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技术介绍－原理、特点、发展、应用现状与前景秦连铭(中国矿业大学（北京）信息工程研究所100083)摘要：OFDM技术是一种多载波调制技术，最初用于军事通信，由于采用DFT实现多载波调制，同时LSI的发展解决了IFFT/FFT的实现问题以及其他关键技术的突破，OFDM开始向诸多领域的实际应用转化，现在成为一种很有发展前途的调制技术。本文首先分析了OFDM的基本原理，并说明其技术优点和缺点，然后提及有关OFDM技术发展方面的一些信息。现在，OFDM在许多领域取得成功应用，这里对有关无线局域网中的OFDM应用现状作了简要说明，对OFDM的应用前景也作了展望。关键词：正交频分复用（OFDM）；原理；特点；发展；应用中图分类号：TN911.3文献标识码：A1．引言正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波数字通信技术，它由多载波调制（MCM）技术发展而来，其显著特点是其利用的各子载波均为相互正交的，而一般的MCM技术可以是更多的子载波划分方法，这种技术在有线通信中通常称为离散多音调制（DMT）。OFDM调制技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用率开辟了一条的新路径，它的应用起源于20世纪50年代中期，首先应用于军事通信系统中，但因其设备结构复杂，限制了进一步发展。20世纪70年代，人们提出了采用离散傅立叶变换(DFT)、快速傅立叶变换(FFT)实现多载波调制，使OFDM的实际应用成为可能。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。20世纪90年代，OFDM开始被欧洲和澳大利亚应用于广播信道的宽带数据通信、数字音频广播（DAB）、高清晰度数字电视（HDTV）和无线局域网（WLAN）等。此外，还由于其具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，也被看作第4代移动通信的核心技术之一。本文简要阐述了正交频分复用技术的基本原理、特点、发展、应用现状及前景，希望对关心通信新技术发展与应用的有关人员能提供有益的帮助。2．OFDM基本原理简介2．1OFDM基础OFDM是一种高速数据传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落等恶劣传输条件的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时，为了减小各个子载波间的相互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利用率。而现代OFDM系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠（如图1所示），但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为解决这个问题，在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展得到的。只要多径时延超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。图1正交频分复用信号的频谱示意图2．2OFDM的算法理论与基本系统结构由上面的原理分析可知，若要实现OFDM，需要利用一组正交的信号作为子载波。我们再以码元周期为T的不归零方波作为基带码型，经调制器调制后送入信道传输。OFDM调制器如图2所示。要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了M个复数序列，此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为T的M路并行码，码型选用不归零方波。用这M路并行码调制M个子载波来实现频分复用。在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调，恢复出原始信号。OFDM解调器如图3所示。图2OFDM调制器图3OFDM解调器下面对OFDM的信号流程作较详细地分析，经过BPSK、QPSK、16QAM、64QAM中的一种数字调制映射得到的串行符号流{dn}，n＝0，1，…，M－1，先取M个符号将其分配到M路子信道中，每个符号调制M个子载波（下面用复指数表示为：exp(jωkt),k=0,1,…M-1）中的一个，然后将调制后得到的信号相加，得到OFDM符号再重复上述过程，发送下M个符号。设一个OFDM符号周期为T，子载波间隔为1/T，子载波频率为fi=f0+i/T,i=0,1,…M-1,fi为第i个子载波的频率，均为1/T的整数倍，则调制后一个OFDM的复基带信号为：()[]tTifjdSMiiT/2exp010+=∑−=π0≤t≤T(1)0(tjdiMiiωexp10∑−==)≤t≤T(2)在接收端，主要由混频器和积分器完成解调，在不考虑同步误差及信道干扰的情况下，因为在载波之间相互正交，在一个符号周期内有：()()1expexp10=∫dttjtjTnTmωω当m=n时()()0expexp10=∫dttjtjTnTmωω当m≠n时则对第k个在载波进行解调，在一个符号周期内进行积分得()()kMiiiTkkddttjdtjTd=−=∑∫−=100'expexp1ωω由此看见解调部分能完全恢复原始信号。然而上述方法所需设备非常复杂，当M很大时，需要大量的正弦波发生器，滤波器，调制器和解调器等设备，因此系统非常昂贵。为了降低OFDM系统的复杂度和成本，通常考虑用离散傅立叶变换（DFT）和反变换（IDFT）来实现上述功能。