淺析OFDM技術(shù)及其應(yīng)用

◆唐 昊 韓東洪 周 蕊

淺析OFDM技術(shù)及其應(yīng)用

◆唐 昊１韓東洪１周 蕊２

（１.重慶郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 重慶 400065；2.深圳大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院廣東 518061）

正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種將高速傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)經(jīng)過頻分復(fù)用，從而達(dá)到并行傳輸目標(biāo)的多載波傳輸技術(shù)。首先回顧了該技術(shù)的發(fā)展歷史，然后對該技術(shù)的基本原理、實現(xiàn)方法以及系統(tǒng)框架進(jìn)行了闡述，最后總結(jié)了該技術(shù)的優(yōu)缺點以及應(yīng)用領(lǐng)域。

正交頻分復(fù)用；快速傅立葉變換；移動通信

0 引言

在當(dāng)代社會，隨著新媒體的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、質(zhì)量的重要性日益顯著。正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種多載波傳輸技術(shù)，通過頻分復(fù)用實現(xiàn)高速串行數(shù)據(jù)的并行傳輸，它具有較好的抗多徑衰弱的能力，能夠支持多用戶接入。這種技術(shù)的前身可以追溯到70年前，由G.A.Doelz等人為了能夠在嚴(yán)重多徑衰弱中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)計了Kineplex系統(tǒng)，使用了差分QPSK調(diào)制，這種實現(xiàn)方法和現(xiàn)代的OFDM技術(shù)非常類似，但是這個系統(tǒng)的子載波頻譜并沒有經(jīng)過濾波；于是，R.W.Chang在1966年研究了如何在多載波通信系統(tǒng)中讓將經(jīng)過濾波的子載波保持正交[1]，但當(dāng)時實現(xiàn)起來的難度高，發(fā)展較為緩慢；在20世紀(jì)70年代初期S.B.Weistein和P.M.Ebert等人實現(xiàn)了將離散傅立葉變換[2]應(yīng)用在OFDM調(diào)制中的方法，大大降低了多載波技術(shù)的實現(xiàn)的復(fù)雜度，這也加快了OFDM技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的步伐；80年代末期，人們更深入的研究了數(shù)字移動通信這一領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù),如多載波調(diào)制技術(shù)等，L.J.Cimini首次將OFDM技術(shù)帶到蜂窩移動通信系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)OFDM在移動通信中存在問題，并且提出了解決方案，從此OFDM在無線移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展。近年來，由于數(shù)字信號處理技術(shù)和大規(guī)模集成電路(LSI)的迅速發(fā)展，在載流子數(shù)高達(dá)幾千個的情況下，離散傅里葉變換(DWT)也可以通過專用芯片實現(xiàn)。OFDM技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，也起到重要的作用.國際電工電子工程學(xué)會的IEEE802.11和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)會Hiper -LAN2 兩大無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)將正交頻分復(fù)用作為其物理層關(guān)鍵技術(shù)，正交頻分復(fù)用（OFDM）目前主流的第四代移動通信系統(tǒng)（4G）中，也發(fā)揮著不可忽略的重要作用。

1 OFDM技術(shù)概述

1.1 OFDM技術(shù)基本原理

OFDM的核心思想是，首先，把整個信道的總帶寬分成許多正交子的信道，然后將高速串行的數(shù)據(jù)信號，轉(zhuǎn)換成并行的低速子信號，接著用這些并行的低速子信號分別調(diào)制N路相互正交的子載波，從而實現(xiàn)信號在這些子信道中的同步傳輸。

1.2 實現(xiàn)方法

在發(fā)送端，串行的數(shù)據(jù)流經(jīng)過編碼、調(diào)制以及串并轉(zhuǎn)換之后，送入運算單元進(jìn)行快速傅立葉逆變換（IFFT），將頻域上的基帶信號生成等效的時域上的基帶信號為（式中、分別對應(yīng)為頻域上和時域上的離散點，代表總載波數(shù)量）：

在實際應(yīng)用中，為了抑制碼間干擾（ISI）的影響，還要在符號之前插入大于最大時延擴展的保護(hù)間隔（GI），同時可以保證符號之間的多徑分量不會相互干擾。然后再放入信道進(jìn)行傳送。

