移動(dòng)通信系統(tǒng)中OFDM技術(shù)的分析及其應(yīng)用

　　1、OFDM技術(shù)概述及其發(fā)展史

　　被稱之為“第四代移動(dòng)通信技術(shù)”，其核心技術(shù)為OFDM。正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。主要是在頻域內(nèi)將所給信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，且各個(gè)子載波并行傳輸。OFDM特別適合于存在多徑傳播和多普勒頻移的無線移動(dòng)信道中傳輸高速數(shù)據(jù)。能有效對抗多徑效應(yīng)，消除ISI，對抗頻率選擇性衰落，信道利用率高。OFDM可視為一種調(diào)變技術(shù)及一種多任務(wù)技術(shù)，為多載波（Multicar-rier）的傳送方式。

　　OFDM由多載波調(diào)制（MCM）發(fā)展而來。美國軍方早在上世紀(jì)的50-60年代就創(chuàng)建了世界上第一個(gè)MCM系統(tǒng)，在1970年衍生出采用大規(guī)模子載波和頻率重疊技術(shù)的OFDM系統(tǒng)。但在以后相當(dāng)長的一段時(shí)間，OFDM邁向?qū)嵺`的腳步放緩。由于OFDM的各個(gè)子載波之間相互正交，采用FFT實(shí)現(xiàn)這種調(diào)制，但在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)時(shí)傅立葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素制約了OFDM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過大量研究，在20世紀(jì)80年代，MCM獲得了突破性進(jìn)展，大規(guī)模集成電路促進(jìn)了FFT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，OFDM逐步進(jìn)入高速M(fèi)odem和數(shù)字移動(dòng)通信的領(lǐng)域。90年代，OFDM開始被歐洲和澳大利亞廣泛用于廣播信道的寬帶數(shù)據(jù)通信，數(shù)字音頻廣播（DAB）、高清晰度數(shù)字電視（HDTV）和無線局域網(wǎng)（WLAN）。隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，格柵編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)等成熟技術(shù)的應(yīng)用，OFMD技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和完善指日可待。

　　2、OFDM技術(shù)的基本原理

　　OFDM技術(shù)的主要思想是將指配的信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。OFDM單個(gè)用戶的信息流被串/并變換為多個(gè)低速率碼流（100Hz-50kHz），每個(gè)碼流用一條載波發(fā)送。OFDM采用跳頻方式選用即便頻譜混疊也能保持正交的波形，所以O(shè)FDM既有調(diào)制技術(shù)，也有復(fù)用技術(shù)。OFDM增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或干擾會(huì)導(dǎo)致整條鏈路不可用，但在多載波系統(tǒng)中，只會(huì)有一小部分載波受影響。糾錯(cuò)碼的應(yīng)用可以恢復(fù)一些易錯(cuò)載波上的信息。

　　OFDM允許各載波間頻率互相混疊，采用基于載波頻率正交的FFT調(diào)制，由于各個(gè)載波的中心頻點(diǎn)處沒有其他載波的頻譜分量，所以能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)載波的正交。不通過很多帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)，而是直接在基帶處理，這也是OFDM有別于其他系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。OFDM的接收機(jī)實(shí)際上是一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻，在一個(gè)碼元周期內(nèi)積分，其他載波由于與所積分的信號(hào)正交，不會(huì)對這個(gè)積分結(jié)果產(chǎn)生影響。OFDM的高數(shù)據(jù)速率與子載波的數(shù)量有關(guān)，增加子載波數(shù)目能提高數(shù)據(jù)的傳送速率。OFDM每個(gè)頻帶的調(diào)制方法可以不同，增加了系統(tǒng)的靈活性，OFDM適用于多用戶的高靈活度、高利用率的通信系統(tǒng)。

