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浅谈OFDM技术发展摘要：随着人们对无线通信需求的进一步增加，OFDM已应用于第4代移动通信中。本文主要介绍了OFDM技术的基本原理以及OFDM技术的优点和不足，然后阐述了OFDM在移动通信方面的发展及应用。关键字：正交频分复用；移动通信；调制技术；信道IntroductiontoOFDMtechnologydevelopmentAbstract:Nowadays，withthefurtherdemandforwirelesscommunication,OFDMhasbeenappliedtothefourthgenerationmobilecommunication.ThispapermainlyintroducesthebasicprincipleofOFDMtechnologyandOFDMtechnologyadvantagesanddisadvantages.AndthenthedevelopmentandapplicationofOFDMwasexpoundedinmobilecommunication.Keywords:OFDM;mobilecommunication;modulationtechnique;channel1引言随着通信技术的逐步发展成熟，OFDM技术作为一种重要的多载波调制技术应运而生。OFDM（正交频分复用）是一种无线环境下的高速传输技术，适合在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据。它能有效对抗多径效应，消除符号间干扰，对抗频率选择性衰落，而且信道利用率高。OFDM技术先后被欧洲数字音频广播（DAB）、欧洲数字视频广播（DVB）、IEEE802.11无线局域网等系统采用。频谱效率以及功率效率是贯穿整个移动通信发展历史的两个重要指标，但这高频谱利用率必然导致较低的功率效率，高功率效率必然导致低频谱效率[2]。因此，寻找两个指标的平衡点就是整个移动通信技术的发展的关键。上世纪50年代末就已提出的正交频分复用技术，具有频谱利用率高均衡实现简单和抗多径干扰能力强等优点，能够实现高速率、高质量、高效率的数据传输已越来越受到业界的广泛关注。2OFDM技术的基本原理OFDM技术的基本思想是将高速数据流分解成多个低速数据流，使各个低速数据流在不同的子载波上并行传输，并同时使各载波间正交，减少由于ISI所带来的性能损失。OFDM传输系统的基本原理框图如图1所示。图1OFDM传输系统的基本原理图假设存在一个调制信号，设其带宽为B，其码元的调制速率为R，周期为ts，信道的最大延迟扩展为tm，且tmts。OFDM技术按照一定规律将原来的信号分割为N个子信道，则此时的码元速率变为R/N，周期Ts=Nts，此时OFDM技术使用分割后的信号对其相对应正交的子载波进行调制，从而得到最终的谱频在进行信号接收时，受多径环境下码元串扰的影响，子载波的正交状态一般稳定性较差，容易受外界干扰，而OFDM技术则实现了发送前的码元保护，从而有效地消除了干扰影响，保证了传输效率和质量。1971年，Weinstein和Ebert首先提出了用离散快速傅立叶变换FFT和逆快速傅立叶变换IFFT来等效实现多个调制解调器功能的思想，极大地简化了OFDM系统结构。目前，数字OFDM的传输系统模型如图2所示。图2数字OFDM的传输系统在数字OFDM系统模型中，引人循环前缀(CP，CyiclcrPeifx)作为保护间隔，可以最大限度地消除符号间干扰151。同时，由于保持了各信道间的正交性，它又大大减少了由于多径带来的信道间干ICI。3OFDM技术的主要优缺点3.1OFDM技术的主要优点基于上述原理，OFDM有以下特点[1,6]：1)具有较强的抗ISI能力实现了多径环境以及衰弱信道下的数据传输OFDM技术利用其独有特性，可以按照其实际需求将高速串行的数据分割为若干子信道，在降低码元速率，保障其高速稳定运行的同时，也相应地延长了其周期，有地提高了通信质量另外，OFDM具有较强的抗ISI能力，极大地减少了传输符号周期过长带来的多径扩展影响，实现了多径环境以及衰弱信道下的数据传输。2)抗信道衰弱能力强在计算时，由于OFDM系统的码元周期往往大于信道衰弱周期，这就使得衰弱常发生在某个子载波上，造成提早衰弱，影响整个通信过程此时，可以采取联合编码的方式恢复正常信号传输，而OFDM以其良好的均衡特性实现了谱频的良好均衡，它通过其特有的均衡器结构实现了谱频均衡，大大简化了接受的复杂性。3)计算能力强由于DFOM的计算能力较强，且拥有高效便捷的计算方法，提高了计算效率。当子载波数量较多时，DFOM可以采用FFT算法减少计算程序，降低计算的复杂性和难度，提高了其实用性，扩大了其适用范围。4)信道利用率高通常情况下在OFDM系统中的各个子载波呈正交关系当码元的主要组成为矩形脉冲时，其各子载波的频谱皆呈现sinx/x型，码元的峰值与其他各个子载波的零点相重合，在此情况下各频谱相互重叠最终形成一个矩形，具有很高的利用率。这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。（baud即波特；1Baud=log2M(bit/s)，其中M是信号的编码级数）。3.2OFDM技术的主要不足虽然OFDM有上述优点，但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势，主要表现在：1)存在较高的功率峰值与均值比(PAPR)OFDM信号由多个不同的调制符号独立调制的正交子载波信号组成，传输的数据序列决定它们的相位。这些子载波信号可能同相，幅度上相加在一起，产生很高的峰值幅度，导致出现较大的PAPR，即对发射机内放大器的线性范围提出了很高的要求。而峰均比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。2)对相位噪声和载波频偏十分敏感这是OFDM技术一个致命的缺点，对于OFDM系统，若射频收发载频不一致或多普勒频移影响使发射机和接收机的频率偏移比较大，各个子载波之间的正交性将会下降，从而引起ICI[11]。