摘要：與傳統(tǒng)單載波技術(shù)相比，正交頻分復用（OFDM）技術(shù)具有頻譜利用率高和抗頻率選擇性衰落能力強等優(yōu)點，是提高系統(tǒng)傳輸速率和可靠性的有效手段，并且隨著對OFDM技術(shù)的研究逐漸完善和成熟，OFDM技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在此主要介紹了OFDM技術(shù)原理和關(guān)鍵技術(shù)，分析了OFDM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了在下一代移動通信中的應(yīng)用和研究方向。

　　引言

? ? ? ?OFDM技術(shù)的提出已有近40年的歷史，近年來，由于數(shù)字信號（DSP）技術(shù)的飛速發(fā)展、傅里葉變換反變換、高速Modem技術(shù)等成熟技術(shù)的引入，OFDM技術(shù)作為可以高效抵抗ISI的多載波傳輸技術(shù)才引起了廣泛關(guān)注。目前，OFDM技術(shù)已經(jīng)成功地被應(yīng)用在非對稱數(shù)字用戶線（ADSL）、無線本地環(huán)路（WLL）、數(shù)字音頻廣播、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網(wǎng)等系統(tǒng)中。隨著人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化和移動化的需求，人們開始集中精力開發(fā)OFDM技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用，下一代移動通信的主流技術(shù)將是OFDM技術(shù)。

　　一、OFDM系統(tǒng)原理

　　OFDM是一種多載波傳輸技術(shù)，可以看做是傳統(tǒng)頻分復用（FDM）的發(fā)展。在OFDM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換成N路，在N個子載波上同時傳輸，由此將頻率選擇性信道分割為一系列頻率平坦衰落子信道，符號間干擾（ISI）區(qū)域縮小為原來的1/N。與傳統(tǒng)FDM技術(shù)不同的是：傳統(tǒng)FDM系統(tǒng)中的各子信道之間需要保護頻帶，系統(tǒng)的頻譜利用率較低。而OFDM系統(tǒng)中的子載波在時域中相互正交，頻域相互重疊，不同子載波間不再需要保護間隔，最大地提高了系統(tǒng)頻譜效率。

　　圖1為OFDM系統(tǒng)基本模型框圖。在OFDM系統(tǒng)中，首先將高速輸入的串行比特流進行串/并變換，轉(zhuǎn)換成多路并行的低速數(shù)據(jù)流，然后調(diào)制到不同的子載波上進行傳輸。如果有N個子信道，OFDM符號的寬度為T，dii=0，1，N-1）為分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號，fi為第i個子載波的頻率，rect（t）=1,T/2，則從t=ts開始的OFDM符號可以表示為：

　　在同一個OFDM符號內(nèi)，所有子載波都具有相同幅值和相位，并且都包含有整數(shù)倍個周期，而且相鄰子載波之間相差1個周期，從而保證了子載波之間的正交性。

　　在接收端對第j個子載波進行解調(diào)時，

　　由式中可以看出，對第j個子載波進行解調(diào)可以恢復出期望符號，而對其他子載波來說，由于在積分期間頻率差別i-j/T可以產(chǎn)生整數(shù)倍個周期，所以積分結(jié)果為零。

　　二、OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

　　由于OFDM系統(tǒng)中存在多個相互正交的子載波，而且輸出信號是多個子信道信號的疊加，所以在OFDM系統(tǒng)中存在以下幾方面關(guān)鍵技術(shù)。

　　1.峰均比技術(shù)

　　OFDM系統(tǒng)的弱點之一就是對峰值平均比比較敏感。相對于單載波系統(tǒng)，由于OFDM符號是多個子載波符號相加而成的，對于有N個子信道的OFDM系統(tǒng)來說，如果N路信號的相位相同時，所得的信號峰值功率為平均功率的N倍。當這種變化范圍很大的信號通過諸如功率放大器這種非線性部件時，信號就會發(fā)生非線性失真，產(chǎn)生諧波，除此之外，還會增加A/D，D/A轉(zhuǎn)換器的復雜度和準確性，因此，如何減小較大的PAR是OFDM系統(tǒng)面臨的重要問題之一。

