OFDM關(guān)鍵技術(shù)在數(shù)字廣播中的應(yīng)用

摘 要：我們可以清晰的感受到，當(dāng)今社會(huì)正朝著信息化的方向在進(jìn)步和發(fā)展，人們對(duì)各式各樣的信息需求也是隨著時(shí)間的推移在增加，這就要求現(xiàn)如今的信息能在技術(shù)上支持人們隨時(shí)隨地利用各種方式獲得信息。OFDM的概念最初誕生于20世紀(jì)50～60年代，曾經(jīng)是用于軍事通信方。發(fā)展到后來(lái)，OFDM技術(shù)才從實(shí)驗(yàn)室研究中走出來(lái)，逐漸在現(xiàn)代通信中發(fā)揮了重要的作用。并且隨著相關(guān)的技術(shù)研究的成熟，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用在視頻廣播、數(shù)字音頻系統(tǒng)，有線數(shù)據(jù)傳輸以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等方面。

關(guān)鍵詞：OFDM；數(shù)字廣播；技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN919.3；TN934

近年來(lái)，因?yàn)楦道锶~變換∕反變換等成熟技術(shù)的引入以及數(shù)字信號(hào)技術(shù)的飛速發(fā)展，作為可以高效的抵抗ISI的多載波傳輸?shù)?FDM技術(shù)，其在數(shù)字廣播領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。同時(shí)隨著人們對(duì)通信寬帶化、數(shù)據(jù)化和移動(dòng)化的需求，更多的技術(shù)人員也開(kāi)始集中精力開(kāi)發(fā)0FDM技術(shù)在數(shù)字廣播中的應(yīng)用，期待OFDM能為數(shù)字廣播的進(jìn)步和改善做出巨大的貢獻(xiàn)。以后在數(shù)字廣播領(lǐng)域中OFDM技術(shù)的運(yùn)用將更為廣泛，更為重要。

1 數(shù)字廣播

在信息化與數(shù)字化成為必然趨勢(shì)下，在2G、3G不能滿足對(duì)現(xiàn)代多媒體服務(wù)支持的情況下，數(shù)字廣播已經(jīng)逐漸成為了現(xiàn)代多媒體服務(wù)的最佳載體。大多數(shù)國(guó)家以及地區(qū)都正在制訂或者已經(jīng)制訂一些數(shù)字廣播的標(biāo)準(zhǔn)，其中的某些也已經(jīng)成功商業(yè)化。我國(guó)正處于數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)的制訂時(shí)期，對(duì)于成功運(yùn)用的和已經(jīng)現(xiàn)有的數(shù)字廣播系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，有助于我國(guó)數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)的快速制訂，擁有更多的商機(jī)，并且加速社會(huì)的發(fā)展。

在廣播系統(tǒng)中，為了克服模擬廣播系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，更加充分的利用模擬頻段，數(shù)字化傳輸是以后發(fā)展的必經(jīng)之路，這是數(shù)字廣播的概念。采用數(shù)字化具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）在功率方面比模擬廣播額消耗低很多；（2）信號(hào)傳送的質(zhì)量可以顯著提高；（3）信號(hào)傳送的可靠性也大大的增加；（4）現(xiàn)有的頻譜資源也可以更加的成分利用。

2 OFDM技術(shù)

OFDM技術(shù)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上它是多載波調(diào)制的一種。OFDM的主要思想是：將一個(gè)信道分成若干正交子信道，并將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成多個(gè)并行的低速子數(shù)據(jù)流，然后調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。而正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用一定的技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣有利于減少子信道之間的相互干擾。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串?dāng)_。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一部分，信道均衡變得相對(duì)容易。

OFDM技術(shù)擁有抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)以及頻譜利用率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，在提高系統(tǒng)可靠性和傳輸速率上都卓有成效，因此一般都是在抵抗外界干擾能力弱或者容易受外界干擾的傳輸介質(zhì)中應(yīng)用。同時(shí)隨著OFDM技術(shù)的逐漸成熟和完善，其得到了更為廣泛的應(yīng)用。它的主要特點(diǎn)是：（1）每個(gè)子載波的調(diào)制運(yùn)用的是多進(jìn)制調(diào)制；（2）各路已調(diào)信號(hào)遵循嚴(yán)格正交原則，方便接收端能更好的分離每路的信號(hào)；（3）為了盡量增大數(shù)據(jù)傳輸速率以及提高頻率的利用率，子載波的已調(diào)信號(hào)頻譜有少部分的重疊；（4）各個(gè)子載波的調(diào)制制度不同，要根據(jù)每個(gè)子載波所處的信道的優(yōu)劣性質(zhì)來(lái)采取不同的體制。

