图。在OFDM系统中，首先将高速输入的串行比特流进行串/并变换，转换成多路并行的低速数据流，然后调制到不同的子载波上进行传输。如果有N个子信道，OFDM符号的宽度为T，dii=0，1，N-1）为分配给每个子信道的数据符号，fi为第i个子载波的频率，rect（t）=1,T/2，则从t=ts开始的OFDM符号可以表示为：

　　在同一个OFDM符号内，所有子载波都具有相同幅值和相位，并且都包含有整数倍个周期，而且相邻子载波之间相差1个周期，从而保证了子载波之间的正交性。

　　在接收端对第j个子载波进行解调时，

　　由式中可以看出，对第j个子载波进行解调可以恢复出期望符号，而对其他子载波来说，由于在积分期间频率差别i-j/T可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零。

　　二、OFDM系统关键技术

　　由于OFDM系统中存在多个相互正交的子载波，而且输出信号是多个子信道信号的叠加，所以在OFDM系统中存在以下几方面关键技术。

　　1.峰均比技术

　　OFDM系统的弱点之一就是对峰值平均比比较敏感。相对于单载波系统，由于OFDM符号是多个子载波符号相加而成的，对于有N个子信道的OFDM系统来说，如果N路信号的相位相同时，所得的信号峰值功率为平均功率的N倍。当这种变化范围很大的信号通过诸如功率放大器这种非线性部件时，信号就会发生非线性失真，产生谐波，除此之外，还会增加A/D，D/A转换器的复杂度和准确性，因此，如何减小较大的PAR是OFDM系统面临的重要问题之一。

　　目前减小峰均值的方法可以分为三类：信号预畸变技术，编码技术和利用加干扰序列对OFDM符号进行加权处理以选择峰均比较小的符号来传输。其中，信号预畸变技术是在信号被放大之前，首先对功率大于阈值的信号进行非线性预畸变，比如限幅、峰值加窗、峰值消除等。编码方法是使用不会造成大峰值功率信号的编码图样，但是这种方法在子载波数量较大时，编码效率非常低。

　　2.信道估计

　　在无线通信系统中，发射机和接收机之间的传播路径复杂，具有很大的随机性，很容易导致接收信号的相位、频率和幅度的失真。所以对接收机的性能提出了很大挑战，而信道估计器是克服这一问题的重要组成部分。通过信道估计，接收机可以得到无线信道的冲激响应从而对接收信号进行均衡。

　　信道估计算法主要有两类：基于训练序列的估计算法和盲估计算法。其中，基于训练序列的估计算法就是利用发送端和接收端都已知的序列进行信道估计，由于OFDM系统的时频二重性，既可以在时域内进行估计，也可以在频域内进行估计。该方法容易实现，算法简单，得到广泛应用。为了尽量获得精确估计值而又不浪费资源，训练序列间隔的设置原则为：时域间隔st和频域间隔sf应分别满足st《1/Bd，sf《1/max，其中Bd为多普列频移，max为最大时延。

　　盲估计利用接收数据的统计信息来实现，不需要训练序列，所以节约了带宽，但是该方法运算量大，不容易实现，在实时系统中的应用受到了限制。但由于其相对于基于训练序列的估计方法提高了系统效率，所以也越来越受到关注。

　　3.同步技术

　　OFDM系统中，发射数据在N个子载波上并行传输，多个子载波上的数据之所以能够实现并行传输而互不干扰，主要是因为各个子载波具有正交性，当由于无线信道的时变性等原因引起频率偏差时，这种正交性受到破坏，就会导致子载波间的相互干扰。所以OFDM系统对频率偏移非常敏感。为了不破坏子载波间的正交性，在接收端要对传输过程中产生的频率偏移进行估计和补偿。

　　OFDM系统中的频率偏移有整数倍子载波间隔频偏和小数倍频偏。其中，整数倍频偏的抽样点仍然在顶点，只是子载波位置发生了改变，不会引起载波间干扰（ICI），这种频偏引起的符号错误率为50%。小数倍频偏破坏了子载波间的正交性，而引入ICI，在这种情况下，即使很小的频偏也会带来很大的性能损失。

　　在接收端对频偏的估计和补偿过程一般分为粗同步（捕获）和细同步（跟踪），即首先在时域内估计小数倍频偏，然后在频域内再完成整数倍频偏的估计。

　　三、OFDM技术的优点

　　（1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎。

　　（2）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续进行成功的通信。该技术可以自动地检测到在传输介质下，哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。

　　（3）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。

　　（4）OFDM技术可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。

　　（5）OFDM技术通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。

　　（6）OFDM技术可以使用硬件模块集成基于IFFT/FFT的算法，通过这种方式实现的OFDM系统的运行速度，主要取决于硬件电路的运行速度，同时也简化了系统实现的复杂程度。

　　（7）OFDM技术的信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2baud/Hz。

　　四、OFDM技术的缺陷

　　（1）对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。

　　（2）功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的功率峰值与均值比，简称峰均值比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。当然这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。

　　（3）负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度高于30km每小时时，自适应调制技术就不是很适合了。

　　五、OFDM技术的应用

　　目前，OFDM技术已经在众多高速数据传输领域得到了应用。数字音频广播（DAB）标准是第一个正式使用OFDM的标准。在DAB系统中采用OFDM技术的主要原因是利用单频网络就可以实现大区域覆盖，从而大大提高了系统的频谱效率。在传统的模拟广播网中，要实现大面积覆盖必须使用多个发射机，这些发射机不能工作在同一频率。而OFDM具有很强的抗多径干扰能力，因而使用单一频率就可以构成同步发射网。

　　此外，由于OFDM技术在对抗多径衰落的明显优势，在许多4G移动通信方案中都考虑选择OFDM技术作为空中接口技术，如日本NTTDoCoMo提出的4G系统方案，欧洲的MATRICE计划，中国的Future计划等。在这些方案中，最受关注的核心技术是多天线技术与OFDM技术相结合的MIMOOFDM技术，MIMO技术与OFDM技术的结合已成为高速传输无线通信的基石。第一个提出MIMOOFDM系统的是D.Agrawal等，后来BenLu等也作出了进一步的研究。目前，国内外一些学者也都在对其进行如火如荼的研究。

　　六、结束语

　　高速无线通信系统设计的一个最大挑战就是要克服无线信道带来的严重频率选择性衰落。OFDM技术由于可以克服信道的频率选择性衰落，并且实现简单高效，已经成为未来高速通信系统中的核心技术之一。