摘要：與傳統(tǒng)單載波技術(shù)相比，正交頻分復(fù)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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M(fèi)odem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(fù)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(gè)子載波上同時(shí)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(hù)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(shí)域中相互正交，頻域相互重疊，不同子載波間不再需要保護(hù)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(jìn)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(jìn)行傳輸。如果有N個(gè)子信道，OFDM符號的寬度為T，dii=0，1，N-1）為分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號，fi為第i個(gè)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(gè)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(gè)周期，而且相鄰子載波之間相差1個(gè)周期，從而保證了子載波之間的正交性。

　　在接收端對第j個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，

　　由式中可以看出，對第j個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)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(gè)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(gè)相互正交的子載波，而且輸出信號是多個(gè)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(diǎn)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(gè)子載波符號相加而成的，對于有N個(gè)子信道的OFDM系統(tǒng)來說，如果N路信號的相位相同時(shí)，所得的信號峰值功率為平均功率的N倍。當(dāng)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(shí)，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(fù)雜度和準(zhǔn)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(yù)畸變技術(shù)，編碼技術(shù)和利用加干擾序列對OFDM符號進(jìn)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(yù)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(jìn)行非線性預(yù)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(shí)，編碼效率非常低。

　　2.信道估計(jì)

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

　　信道估計(jì)算法主要有兩類：基于訓(xùn)練序列的估計(jì)算法和盲估計(jì)算法。其中，基于訓(xùn)練序列的估計(jì)算法就是利用發(fā)送端和接收端都已知的序列進(jìn)行信道估計(jì)，由于OFDM系統(tǒng)的時(shí)頻二重性，既可以在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行估計(jì)，也可以在頻域內(nèi)進(jìn)行估計(jì)。該方法容易實(shí)現(xiàn)，算法簡單，得到廣泛應(yīng)用。為了盡量獲得精確估計(jì)值而又不浪費(fèi)資源，訓(xùn)練序列間隔的設(shè)置原則為：時(shí)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(shí)延。

　　盲估計(jì)利用接收數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息來實(shí)現(xiàn)，不需要訓(xùn)練序列，所以節(jié)約了帶寬，但是該方法運(yùn)算量大，不容易實(shí)現(xiàn)，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。但由于其相對于基于訓(xùn)練序列的估計(jì)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(gè)子載波上并行傳輸，多個(gè)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?yàn)楦鱾€(gè)子載波具有正交性，當(dāng)由于無線信道的時(shí)變性等原因引起頻率偏差時(shí)，這種正交性受到破壞，就會導(dǎo)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(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)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(diǎn)仍然在頂點(diǎn)，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(cuò)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(jì)和補(bǔ)償過程一般分為粗同步（捕獲）和細(xì)同步（跟蹤），即首先在時(shí)域內(nèi)估計(jì)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(jì)。

　　三、OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

　　（1）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(shí)分開至少1000個(gè)數(shù)字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運(yùn)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(jìn)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(yùn)商以及手機(jī)生產(chǎn)商的喜愛和歡迎。

　　（2）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(shí)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(jìn)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(gè)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(jìn)行成功通信。

　　（3）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)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)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(cuò)碼來進(jìn)行糾錯(cuò)。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。

　　（4）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(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。

　　（5）OFDM技術(shù)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。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(yán)重，就沒有必要再加時(shí)域均衡器。通過將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，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(shí)現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)的運(yùn)行速度，主要取決于硬件電路的運(yùn)行速度，同時(shí)也簡化了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。

　　（7）OFDM技術(shù)的信道利用率很高，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。

　　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(gè)子信道的方法是利用各個(gè)子載波之間嚴(yán)格的正交性。頻偏和相位噪聲會使各個(gè)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。

　　（2）功率峰值與均值比（PAPR）大，導(dǎo)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(gè)獨(dú)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(gè)子信道的OFDM系統(tǒng)來說，當(dāng)N個(gè)子信道都以相同的相位求和時(shí)，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。當(dāng)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(dá)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(dǎo)致射頻信號放大器的功率效率降低。

　　（3）負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會增加系統(tǒng)復(fù)雜度。負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的使用會增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度，并且當(dāng)終端移動速度高于30km每小時(shí)時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)是第一個(gè)正式使用OFDM的標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)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(shí)現(xiàn)大面積覆蓋必須使用多個(gè)發(fā)射機(jī)，這些發(fā)射機(jī)不能工作在同一頻率。而OFDM具有很強(qiáng)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(jì)劃，中國的Future計(jì)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(gè)提出MIMOOFDM系統(tǒng)的是D.Agrawal等，后來BenLu等也作出了進(jìn)一步的研究。目前，國內(nèi)外一些學(xué)者也都在對其進(jìn)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(jì)的一個(gè)最大挑戰(zhàn)就是要克服無線信道帶來的嚴(yán)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(shí)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。