在接收端，在去掉保護(hù)間隔時間內(nèi)添加的循環(huán)前綴(CP)、串并轉(zhuǎn)換之后，然后再對剩余的信號進(jìn)行傅立葉變化（FFT），同時進(jìn)行信計，再對FFT的解調(diào)值和信道估計值進(jìn)行相干檢測，恢復(fù)出原始比特流。去除循環(huán)前綴（CP）之后，然后再經(jīng)FFT變換，最后信號表現(xiàn)為：

整個過程的系統(tǒng)框架如圖1。

1.3 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點

1.3.1 優(yōu)點

( 1 ) 頻譜效率高：各個子波具有正交性因此允許相互重疊，節(jié)省了頻譜資源；

( 2 ) 抗干擾能力強：每個子載波上的信道可以看作水平衰落信道，克服了多徑效應(yīng)引起的ICI[3]；

( 3 ) 傳輸數(shù)據(jù)速率高：通過并行傳輸數(shù)據(jù)。

圖1　OFDM實現(xiàn)系統(tǒng)框圖

1.3.2 缺點

( 1 ) 對頻率偏移敏感：對于OFDM系統(tǒng)，射頻收發(fā)載頻不一致和信號頻率發(fā)生偏移會影響子載波之間的正交性，進(jìn)而導(dǎo)致ICI，影響系統(tǒng)性能。

( 2 ) 存在較高的峰值平均功率比（PARR）[4]：OFDM的子載波信號疊加容易產(chǎn)生一個高峰幅度，這就要求配備線性范圍更寬的放大器。如果功率放大器范圍達(dá)不到則會破壞子載波正交性，導(dǎo)致ICI等問題。

2 OFDM的應(yīng)用

OFDM技術(shù)憑借上述的這些優(yōu)點，在很多技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，表現(xiàn)在以下方面。

2.1 在數(shù)字音頻、視頻廣播業(yè)務(wù)方面，

數(shù)字音頻廣播(DAB)與模擬廣播相比可以提高更高質(zhì)量的語音數(shù)字業(yè)務(wù)，在1995年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會通過了第一個DAB標(biāo)準(zhǔn)—ETS300401。此外，日本的ISDB-T和美國的IBOC方案也都包括了OFDM技術(shù)，在數(shù)字視頻廣播（DVB）的DVB-T標(biāo)準(zhǔn)中OFDM技術(shù)也得到了應(yīng)用。

2.2 在無線局域網(wǎng)領(lǐng)域

在高速無線局域網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，OFDM技術(shù)應(yīng)用在了HiperLAN/2物理層中，同時IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的ISM頻段中，在2.4GHz和5.8GHz兩個頻段均采用了該技術(shù)的IEEE802.11a和IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 在4G蜂窩系統(tǒng)方案中

在考慮設(shè)計4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中的空中接口時，OFDM技術(shù)憑借自身在對抗多徑衰弱方面有著顯著的優(yōu)勢而被采用。如日本NTT DoCoMo以及中國的FuTURE方案等，大大提高了系統(tǒng)的性能。

2.4 第五代移動通信（5G）中的應(yīng)用

與OFDM技術(shù)相比，OQAM-OFDM技術(shù)更低帶外頻譜泄露[5]，因此也成為5G關(guān)鍵技術(shù)的重要組成部分。由于OQAM-OFDM技術(shù)對各載波之間不需要同步，要求沒有OFDM那么嚴(yán)格，因此具有更好的兼容性，從而適應(yīng)更多的業(yè)務(wù)需求[6]。此外，5G統(tǒng)一空中接口技術(shù)F-OFDM也是以O(shè)FDM技術(shù)為核心，F(xiàn)-OFDM的子帶濾波器能抑制子帶帶外頻譜泄露。

[1]Chang R W. Synthesis of band‐limited orthogonal sig-nals for multichannel data transmission[J]. Bell System Tech-nical Journal，1966，45(10)：1775-1796.

[2]Weinstein S，Ebert P. Data transmission by frequency-division multiplexing using the discrete Fourier transform[J]. IEEE transactions on Communication Technology，1971，19(5)：628-634.

[3]OFDM系統(tǒng)中的載波干擾抑制技術(shù)研究與仿真[D].電子科技大學(xué)，2013.

[4]張軍.OFDM系統(tǒng)峰值平均功率比的研究[D].蘭州大學(xué)，2007.

[5]張凱，薛倫生，陳西宏，等.基于壓縮感知的OQAM/OFDM系統(tǒng)POP方法信道估計[J].測控技術(shù)，2017，36(12)：33-38.

[6]陳達(dá).OQAM-OFDM無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2015.015