OFDM技術(shù)和CE-OFDM技術(shù)的研究

姜皓月 劉雨佳

摘要：無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，給人類生活帶來了極其深遠的影響。OFDM技術(shù)是第四代移動通信的核心技術(shù)之一，本文介紹了OFDM技術(shù)和CE-OFDM技術(shù)的工作原理，并對其優(yōu)缺點進行了對比和分析。

關(guān)鍵詞：OFDM;CE-OFDM;4G

中圖分類號：TN957.51 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0013-02

隨著通信服務(wù)種類的不斷增加和數(shù)據(jù)傳輸速度的需求不斷增加，無線通信技術(shù)在不斷發(fā)展。在地面無線通信系統(tǒng)中，通信形式從2G時代的時分多址（TDMA）到3G時代的碼分多址（CDMA）再到4G時代的正交頻分多址（OFDMA），現(xiàn)在正向5G時代不斷發(fā)展。OFDM技術(shù)作為第四代移動通信的核心技術(shù)，具有非常廣闊的發(fā)展前景，也在不斷地發(fā)展和演變。本文將介紹OFDM技術(shù)和CE-OFDM技術(shù)的工作原理及其優(yōu)缺點的對比。

1 OFDM

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），簡稱OFDM，是多載波調(diào)制的一種。首先將一串速率較高的比特流經(jīng)過符號映射模塊（QPSK）根據(jù)所采用不同的調(diào)制方式將其映射為一串數(shù)據(jù)符號。然后經(jīng)過IFFT模塊將數(shù)據(jù)符號調(diào)制到若干并行的正交子載波上，再由若干正交子信道進行分別傳輸，各子信道數(shù)據(jù)流速率較低。通過在接收端采用一定技術(shù)可以將正交信號分開，可以有效降低符號間串擾（ISI）。

實現(xiàn)OFDM的過程如圖1所示，假設(shè)表示第個符號中第個子載波上的基帶調(diào)制復(fù)數(shù)符號，則第個OFDM符號可以表示為：

（1）

（2）

其中，是子載波個數(shù)，是OFDM的符號周期。所以就是一組在時間上的延遲，在頻域上位移的多個版本。

OFDM中采用的脈沖成型濾波器就是矩形脈沖，定義如下：

（3）

OFDM中的脈沖成型濾波器滿足如下正交條件：

（4）

為了解決衰落信道帶來的多徑效應(yīng)，OFDM需要在每個符號前插入CP，而且CP長度應(yīng)該大于信道的最大時延。在OFDM的接收端，去掉CP之后的第個接收信號可以表示為：

（5）

其中代表循環(huán)卷積運算，表示第時刻上的信道沖激響應(yīng)，為第時刻的加性高斯白噪聲（AWGN）。通過解調(diào)可以得到：

（6）

其中和分別是信道沖激響應(yīng)和加性高斯白噪聲在頻點的頻域表達形式。接收端只需要對解調(diào)信號使用簡單的單抽頭頻域均衡，也就是對解調(diào)信號乘就可以恢復(fù)出只含有AWGN的解調(diào)信號。

各子載波間存在正交關(guān)系，不同子載波在頻域上的頻譜由互相重疊的部分，但在任意子載波的中心頻率上受其他子載波的干擾為零。因此經(jīng)時頻同步、信道均衡模塊對載波頻偏等非理想因素進行估計和補償后，OFDM系統(tǒng)在接收端做FFT后得到的各子載波仍保持良好的正交性，易于分離各子信號。由于子載波間的重疊，OFDM系統(tǒng)比常規(guī)FDM系統(tǒng)節(jié)省近一半的帶寬。

在實際傳輸中往往會存在多徑效應(yīng)，各路信號時延不同，不同路徑信號疊加會造成碼間串擾（ISI）和子載波間干擾（ICI）。若要徹底消除碼間串擾，需要在相鄰符號之間加上保護間隔，且保護間隔應(yīng)大于最大時延擴展時間。但增加保護間隔無法消除ICI的干擾，因此要引入循環(huán)前綴（CP）。由于多徑信道的影響，接收機接收到各路子載波的時間存在偏差，導致在FFT積分時間長度內(nèi)子載波之間不再相差整數(shù)個周期，破壞了子載波間的正交性。將符號尾部與保護間隔時間相同的信號搬移到信號前方，使各路子載波在一次FFT積分長度內(nèi)各子載波之間總相差一個周期，避免了信號間的干擾。

綜上所述，OFDM具有頻譜利用率高、實現(xiàn)復(fù)雜度低、抗衰落性能好等優(yōu)點，但是OFDM系統(tǒng)對頻偏和相位噪聲敏感，由于各子載波相位相似，疊加信號受相同初始相位信號調(diào)制，產(chǎn)生較大的峰均比（PAPR）。OFDM系統(tǒng)的PAPR隨子載波個數(shù)的增多而增大，降低了系統(tǒng)能量利用率。

2 CE-OFDM

由于OFDM信號具有較大的PAPR，OFDM系統(tǒng)對功率放大器等設(shè)備的要求較高。CE-OFDM技術(shù)將OFDM技術(shù)與恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)結(jié)合起來，對OFDM信號進行恒包絡(luò)調(diào)制，使得二次調(diào)制后的信號PAPR為0dB，徹底解決了OFDM系統(tǒng)的峰均比問題。

CE-OFDM技術(shù)通過相位調(diào)制和解調(diào)實現(xiàn)恒包絡(luò)，將信號信息調(diào)制于相位之中。傳統(tǒng)的OFDM技術(shù)采用幅度調(diào)制，難以避免產(chǎn)生信號峰值疊加，導致高PAPR。而CE-OFDM是對已調(diào)幅信號進行調(diào)相，得到恒包絡(luò)信號。CE-OFDM信號變換過程如圖2所示。

CE-OFDM信號處理框圖如圖3所示，圖中陰影模塊表示CE-OFDM比傳統(tǒng)OFDM增加的模塊。

CE-OFDM的具有明顯的優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)OFDM技術(shù)對峰均比敏感的問題，通過恒包絡(luò)調(diào)制將系統(tǒng)的PAPR降至0dB。但是，CE-OFDM輸入的OFDM信號應(yīng)為實數(shù)信號，因此，為了構(gòu)成共軛對稱結(jié)構(gòu)，一半的子載波承載了冗余信號，使得CE-OFDM的頻譜效率大大降低，僅為OFDM的50%。

3 結(jié)語

OFDM技術(shù)作為第四代移動通信的核心技術(shù)，具有眾多優(yōu)點，但是其易產(chǎn)生較大峰均比。CE-OFDM技術(shù)正是針對該問題做出的改進，解決了傳統(tǒng)OFDM技術(shù)對峰均比敏感的問題，提高了系統(tǒng)能量利用率。

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Research on OFDM Technology and CE-OFDM Technology

JIANG Hao-yue，LIU Yu-jia

（Shandong University of? Science and Technology， Jinan? Shandong? 250031）

Abstract：The continuous development of wireless communication technology has brought about a profound impact on human life. OFDM technology is one of the core technologies of the fourth generation of mobile communication. This article introduces the working principles of OFDM technology and CE-OFDM technology， and compares and analyzes their advantages and disadvantages.

Key words：OFDM; CE-OFDM; 4G