　　目前減小峰均值的方法可以分為三類：信號預畸變技術(shù)，編碼技術(shù)和利用加干擾序列對OFDM符號進行加權(quán)處理以選擇峰均比較小的符號來傳輸。其中，信號預畸變技術(shù)是在信號被放大之前，首先對功率大于閾值的信號進行非線性預畸變，比如限幅、峰值加窗、峰值消除等。編碼方法是使用不會造成大峰值功率信號的編碼圖樣，但是這種方法在子載波數(shù)量較大時，編碼效率非常低。

　　2.信道估計

　　在無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射機和接收機之間的傳播路徑復雜，具有很大的隨機性，很容易導致接收信號的相位、頻率和幅度的失真。所以對接收機的性能提出了很大挑戰(zhàn)，而信道估計器是克服這一問題的重要組成部分。通過信道估計，接收機可以得到無線信道的沖激響應(yīng)從而對接收信號進行均衡。

　　信道估計算法主要有兩類：基于訓練序列的估計算法和盲估計算法。其中，基于訓練序列的估計算法就是利用發(fā)送端和接收端都已知的序列進行信道估計，由于OFDM系統(tǒng)的時頻二重性，既可以在時域內(nèi)進行估計，也可以在頻域內(nèi)進行估計。該方法容易實現(xiàn)，算法簡單，得到廣泛應(yīng)用。為了盡量獲得精確估計值而又不浪費資源，訓練序列間隔的設(shè)置原則為：時域間隔st和頻域間隔sf應(yīng)分別滿足st《1/Bd，sf《1/max，其中Bd為多普列頻移，max為最大時延。

　　盲估計利用接收數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息來實現(xiàn)，不需要訓練序列，所以節(jié)約了帶寬，但是該方法運算量大，不容易實現(xiàn)，在實時系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。但由于其相對于基于訓練序列的估計方法提高了系統(tǒng)效率，所以也越來越受到關(guān)注。

　　3.同步技術(shù)

　　OFDM系統(tǒng)中，發(fā)射數(shù)據(jù)在N個子載波上并行傳輸，多個子載波上的數(shù)據(jù)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)并行傳輸而互不干擾，主要是因為各個子載波具有正交性，當由于無線信道的時變性等原因引起頻率偏差時，這種正交性受到破壞，就會導致子載波間的相互干擾。所以O(shè)FDM系統(tǒng)對頻率偏移非常敏感。為了不破壞子載波間的正交性，在接收端要對傳輸過程中產(chǎn)生的頻率偏移進行估計和補償。

　　OFDM系統(tǒng)中的頻率偏移有整數(shù)倍子載波間隔頻偏和小數(shù)倍頻偏。其中，整數(shù)倍頻偏的抽樣點仍然在頂點，只是子載波位置發(fā)生了改變，不會引起載波間干擾（ICI），這種頻偏引起的符號錯誤率為50%。小數(shù)倍頻偏破壞了子載波間的正交性，而引入ICI，在這種情況下，即使很小的頻偏也會帶來很大的性能損失。

　　在接收端對頻偏的估計和補償過程一般分為粗同步（捕獲）和細同步（跟蹤），即首先在時域內(nèi)估計小數(shù)倍頻偏，然后在頻域內(nèi)再完成整數(shù)倍頻偏的估計。

　　三、OFDM技術(shù)的優(yōu)點

　?。?）在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)能同時分開至少1000個數(shù)字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運行的能力將直接威脅到目前市場上已經(jīng)開始流行的CDMA技術(shù)的進一步發(fā)展壯大的態(tài)勢，正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得OFDM技術(shù)深受歐洲通信營運商以及手機生產(chǎn)商的喜愛和歡迎。