对（1）中等效复基带信号以T/M的速率进行抽样，即令t=kT/M,(k=0,1,…，M-1),得到：()⎟⎠⎞⎜⎝⎛==∑−=MikjdMkTSSMiikπ2exp/10,0≤k≤M-1(3)看见Sk即是对di进行IDFT运算，容易推得在接收端同样可以用DFT恢复原始的数据信号{dn}，在接收端对接收到的Sk进行DFT变换即得：⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=∑−=MikjSdMkkiπ2exp10,0≤i≤M-1(4)由于DSP技术的发展，在OFDM系统调制解调的实际应用中可以采用快速算法IFFT/FFT实现IDFT/DFT的理论计算，这为OFDM技术的推广创造了极为有利的条件。另外，为消除码间干扰（ISI），在实际OFDM系统中采用插入循环前缀（CP）的方法，即将OFDM符号尾部的一部分复制后放到符号前面，CP使所传输的符号表现出周期性，当CP的持续时间比信号在信道传输延迟时间大时，码间干扰仅仅会干扰OFDM符号体前面的CP从而消除ISI[6]。根据上面所述，OFDM的系统框图如图（4）。输入d(t)数据串并变换并串变换DAC和模拟信号处理加CPIFFT纠错编码数字调制输出d(t)数据去CP串并变换ADC和模拟信号处FFT并串变换解码解调图4用离散傅立叶变换实现OFDM的解调器2.3OFDM技术特点OFDM尽管还是一种频分复用(FDM)，但已完全不同于过去的FDM,OFDM的接收机实际上是通过FFT来实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响。OFDM的数据速率也与子载波的数量有关。OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK,QPSK,8PSK,16QAM,64QAM等，以取得频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。无线多径信道的频率选择性衰落会导致接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比满足要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。OFDM技术使用了自适应调制，可以根据信道条件来选择使用不同的调制方式。比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK(频谱效率1bit/(s.Hz)转换成16～64QAM(频谱效率4～6bit/(s.Hz)，整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的改善。自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必需包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。终端还须定期更新调制信息，这也会增加开销比特。OFDM还采用了功率控制与自适应调制相协调的工作方式。信道条件好的时候，发射功率不变就可以采用高调制方式(如64QAM)，或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。如果在差的信道上使用较高的调制方式，就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和准确的了解，OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏，发送一个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。实现OFDM的关键技术包括：同步技术、降低PAPR（功率峰均值比）技术、信道估计与均衡、信道编码与交织等。限于篇幅，本文在这些方面不作过多介绍。3.OFDM技术的优缺点[1]3.1优点a.OFDM是一种有效的处理多径的方式。b.对于相对慢的时变信道，可以根据每个子载波的SNR相应的选取各子载波及其调制方式、每个符号的比特数以及分配给各子载波的功率，使总比特率最大，以此提高系统的容量。c.OFDM的频谱利用率高，频谱效率比串行系统高出近一倍。d.具有很强的抗窄带干扰和频率选择性衰落能力。e.易于与空时编码、分集、干扰抑制、智能天线等技术相结合，最大限度的提高物理层信息传输的可靠性。3.2存在的缺陷a.OFDM系统对频率偏移和相位噪声很敏感。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅%1的频偏就会使SNR下降30dB。b.OFDM信号的PAPR相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率4．OFDM技术的发展尽管OFDM技术已经是比较成熟，并在一些领域也取得成功的应用，但尚有许多问题须待深入研究以进一步提高其技术性能。多年来，围绕基于DFT（或FFT）的OFDM的关键技术，如同步、信道估计、均衡、功率控制等方面一直在探索更优的方案，这些研究使OFDM技术欲加成熟和完善。另一方面，由于DFT－OFDM在具体实现过程中采用插入CP（循环前缀）来消除ISI（码间干扰），所以进一步提高频谱利用率仍有较大余地，另外，为降低插入CP带来的频谱损失，通常采用较长的DFT变换块，但是，如此将会造成系统对载频误差及Doppler频移非常敏感，引起系统性能下降，同时对信道估计带来难度。针对这一点，有人提出基于小波/小波包的正交多载波调制技术，作为对基于DFT的多载波调制技术OFDM的发展和改进。小波函数/小波包函数具有良好的尺度与平移正交性，因而可将其作为多载波调制的在载波，这种多载波调制方案被称为基于小波/小波包的正交多载波调制。理论分析和仿真表明，小波/小波包调制技术具有与其他调制技术相同或更好的性能参数，同时具有更好的抗干扰性能。小波/小波包调制与多址技术结合，如基于小波包变换的多载波码分多址系统（WPDM－CDMA）,更贴近于现代无线多址通信系统的实际应用，从而进一步表明小波/小波包调制技术的可行性与先进性，具有广阔的发展前景。同时作为一个充满希望与潜力的新研究领域关于小波/小波包调制技术有许多问题尚待进一步研究[2]。5.OFDM技术的应用现状与前景20世纪60年代OFDM的多路数据传输已被成功地用于高频军事通信系统。过去10多年，OFDM技术被广泛应用于1.6Mb/s高比特率数字用(