OFDM技術(shù)的應(yīng)用分析

高小梅，胡長(zhǎng)嶺

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，傳輸速率的不斷提高，同時(shí)傳輸帶寬也越來(lái)越寬，因此，如何高效充分的利用有限的帶寬成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中主要解決的問(wèn)題。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方式，其高速，高質(zhì)量傳輸信息以及抗干擾強(qiáng)的特性使其在各類通信系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。

1 OFDM技術(shù)

1.1 OFDM技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)50年代OFDM傳輸思想的提出一直到20世紀(jì)六七十年代美國(guó)軍方的應(yīng)用。再到20世紀(jì)80年代大量的集成電路的運(yùn)用，OFDM技術(shù)在不斷的成長(zhǎng)。20世紀(jì)90年代被歐洲國(guó)家和澳大利亞最先應(yīng)用于廣播信道通信系統(tǒng)和數(shù)字電視及無(wú)線局域網(wǎng)。直到21世紀(jì)，OFDM技術(shù)被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

1.2 OFDM技術(shù)的工作原理

OFDM是一種多載波并行傳輸方法，其基本原理便是將高速串行的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成低速并行的數(shù)據(jù)流，在N多個(gè)子載波上同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)流的傳輸，符號(hào)不間斷的傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的頻譜可占據(jù)全部可利用的帶寬。這些子載波又是有正交性的，雖然相互重疊，但不會(huì)出現(xiàn)子載波之間的干擾，從而提高了頻帶利用率。

2 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：把高速率數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)增加，從而有效減少由于無(wú)線信道的時(shí)間彌散所帶來(lái)的ISI，減少了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度。

2) 頻譜資源利用率高：傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶分為若干個(gè)不相交的子頻帶來(lái)并行傳輸數(shù)據(jù)流，各個(gè)子信道之間保留足夠的保護(hù)頻帶。但是，OFDM系統(tǒng)由于各個(gè)子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，所以與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。

3) 可以靈活采用不同調(diào)制解調(diào)方式：各個(gè)子信道的正交調(diào)制與解調(diào)可以通過(guò)采用離散傅里葉變換和離散傅里葉反變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。在子載波很大的系統(tǒng)中，可以通過(guò)采用快速傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。而隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與DSP技術(shù)的發(fā)展，快速傅里葉變換與FFT都是容易實(shí)現(xiàn)的。

4) 實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱傳輸：無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)存在非對(duì)稱性，即下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸量大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量。OFDM系統(tǒng)可以通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

5) OFDM易于和其他多種接入方法結(jié)合使用：其中包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM及OFDM-TDMA等，使得多個(gè)用戶可以同時(shí)利用OFDM技術(shù)進(jìn)行信息傳輸[1]。

2.2 OFDM技術(shù)的缺陷

1) 對(duì)頻譜偏差敏感：無(wú)線信道的時(shí)變性，在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的無(wú)線信號(hào)頻譜偏移或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻譜偏差，都會(huì)使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致子信道間干擾。

2) 存在較高的峰值平均功率比：多載波系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道的疊加，如果多個(gè)信號(hào)的相位一致時(shí)，所得到的疊加信號(hào)的功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比。這就對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求[2]。

3 OFDM技術(shù)的應(yīng)用

3.1 OFDM技術(shù)在光纖通信中的應(yīng)用

3.1.1 直接檢測(cè)光OFDM系統(tǒng)

直接檢測(cè)光OFDM系統(tǒng)可以分為兩種不同的系統(tǒng)分別為線性映射DDO-OFDM系統(tǒng)和非線性DDO-OFDM系統(tǒng)，這是由其光OFDM信號(hào)的生成方式不同決定的。將基帶OFDM頻譜直接的復(fù)制在光OFDM頻譜上就認(rèn)為是線性映射DDO-OFDM系統(tǒng)，相反的不是直接將基帶OFDM頻譜復(fù)制到光OFDM頻譜上就是非線性映射DDO-OFDM系統(tǒng)。同時(shí)，在系統(tǒng)中不同的色散系數(shù)對(duì)傳輸距離有影響，所以需要在系統(tǒng)中對(duì)電域或光域的色散進(jìn)行補(bǔ)償。并且在頻帶利用率與誤碼率的要求下需要對(duì)載波的數(shù)目進(jìn)行選擇，這樣可以避免不同的載波數(shù)目對(duì)DDO-OFDM系統(tǒng)帶來(lái)的影響。

