OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

石玉峰+鄧文

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

關(guān)鍵詞 OFDM（正交頻分復(fù)用）；ISI（符號(hào)間干擾）；ICI（載頻間干擾）

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）01-0050-02

OFDM技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也比較廣泛，是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)物理層的核心技術(shù)。OFDM技術(shù)頻譜利用率高，相對(duì)于傳統(tǒng)的FDM技術(shù)，其利用子載波之間的正交性，帶寬節(jié)省近一半，有很強(qiáng)的頻譜優(yōu)勢(shì)?？梢宰鳛榉菍?duì)稱數(shù)字業(yè)務(wù)的傳輸技術(shù)，選擇子信道的數(shù)目不同，其傳輸速率也不同，已應(yīng)用的有DSL、WLAN等方面。能夠有效的抵抗多徑效應(yīng)帶來(lái)的ISI（符號(hào)間干擾）、ICI（載頻間干擾），主要基于其保護(hù)間隔，循環(huán)前綴。還有，OFDM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也比較容易，因?yàn)殡S著DSP的發(fā)展，IFFT可以輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)。OFDM系統(tǒng)可以維護(hù)兩個(gè)發(fā)送碼元周期比多徑時(shí)延要大得多，而且還可以支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并且不需要復(fù)雜的信道均衡。當(dāng)然缺點(diǎn)也比較突出，那就是對(duì)頻偏比較敏感，峰均比過(guò)高。下面我們就詳細(xì)來(lái)探討一下OFDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足之處。

1 初步認(rèn)識(shí)OFDM

1.1 OFDM的概念

OFDM由（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）縮寫(xiě)而來(lái)，即正交頻分復(fù)用，是一種無(wú)線環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其本質(zhì)是一個(gè)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(hù)帶，頻譜利用率低。OFDM通過(guò)子載波之間的正交，大大的提升了頻譜效率。在實(shí)際應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 OFDM信號(hào)的生成

OFDM信號(hào)的通帶信號(hào)表示為：

OFDM的等效基帶信號(hào)形式為：

公式中，N表示子載波的個(gè)數(shù)，T表示OFDM符號(hào)（比特）時(shí)間間隔，di（i=0、1、2……）是第i個(gè)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(shì)

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(hù)間隔的方法來(lái)避免載波之間的干擾，降低了頻譜效率。而OFDM的各個(gè)子載波重疊排列，同時(shí)通過(guò)FFT技術(shù)來(lái)實(shí)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(jìn)而提升了頻譜效率。

2.2 有效對(duì)抗多徑

當(dāng)符號(hào)之間無(wú)保護(hù)間隔時(shí)，在時(shí)域上，多路徑能引起符號(hào)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(shí)收到前一個(gè)符號(hào)的多徑延遲信號(hào)（虛線）和下一個(gè)符號(hào)的正常信號(hào)（實(shí)線），影響了正常接收，頻域上受到了ICI，時(shí)域上受到了ISI。

OFDM能夠通過(guò)符號(hào)間保護(hù)間隔CP消除ISI和ICI。將OFDM符號(hào)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(gè)符號(hào)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(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)及其多徑積分總為0，因此采用CP來(lái)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(dòng)態(tài)的OFDM子載波分配技術(shù)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(shí)，通過(guò)聯(lián)合編碼子信道的作用之間達(dá)成的副載波頻率分集，同時(shí)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(shí)刻準(zhǔn)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(kuò)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(hào)帶寬，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的帶寬擴(kuò)展性。不同寬帶的系統(tǒng)所采用的FFT點(diǎn)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(diǎn)數(shù)為512，而載波帶寬為20 MHz的FFT點(diǎn)數(shù)為2048。在實(shí)現(xiàn)上，載波帶寬的改變只要通過(guò)調(diào)整IFFT尺寸即可實(shí)現(xiàn)，增加的系統(tǒng)復(fù)雜度并不明顯。

3 OFDM的不足

3.1 OFDM技術(shù)最大的缺點(diǎn)是對(duì)頻率偏移特別敏感

在OFDM系統(tǒng)中，要想正確接收信號(hào)，只有先保證載波間的正交性，而完成這種操作，只能通過(guò)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(huì)破壞載波間的正交性，這將不可避免地導(dǎo)致ICI，在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，因?yàn)楸镜貢r(shí)鐘（晶體振蕩器）產(chǎn)生載波頻率不是很準(zhǔn)確，還附加了一些隨機(jī)相位調(diào)制信號(hào)，結(jié)果在接收器不能與發(fā)送方產(chǎn)生完全相同的頻率；對(duì)于單載波系統(tǒng)，相位噪聲和頻率偏移會(huì)導(dǎo)致SNR的損失，卻不會(huì)產(chǎn)生干擾。

但對(duì)于多載波系統(tǒng)，卻會(huì)造成子載頻間干擾（ICI），雖然在接受端可以通過(guò)頻率同步來(lái)獲取頻率偏移并進(jìn)行校正，但由于頻偏估計(jì)的不精確而引起的殘留頻偏將會(huì)使信號(hào)檢測(cè)性能下降。

3.2 時(shí)域信號(hào)的峰均比高

OFDM系統(tǒng)中，獨(dú)立的、經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)相互組合就會(huì)形成OFDM信號(hào)，這樣，如果該子載波又具有相同的相位，在時(shí)域中波形又直接疊加，此在的瞬時(shí)功率信號(hào)將是非常大的，即，峰值功率大，比信號(hào)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(hào)的動(dòng)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(jié)

OFDM技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)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?cè)絹?lái)越關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)。為了滿足人們更大的需求，隨著無(wú)線多媒體通信技術(shù)未來(lái)的發(fā)展，只是加緊實(shí)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(shù)。在人們對(duì)于寬帶化、通信數(shù)字化、移動(dòng)化和個(gè)人化的需求越來(lái)越大的浪潮下，OFDM技術(shù)必將在固定無(wú)線接入領(lǐng)域和移動(dòng)接入領(lǐng)域中應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。OFDM技術(shù)的應(yīng)用前景目前已被一些高校以及大公司充分認(rèn)識(shí)到，相繼紛紛投入巨資展開(kāi)深入研究，在改善OFDM的同步、峰均比高等技術(shù)難題外，還包括OFDM與其他通信技術(shù)相結(jié)合的研究工作。例如聯(lián)合發(fā)送、聯(lián)合檢測(cè)、空時(shí)碼、動(dòng)態(tài)分組分配、智能天線等。目前這些研究結(jié)果已經(jīng)表明，無(wú)線OFDM技術(shù)系統(tǒng)的性能得到了提高，而且這些研究技術(shù)也將形成未來(lái)OFDM系統(tǒng)的核心技術(shù)。將來(lái)對(duì)這些方面的研究會(huì)更加廣泛，在這個(gè)活躍的研究領(lǐng)域里，有更多的課題等著我們?nèi)プ錾钊胙芯俊?/p>

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