深入淺出談OFDM

常子霆　王躬碩　銀杉

摘 要：OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）正交頻分復(fù)用是HPA（HomePlug Powerline Alliance）聯(lián)盟工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將載波的不同頻率中的信號(hào)合并成單一的信號(hào)，完成信號(hào)的傳送。由于這種技術(shù)具有良好的抗干擾能力，因此常常會(huì)被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。由于OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，直到20世紀(jì)70年代，人們可以利用傅立葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制，才大大簡(jiǎn)化了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得這項(xiàng)技術(shù)更趨于實(shí)用化。80年代，人們將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM。進(jìn)入90年代，OFDM技術(shù)的研究已經(jīng)涉及無(wú)線調(diào)頻信道的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻和民用通信系統(tǒng)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用；OFDM；信號(hào)合成；高速M(fèi)ODEM

1 OFDM技術(shù)由來(lái)

OFDM是MCM（Multi Carrier Modulation）多載波調(diào)制的一種。由于一個(gè)信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號(hào)所需的帶寬要寬得多。將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個(gè)子信道，每一個(gè)子信道傳輸不同頻率的信號(hào)。保證了各路信號(hào)互不干擾，這也就是FDM（Frequency-division multiplexing）頻分多路復(fù)用技術(shù)，早在20世紀(jì)70年代，韋斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人應(yīng)用傅里葉變換研制了一個(gè)完整的多載波傳輸系統(tǒng)，叫做正交頻分復(fù)用OFDM系統(tǒng)。而OFDM正是由FDM演變而來(lái)。OFDM應(yīng)用DFT和IDFT方法解決了多載波傳輸系統(tǒng)發(fā)送和傳送的問(wèn)題。并使多載波傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度大大降低。從此OFDM技術(shù)開(kāi)始走向?qū)嵱谩Ｔ谕ㄐ畔到y(tǒng)中，成為復(fù)雜度低、應(yīng)用廣、性?xún)r(jià)比高的一種多載波傳輸技術(shù)。

2 OFDM主要思想

將信道分成若干流通數(shù)據(jù)流的子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，將其在子信道上進(jìn)行傳輸。為了減少子信道之間的相互干擾，我們通常在信號(hào)的接收端將其分開(kāi)，使每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道相對(duì)應(yīng)的那一部分的帶寬，信道均衡變得相對(duì)容易，故每個(gè)子信道上可以看成是信道的平坦性衰落造成的，于是就可以消除碼間串?dāng)_。

通常，在向超三代移動(dòng)通信系統(tǒng)B3G（Beyond Third Generation in mobile communication system）以及第四代移動(dòng)通訊技術(shù)4G（Beyond Forth Generation in mobile communication system）演變的過(guò)程中，OFDM結(jié)合了分集、時(shí)空編碼、信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)最大限度地提高了系統(tǒng)性能。

在OFDM傳播過(guò)程中，高傳輸速率的信息數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分配到速率相對(duì)較低的子信道中，為了減少因無(wú)線信道多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的碼間干擾，需要將每個(gè)子信道中的符號(hào)周期相對(duì)增加，在引入保護(hù)間隔后，將保護(hù)間隔設(shè)置為大于最大多徑時(shí)延，可以最大限度地消除多徑帶來(lái)的符號(hào)間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，還可避免多徑帶來(lái)的信道間干擾。

3 OFDM優(yōu)缺點(diǎn)

OFDM作為通信方面在3G、4G中被運(yùn)用，其有很多不可替代的優(yōu)勢(shì)：

第一，傳輸數(shù)據(jù)量不會(huì)因?yàn)閹挼膶挾榷艿较拗?，在帶寬寬度較低時(shí)也能夠發(fā)送大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)具有良好的抗干擾能力，在干擾的信號(hào)周?chē)梢园踩\(yùn)行。

第二，OFDM技術(shù)可以持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的變化量，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間而變化，OFDM技術(shù)可以很好地與之相適應(yīng)，并且可以通過(guò)控制接通和切斷相應(yīng)的載波來(lái)保證持續(xù)地進(jìn)行通信。

第三，可以自動(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)中存在信號(hào)衰減或干擾脈沖較為強(qiáng)烈的部分，然后采取合適的調(diào)制措施來(lái)使數(shù)據(jù)成功通信；

第四，由于OFDM技術(shù)使用的是多載波系統(tǒng)，因而，其不會(huì)發(fā)生在單載波系統(tǒng)中單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)通信鏈路失敗這種情況，具有頻率選擇衰落性。