　?。?）OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會隨時間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)進行成功的通信。該技術(shù)可以自動地檢測到在傳輸介質(zhì)下，哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信。

　　（3）OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅僅有很小一部分載波會受到干擾。對這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯。OFDM技術(shù)特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號散播的地區(qū)。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語音廣播都希望降低多徑效應(yīng)對信號的影響。

　?。?）OFDM技術(shù)可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。

　?。?）OFDM技術(shù)通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯(lián)合編碼，可以使系統(tǒng)性能得到提高。

　　（6）OFDM技術(shù)可以使用硬件模塊集成基于IFFT/FFT的算法，通過這種方式實現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)的運行速度，主要取決于硬件電路的運行速度，同時也簡化了系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜程度。

　?。?）OFDM技術(shù)的信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要；當子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2baud/Hz。

　　四、OFDM技術(shù)的缺陷

　　（1）對頻偏和相位噪聲比較敏感。OFDM技術(shù)區(qū)分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴格的正交性。頻偏和相位噪聲會使各個子載波之間的正交特性惡化，僅僅1%的頻偏就會使信噪比下降30dB。因此，OFDM系統(tǒng)對頻偏和相位噪聲比較敏感。

　?。?）功率峰值與均值比（PAPR）大，導致射頻放大器的功率效率較低。與單載波系統(tǒng)相比，由于OFDM信號是由多個獨立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號相加而成的，這樣的合成信號就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就會帶來較大的功率峰值與均值比，簡稱峰均值比。對于包含N個子信道的OFDM系統(tǒng)來說，當N個子信道都以相同的相位求和時，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。當然這是一種非常極端的情況，通常OFDM系統(tǒng)內(nèi)的峰均值不會達到這樣高的程度。高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導致射頻信號放大器的功率效率降低。

　　（3）負載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會增加系統(tǒng)復雜度。負載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的使用會增加發(fā)射機和接收機的復雜度，并且當終端移動速度高于30km每小時時，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)就不是很適合了。

　　五、OFDM技術(shù)的應(yīng)用

　　目前，OFDM技術(shù)已經(jīng)在眾多高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域得到了應(yīng)用。數(shù)字音頻廣播（DAB）標準是第一個正式使用OFDM的標準。在DAB系統(tǒng)中采用OFDM技術(shù)的主要原因是利用單頻網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)大區(qū)域覆蓋，從而大大提高了系統(tǒng)的頻譜效率。在傳統(tǒng)的模擬廣播網(wǎng)中，要實現(xiàn)大面積覆蓋必須使用多個發(fā)射機，這些發(fā)射機不能工作在同一頻率。而OFDM具有很強的抗多徑干擾能力，因而使用單一頻率就可以構(gòu)成同步發(fā)射網(wǎng)。

　　此外，由于OFDM技術(shù)在對抗多徑衰落的明顯優(yōu)勢，在許多4G移動通信方案中都考慮選擇OFDM技術(shù)作為空中接口技術(shù)，如日本NTTDoCoMo提出的4G系統(tǒng)方案，歐洲的MATRICE計劃，中國的Future計劃等。在這些方案中，最受關(guān)注的核心技術(shù)是多天線技術(shù)與OFDM技術(shù)相結(jié)合的MIMOOFDM技術(shù)，MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)的結(jié)合已成為高速傳輸無線通信的基石。第一個提出MIMOOFDM系統(tǒng)的是D.Agrawal等，后來BenLu等也作出了進一步的研究。目前，國內(nèi)外一些學者也都在對其進行如火如荼的研究。

　　六、結(jié)束語

　　高速無線通信系統(tǒng)設(shè)計的一個最大挑戰(zhàn)就是要克服無線信道帶來的嚴重頻率選擇性衰落。OFDM技術(shù)由于可以克服信道的頻率選擇性衰落，并且實現(xiàn)簡單高效，已經(jīng)成為未來高速通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一。