3.1.2 相干檢測(cè)光OFDM系統(tǒng)

光強(qiáng)度信息能夠在直接檢測(cè)光OFDM系統(tǒng)中被光檢測(cè)器檢測(cè)出，而其他的光載波的相位和頻率是不能夠被檢測(cè)出的，所以導(dǎo)致不能夠?qū)⒊跏紨?shù)字信號(hào)有效的被系統(tǒng)恢復(fù)出來(lái)。然而，相干檢測(cè)光OFDM系統(tǒng)能夠檢測(cè)出光載波的相位和頻率，很好的彌補(bǔ)了直接檢測(cè)光OFDM的這一不足之處。合適的子載波數(shù)目對(duì)于CO-OFDM系統(tǒng)性能的發(fā)揮是非常重要的，當(dāng)子載波數(shù)過(guò)于大時(shí)會(huì)造成信道干擾，而過(guò)于小時(shí)又會(huì)造成頻帶利用率下降。同時(shí)，不同的調(diào)制方式會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響，比如系統(tǒng)的光纖色散容限、非線性效應(yīng)及光信噪比等，所以為了要平衡好誤碼率小、頻譜利用率高、傳輸容量大以及傳輸距離長(zhǎng)這些條件，選擇合適的調(diào)制方式也是十分必要的。還需要注意的是，差分群延時(shí)(DGD)對(duì)系統(tǒng)性能也會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)DGD越來(lái)越大性能越來(lái)越好，但是超過(guò)某個(gè)值之后，受偏振模色散的影響，系統(tǒng)性能開(kāi)始下降。

3.1.3 偏振復(fù)用CO-OFDM系統(tǒng)

CO-OFDM系統(tǒng)中引入了偏振復(fù)用技術(shù)，從而在提高了需要的系統(tǒng)容量的同時(shí)CO-OFDM系統(tǒng)能夠有效的估計(jì)和補(bǔ)償光纖中的偏振模色散，這樣既滿足了系統(tǒng)各個(gè)元器件的基本需求，又可以更好的提高系統(tǒng)的運(yùn)行速率。將來(lái)在解決系統(tǒng)容量超大、超高速率、超長(zhǎng)距離這些問(wèn)題時(shí)偏振復(fù)用CO-OFDM系統(tǒng)會(huì)提供一種有效的方法。同時(shí)，單模光纖一般情況下具有兩種偏振模式而且偏振相關(guān)損耗(PDL)、偏振模色散(PMD)和色散(CD)效應(yīng)都會(huì)對(duì)光信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響。因?yàn)橄到y(tǒng)的運(yùn)行性能，同時(shí)受到調(diào)制方式和子載波數(shù)目的影響，所以為了極大的提高系統(tǒng)性能相關(guān)工作人員在設(shè)定偏振復(fù)用CO-OFDM仿真系統(tǒng)時(shí)，要特別注意選擇調(diào)制方式和子載波數(shù)目。

3.2 OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著時(shí)代的發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)的不斷成熟，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來(lái)越高，需要更大的信道容量和寬帶來(lái)滿足不同業(yè)務(wù)和不同終端的需求。而OFDM技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于第四代移動(dòng)通信中，首先OFDM技術(shù)極強(qiáng)的抗多徑干擾和頻率選擇性衰落的能力縮短了多徑衰落帶來(lái)的影響。其次，在現(xiàn)如今OFDM技術(shù)與MIMO多輸入多輸出技術(shù)相融合，能夠提高系統(tǒng)容量，并且保證了多路徑傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性。同時(shí)，降低了系統(tǒng)本身和外界的噪聲干擾。也使得OFDM技術(shù)帶寬有限的問(wèn)題和MIMO技術(shù)過(guò)于復(fù)雜的檢測(cè)，以及MIMO技術(shù)頻帶選擇性衰落的問(wèn)題都得到了有效的解決。另外，OFDM技術(shù)能夠在利用FFT/IFFT快速高效的實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)的同時(shí)，能夠充分利用信道的特性自適應(yīng)分配子載波的功率，并且選擇合適的調(diào)制方式,子信道可以被合理的利用，以提高系統(tǒng)性能。