同样，相位噪声也会导致频率扩散，形成ICI，使系统性能大大下降。3)所需线性范围宽由于OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。4OFDM技术的应用随着通信技术的发展，以及OFDM技术的频谱利用率高、抗多径衰落等优势，各大无线通信联盟均把OFDM技术作为新一代无线通信技术的核心。而与OFDM相结合的技术已经成为近年来研究的热点。应用OFDM技术的关键系统技术有：OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统。其中主要的应用包括：非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。4.1应用于移动通信而其中4G的关键技术就是OFDM技术。移动通信系统在性能方面主要有以下要求：用户速率在准静止(低速移动和固定)情况下达20Mbit/s，在高速移动情况下达2Mbit/s；量要达到第三代系统的5-10倍，传输质量相当于甚至优于第三代系统；条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统；具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量；网络的每比特成本要比第三代低。在功能方面主要有以下要求：支持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等；实现与固定网或专用网的无缝化连接；能通过中间件支持和开通多种多样的IP业务；能提供用户定义的个性化服务；按服务级别收费。OFDM技术的主要思想是：将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。4.2高清数字电视广播OFDM在数字广播电视系统中取得了广泛的应用，其中数字音频广播（DAB）标准是第一个正式使用OFDM的标准。另外，当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中就包括OFDM技术，欧洲HDTV传输系统已经采用COFDM（codedOFDM：编码OFDM）技术。它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。选择OFDM作为数字音频广播和数字视频广播（DVB）的主要原因在于：OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。4.3无线局域网HiperLAN/2物理层应用了OFDM和链路自适应技术，媒体接入控制（MAC）层采用面向连接、集中资源控制的TDMA/TDD方式和无线ATM技术，最高速率达54Mbps，实际应用最低也能保持在20Mbps左右。另外，IEEE802.11无线局域网工作于ISM免许可证频段，分别在5.8GHz和2.4GHz两个频段定义了采用OFDM技术的IEEE802.11a和IEEE802.11g标准，其最高数据传输速率提高到54Mbps。技术的不断发展，引发了融合。一些4G及3.5G的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线局域网中，以提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里（并且能够保障100Mbps的传输速率）。5OFDM技术的发展及展望OFDM的众多优点，使得其在高速数据传输领域成为一个研究热点。OFDM技术发展过程可分为极低频谱效率的FDM技术阶段，最早的、高频谱效率的多载波通信系统阶段，多载波理论发展阶段，OFDM无线移动通信系统理论形成阶段，从理论到实用阶段。近十年来，OFDM技术在满足需求的同时，找到频谱效率及功率效率的平衡点。伴随着大规模集成电路技术高速发展，OFDM技术得到了更加广泛的应用。OFDM技术在20世纪60年代中期被首次提出，但在之后相当长的一段时间，OFDM技术一直没有形成大规模的应用。当时OFDM技术的发展遇到了很多似乎难于解决的问题。首先，OFDM要求各个子载波之间相互正交，尽管理论上发现采用快速傅立叶变换（FFT）可以很好地实现这种调制方式，但实际上，如此复杂的实时傅立叶变换设备在当时是根本无法完成的[4]。此外，发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素也都是OFDM技术实现的制约条件。20世纪80年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了FFT的实现问题，随着DSP芯片技术的发展，格栅编码（TrellisCode）技术、软判决技术（SoftDecision）、信道自适应技术等的应用，OFDM技术开始从理论向实际应用转化[4]。OFDM技术凭借其固有的对时延扩展较强的抵抗力和较高的频谱效率两大优势迅速成为研究的焦点并被多个国际规范采用，如欧洲的数字音频广播、数字视频广播和IEEE的无线局域网标准802.11a。现今OFDM已应用于第4代移动通信中，在三星所研发的第5代移动通信中也有使用。OFDM与多种多址技术相结合，通过合理设定不同的OFDM参数来适应不同的应用环境和业务类型。OFDM与MIMO技术的结合，不但可以极大改善系统性能，提高系统容量，还能够降低系统误码率，有效的对抗多径效应，在实现信道有效性的同时也保证了系统的可靠性。未来的无线通信将面临多种无线接入技术共存的局面，无论是已经发展趋于成熟的宽带无线接入技术WiFi、WiMAX，广播技术DAB、DVB，还是蜂窝移动通信技术LTE、UMB，物理层都采用了OFDM作为调制技术。这在技术方面更有利于多种网络的无线融合，以便提供更广泛的业务。而随着人们对无线通信需求的进一步增加，OFDM还将继续作为核心技术。参考文献：[1]孙华.OFDM技术的发展研究[J].价值工程,2014,32:57-58.[2]胡心怡,方睿,李日欣,等.OFDM技术发展综述[J].通信技术,2010,43(8).[3]张洋祥.第四代移动通信技术研究[C]/