圖1 OFDM系統(tǒng)框圖

3 OFDM的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)

OFDM系統(tǒng)與一般非交疊的多載波或傳統(tǒng)的單載波傳輸系統(tǒng)相比較，具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）因?yàn)镺FDM系統(tǒng)使用的是并行的正交多載波來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其在子載波上的符號(hào)時(shí)間相應(yīng)的增加了，這樣的情況下也相應(yīng)的減小了信道時(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致的ISI影響。在一定程度上大大的減小了數(shù)據(jù)在高速率傳輸下，相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜程度；（2）在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)的衰落將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通信鏈路的中斷，作為多載波系統(tǒng)的OFDM技術(shù)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)就是容易實(shí)現(xiàn)信道的均衡，單個(gè)的衰落只會(huì)使得一小部分載波受到影響，對(duì)整體沒(méi)有太大影響，其具有很強(qiáng)的抗信道頻率選擇性衰落的特點(diǎn)；（3）OFDM系統(tǒng)可以在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下自動(dòng)的檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下，特定的載波中哪一個(gè)存在干擾脈沖或者高的信號(hào)衰減，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)的比較合理的調(diào)制措施來(lái)促使特定頻率下的載波能成功進(jìn)行通信；（4）OFDM系統(tǒng)非常適合使用于居民較為密集、地理上較為突出的地方或者高層建筑物等地區(qū)來(lái)進(jìn)行信息的傳輸。數(shù)字語(yǔ)音廣播以及高速的數(shù)據(jù)傳播，兩者都非常希望降低因多條路徑而造成的信號(hào)不良的影響。

但是另一方面OFDM由于其信號(hào)調(diào)制機(jī)制使得它在傳輸過(guò)程中存在下列的缺點(diǎn)：（1）在OFDM系統(tǒng)中，其對(duì)它下屬的各個(gè)子載波之間的正交性有非常嚴(yán)格的要求，不管存在多小的載波頻偏都會(huì)破壞子載波之間的正交性，然后引起ICI；當(dāng)然同樣的，相位噪聲最終也會(huì)引起ICI。但是單載波系統(tǒng)就不會(huì)有這個(gè)問(wèn)題。這也是OFDM系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)；（2）因?yàn)镺FDM系統(tǒng)的峰值平均功率相比于（PAPR）大，所以其對(duì)非線性放大更加敏感，故OFDM調(diào)制系統(tǒng)相比于單載波系統(tǒng)對(duì)放大器的線性范圍要求更高寬。

4 OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 峰均比技術(shù)。由于OFDM系統(tǒng)的峰值平均功率比較大，現(xiàn)在減小峰均值有三類方法：編碼技術(shù)、信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)以及運(yùn)用加干擾序列對(duì)OFDM的符號(hào)進(jìn)行一定的加權(quán)處理來(lái)選擇峰均相對(duì)比較小的符號(hào)進(jìn)行傳輸。其中，編碼技術(shù)是盡量使用一些不會(huì)造成大峰值功率的編碼圖樣，然而這種方法運(yùn)用在擁有大量子載波的OFDM技術(shù)上，效率依然不是很高。信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)，首先是對(duì)功率遠(yuǎn)大于定值的信號(hào)進(jìn)行非線性預(yù)畸變，例如：峰值消除、限幅、峰值加窗等，這個(gè)技術(shù)是在信號(hào)被放大之前進(jìn)行的。

4.2 同步技術(shù)。由于OFDM系統(tǒng)對(duì)載波頻偏比較敏感，所以為了盡量保持子載波之間的正交性的完整性，在接收端要對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的載波偏頻進(jìn)行一定的估計(jì)和補(bǔ)償。OFDM系統(tǒng)中載波偏頻分為小數(shù)倍偏頻與整數(shù)倍子載波間隔偏頻。小數(shù)倍偏頻會(huì)引起子載波間的干擾（ICI），即使很小也會(huì)對(duì)OFDM帶來(lái)極大的性能損失。整數(shù)倍偏頻只是引起了子載波的位置發(fā)生改變，不會(huì)引起ICI，整數(shù)倍的偏頻造成符號(hào)錯(cuò)誤率達(dá)到50%。接收端對(duì)偏頻的估計(jì)和補(bǔ)償一般分為捕獲與跟蹤，就是先進(jìn)行小數(shù)倍的估計(jì)，然后再對(duì)整數(shù)倍的偏頻進(jìn)行估計(jì)。

4.3 信道估計(jì)。無(wú)線通信中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間具有很大的隨機(jī)性，很容易使得接收的信號(hào)在頻率、幅度上失真，信道估計(jì)器是克服這個(gè)問(wèn)題的重要組成部分。信道估計(jì)算法主要分為以下兩類：盲估計(jì)算法與以訓(xùn)練序列為基礎(chǔ)的估計(jì)算法。盲估計(jì)是根據(jù)接收數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息來(lái)完成的，這個(gè)方法在運(yùn)算量方面過(guò)于大，很難實(shí)現(xiàn)，但是相對(duì)于以訓(xùn)練序列為基礎(chǔ)的估計(jì)算法提高了系統(tǒng)的工作效率，因此也受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。以訓(xùn)練序列為基礎(chǔ)的估計(jì)算法是利用接收端以及發(fā)送端都已經(jīng)知道的序列進(jìn)行信道估計(jì)。該方法算法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的幾方面我們可以看到OFDM具有巨大的應(yīng)用潛力，我們要看到它的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)我們也不能忽略它所存在的問(wèn)題，在這樣的信息時(shí)代，對(duì)信息需求的增大，也促使我們對(duì)OFDM技術(shù)進(jìn)行更深入的研究，我們要結(jié)合實(shí)際的需要運(yùn)用這種技術(shù)，更好的克服自身的缺陷，才能使OFDM技術(shù)在數(shù)字廣播等多方面的領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用，為創(chuàng)造更為美好的時(shí)代做出貢獻(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：田建偉（1979-），男，本科，助理工程師，研究方向：數(shù)字控制與集成電路

作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局五六四電臺(tái)，北京，102434