第五，可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形之間的相互干擾，在多徑環(huán)境和衰落信道中，當(dāng)高速傳輸?shù)男盘?hào)出現(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，只有落在頻帶凹陷處的子載波會(huì)受到影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)的誤碼率將會(huì)變得很低。

第六，通過(guò)將子載波進(jìn)行聯(lián)合編碼，因此通過(guò)OFDM傳輸?shù)男盘?hào)具有很強(qiáng)的抗衰落能力。如果衰落不是很?chē)?yán)重，就沒(méi)有必要再通過(guò)均衡器等信號(hào)放大，濾波裝置將信道聯(lián)合編碼。使系統(tǒng)性能以及資源得到較大提高。

雖然OFDM有上述優(yōu)點(diǎn)，但是同樣其信號(hào)調(diào)制機(jī)制也使得OFDM信號(hào)在傳輸過(guò)程中存在著一些劣勢(shì)：

第一，易受相位噪聲和載波頻偏影響。OFDM系統(tǒng)對(duì)子載波之間的正交性要求極為嚴(yán)格，任何載波頻率出現(xiàn)偏差都會(huì)破壞子載波之間的正交性，都會(huì)引起載波間干擾，相位噪聲也會(huì)導(dǎo)致碼元星座點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)、擴(kuò)散，形成信道間干擾。

第二，峰均比過(guò)大。由多個(gè)子載波信號(hào)組成的OFDM信號(hào)，都是不同的調(diào)制符號(hào)獨(dú)立調(diào)制而成的。這些信號(hào)的相位是由要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列所決定。對(duì)某些傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這些信號(hào)可能具有相同的相位，但幅度疊加在一起后會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)峰值幅度。故OFDM調(diào)制存在一個(gè)很高的峰值因子。而峰均比過(guò)大，將會(huì)增加數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，會(huì)降低射頻功率放大器的效率。會(huì)在OFDM頻段內(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生相互的干擾。

4 OFDM的應(yīng)用

通過(guò)數(shù)字音頻廣播（DAB）標(biāo)準(zhǔn)，正式證明了OFDM標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字音頻上的巨大前景。當(dāng)前國(guó)際上數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)均采用了OFDM技術(shù)，歐洲在對(duì)其研究上已經(jīng)更進(jìn)一步，HDTV傳輸系統(tǒng)已經(jīng)采用編碼OFDM（coded OFDM，COFDM）技術(shù)。與OFDM相比它具有更高的頻譜利用率、提高抗干擾能力，足以滿(mǎn)足當(dāng)下電視系統(tǒng)的傳輸要求。在無(wú)線廣播的傳輸中，它又明顯地改善了移動(dòng)中接收無(wú)線廣播效果差這一問(wèn)題。

OFDM技術(shù)同樣適用于無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸，在寬帶無(wú)線接入（BWA）中得到廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。早在1999年，IEEE802.16工作組專(zhuān)門(mén)就開(kāi)始研究OFDM在BWA方面的應(yīng)用，在2GHz～11GHzBWA的標(biāo)準(zhǔn)下，IEEE802.16a的物理層采用了OFDM技術(shù)。在BWA領(lǐng)域，雖然一些公司開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目都基于OFDM技術(shù)，但特色不一，應(yīng)用也不同。例如，Wi-LAN公司的WOFDM（Wideband OFDM）；LOSPAN 公司的VOFDM（Vector OFDM）、FLARION公司的flash-OFDM Cisco，但他們主要提供低成本寬帶無(wú)線接入技術(shù)，號(hào)召采用基于OFDM的標(biāo)準(zhǔn)作為解決方案。

在不久的將來(lái)，將會(huì)出現(xiàn)5G，我預(yù)計(jì)，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)在性能方面主要有以下要求：高傳輸速率，范圍更廣的覆蓋率，以及要具有不同速率間的自動(dòng)切換能力，以保證通信質(zhì)量，支持互聯(lián)網(wǎng)下的所有信息設(shè)備、智能家用電器等；能提供用戶(hù)定義的個(gè)性化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與固定網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的無(wú)間隙連接。

作者簡(jiǎn)介：常子霆（1996—），男，山西晉城人，沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)生。

王躬碩（1996—），男，山東濟(jì)寧人，沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)生。

銀杉（1995—），男，遼寧開(kāi)原人，沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)生。