　　3、OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　（1）時(shí)域和頻域同步

　　OFDM系統(tǒng)對定時(shí)和頻率偏移敏感，特別是實(shí)際應(yīng)用中與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結(jié)合使用時(shí)，時(shí)域和頻率同步顯得尤為重要。在下行鏈路中，基站向各個(gè)移動(dòng)終端廣播式發(fā)同步信號(hào)，所以下行鏈路同步較易實(shí)現(xiàn)；上行鏈路中，來自不同移動(dòng)終端的信號(hào)必須同步到達(dá)基站，才能保證子載波間的正交性?；靖鶕?jù)各移動(dòng)終端發(fā)來的子載波攜帶信息進(jìn)行時(shí)域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動(dòng)終端，以便移動(dòng)終端進(jìn)行同步。

　　（2）信道估計(jì)

　　在OFDM系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇，由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷地對信道進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷的傳送；二是信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)應(yīng)既有較低的復(fù)雜度又有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力。

　?。?）信道編碼和交織

　　為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織。實(shí)際應(yīng)用中，通常同時(shí)采用信道編碼和交織來進(jìn)一步改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。

　　在OFDM系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太深，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的，因?yàn)镺FDM系統(tǒng)自身具有利用信道分集特性的能力，但是OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機(jī)會(huì)，形成COFDM方式。

　　（4）降低峰均功率比

　　由于OFDM信號(hào)時(shí)域上表現(xiàn)為N個(gè)正交子載波信號(hào)的疊加，當(dāng)這N個(gè)信號(hào)恰好均以峰值相加時(shí)，OFDM信號(hào)也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但為了不失真地傳輸這些高峰均功率比PAPR（Peak to Average Power Ratio）的OFDM信號(hào)，發(fā)送端對高功率放大器（HPA）的線性度要求很高且發(fā)送效率極低，接收端對前端放大器以及A/D變換器的線性度要求也很高，因此高的PAPR使得OFDM系統(tǒng)的性能大大下降。為了解決這一問題，人們提出了基于信號(hào)畸變技術(shù)、信號(hào)擾碼技術(shù)和基于信號(hào)空間擴(kuò)展等降低OFDM系統(tǒng)PAPR的方法。

　　（5）均衡

　　在一般的衰落環(huán)境下，OFDM系統(tǒng)均衡不是有效改善系統(tǒng)性能的方法。因?yàn)榫獾膶?shí)質(zhì)是補(bǔ)償多徑信道引起的碼間干擾，而OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，因此在一般情況下，OFDM系統(tǒng)不做均衡。但在高度散射的信道中，信道記憶長度很長，CP的長度必須很長才能使ISI盡量不出現(xiàn)，而CP長度過長必然導(dǎo)致能量大量損失，尤其對子載波個(gè)數(shù)不是很大的系統(tǒng)，這時(shí)可以考慮加均衡器以使CP的長度適當(dāng)減小，即通過增加系統(tǒng)的復(fù)雜性換取系統(tǒng)頻帶利用率的提高。

　　4、OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)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(gè)衰落或干擾會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅有很小一部分載波會(huì)受到干擾。對這些子信道可以采用糾錯(cuò)碼來進(jìn)行糾錯(cuò)。（2）可以有效對抗信號(hào)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(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，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。（3）通過各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。如果衰落不是特別嚴(yán)重，則沒有必要再加時(shí)域均衡器。通過將各個(gè)信道聯(lián)合編碼使系統(tǒng)性能得到提高。（4）可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實(shí)現(xiàn)方法。（5）信道利用率很高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。

　　OFDM技術(shù)存在兩個(gè)缺陷：對頻率偏移和相位噪聲很敏感；峰值與均值功率比相對較大，比值的增大會(huì)降低射頻放大器的功率效率。

　　5、結(jié)論

　　OFDM具有其自身的優(yōu)勢和良好的性能，因此在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。歐洲的DAB系統(tǒng)使用的就是OFDM調(diào)制技術(shù)。試驗(yàn)系統(tǒng)已在運(yùn)行，明顯改善了移動(dòng)中接收無線廣播的效果。用于DAB的成套芯片的開發(fā)正在歐洲發(fā)展項(xiàng)目中進(jìn)行，它將使OFDM接收機(jī)的價(jià)格大大降低。市場前景非常看好。

　　OFDM作為一種可以有效對抗信號(hào)波形間干擾的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。人們開始集中越來越多的精力開發(fā)OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，第三代以后的移動(dòng)通信的主流技術(shù)將是OFDM。