在OFDM技術(shù)充分應(yīng)用于LTE中的同時(shí)，面對(duì)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，解決不同場(chǎng)景下的差異化性能指標(biāo)，滿足不同終端的業(yè)務(wù)服務(wù)，5G時(shí)代將到來(lái)，已有測(cè)試表明第五代移動(dòng)通信將采用UF-OFDM技術(shù)，UF-OFDM技術(shù)在繼承了CP-OFDM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用濾波技術(shù)大幅減少帶外泄漏，可有效支持相鄰子帶的異步傳輸，同時(shí)UF-OFDM技術(shù)可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)對(duì)于不同波形參數(shù)的不同需求，在統(tǒng)一的物理平臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)的選擇和配置，滿足不同場(chǎng)景下產(chǎn)異化技術(shù)[3]。

3.3 OFDM技術(shù)在船舶載波通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著船舶智能化設(shè)備和對(duì)航海信息的精準(zhǔn)掌握，對(duì)通信系統(tǒng)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，要求越來(lái)越高?，F(xiàn)代船舶通信已經(jīng)不僅僅依賴于衛(wèi)星通信，其成本高，數(shù)據(jù)帶寬有限，已經(jīng)無(wú)法滿足通信需求。然而，OFDM技術(shù)是將高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成幾個(gè)低速通道并行傳輸，從而提高了傳輸速率的同時(shí)，合理的利用了傳輸頻帶，這對(duì)船舶的安全性有了極大的保障。

船載通信系統(tǒng)是將發(fā)射端的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸送到混頻器中進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)互相的正交調(diào)制，得到了N個(gè)載波，形成了發(fā)射信號(hào)，其中包括多個(gè)載波信息。接收端在分頻處理后，由于每個(gè)載波的正交性，得到了互不干擾的子載波信號(hào)[4]。這樣，傳播設(shè)備直接形成了高速互聯(lián)，對(duì)傳播設(shè)備有了極大的改善，同時(shí)增大了對(duì)航運(yùn)的安全性。

3.4 OFDM技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

OFDM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，在數(shù)字廣播、局域網(wǎng)、飛行器、航海甚至衛(wèi)星通信中都起著關(guān)鍵的作用。不論是有線通信還是無(wú)線通信都有信號(hào)在信道中傳輸，會(huì)存在多徑效應(yīng)、噪聲干擾及信號(hào)衰減的問(wèn)題，而OFDM技術(shù)以其抗干擾能力強(qiáng)，頻譜利用率高，適合高速率傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

OFDM技術(shù)以其眾多的優(yōu)點(diǎn)已被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括數(shù)字廣播、無(wú)線局域網(wǎng)、第四代移動(dòng)通信、光纖通信等。但是仍然存在著其自身的缺陷，如對(duì)相位噪聲和頻率偏移敏感的問(wèn)題以及較高的峰值平均功率比，如何克服這些缺陷，使得OFDM技術(shù)能夠更好的更廣泛的更有效的應(yīng)用于各個(gè)通信領(lǐng)域，使我們的通信技術(shù)更上一層樓，是我們接下來(lái)要研究的方向。

[1] 王文博，鄭侃.寬帶無(wú)線通信OFDM技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[2] 彭木根，王文博.下一代寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)OFDM與WIMAX[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3] 劉海靜，汪勇剛，王河.5G新型多載波UF-OFDM技術(shù)及檢測(cè)[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2016(11):5-9.

[4] 賈瀛.OFDM技術(shù)在船舶載波通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].船舶科學(xué)技術(shù)，2017(7A):103-105.