OFDM技術(shù)及其性能分析

摘要　隨著越來越多的無線設(shè)備走進(jìn)人們的生活，大量的多媒體業(yè)務(wù)也隨之出現(xiàn)了，由于傳送多媒體業(yè)務(wù)需要一定的帶寬的保證，傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬在擴(kuò)展多媒體業(yè)務(wù)方面也顯出了一定的不足。OFDM調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)，從一定程度上解決了用戶對帶寬的要求。而且OFDM調(diào)制技術(shù)也是針對無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，能夠更加充分地利用現(xiàn)有的帶寬，而且能夠很好地對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在4G的標(biāo)準(zhǔn)中將會被作為底層的調(diào)制技術(shù)以提供更高的傳輸質(zhì)量。

1、OFDM簡介

在傳統(tǒng)的多載波通信系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)頻帶被劃分為若干個互相分離的子信道，也就是所謂的載波。為了避免信道之間的干擾，在信道之間通常有一定寬度的保護(hù)間隔，接收端通過濾波器把各個子信道分離之后接收所需信息。這樣雖然可以避免不同信道的互相干擾，但卻以犧牲頻率利用率為代價。而且當(dāng)子信道數(shù)量很大的時候，大量分離各子信道信號的濾波器的設(shè)置就成了幾乎不可能的事情。

20世紀(jì)中期，人們提出了頻帶混疊的多載波通信方案，選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，也就是我們所說的正交頻分復(fù)用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）技術(shù)。這種“正交”表示的是載波頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系。按照這種設(shè)想，OFDM既能充分利用信道帶寬，也可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯。

目前，OFDM已經(jīng)被國外的多個標(biāo)準(zhǔn)采用，如IEEE802.11a和ETSI（歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會）的HiperL-AN/2標(biāo)準(zhǔn)同樣采用OFDM作為調(diào)制方式，有線傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用也同樣采用了基于OFDM的調(diào)制復(fù)用技術(shù)，如在xDSL中的離散多音頻系統(tǒng)和有線調(diào)制器應(yīng)用。

OFDM是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，用戶的信息首先要經(jīng)過串行到并行的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成多個低速率的數(shù)據(jù)碼流，通過編碼之后，調(diào)制為射頻信號，傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)在同一個時刻只能用一種頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，而OFDM則可以在正交的頻率上同時發(fā)送多路信號，可以說是并行的傳送多路信號，這樣OFDM能夠充分地利用信道的帶寬。OFDM不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速傅立葉變換（FFT）來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。

OFDM盡管還是一種頻分復(fù)用（FDM），但已完全不同于過去的FDM。OFDM的接收機(jī)實(shí)際上是通過FFT實(shí)現(xiàn)的一組解調(diào)器。它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期內(nèi)積分，其他載波信號由于與所積分的信號正交，因此不會對信息的提取產(chǎn)生影響。OFDM的數(shù)據(jù)傳輸速率也與子載波的數(shù)量有關(guān)。

OFDM系統(tǒng)的子載波可以自適應(yīng)地根據(jù)信道的情況選擇調(diào)制方式，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在各種調(diào)制方式之間的切換。選擇和切換的原則是頻譜利用率和誤碼率之間的平衡選擇。在通常的通信系統(tǒng)中，為了保持一定的可靠性，選擇通過采用功率控制和自適應(yīng)調(diào)制協(xié)調(diào)工作的技術(shù)。信道好的時候，發(fā)射功率不變，可以增強(qiáng)調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制（如QPSK）時降低發(fā)射功率。功率控制與自適應(yīng)調(diào)制要取得平衡，也就是說對于一個遠(yuǎn)端發(fā)射臺，它有良好的信道，若發(fā)送功率保持不變，可使用較高的調(diào)制方案如64QAM；若功率可以減小，調(diào)制方案也相應(yīng)降低，可使用QPSK。

2、OFDM信號發(fā)送和接收原理

OFDM系統(tǒng)的基本原理就是將指配的信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬。

OFDM信號的發(fā)送過程需要經(jīng)過下面幾個步驟：

（1）編碼：在基于OFDM調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)中，編碼采用Reed-Solomon碼、卷積糾錯碼、維特比碼或TURBO碼。

（2）交織：交織器用于降低在數(shù)據(jù)信道中的突發(fā)錯誤，交織后的數(shù)據(jù)通過一個串并行轉(zhuǎn)換器，將IQ映射到一個相應(yīng)的星座圖上。在這里I代表同相信號，Q代表正交信號。

（3）數(shù)字調(diào)制：在OFDM方式中，采用星座圖將符號映射到相應(yīng)的星座點(diǎn)上。這一過程產(chǎn)生IQ值，它們被過濾并送到IFFT上進(jìn)行變換。

（4）插入導(dǎo)頻：為了能夠使接收穩(wěn)定，在每48個子載波中插入4個導(dǎo)頻信息。

（5）串并轉(zhuǎn)換：使串行輸入的信號以并行的方式輸出到M條線路上。這M條線路上的任何一條上的數(shù)據(jù)傳輸速率則為R/M碼字/秒。

（6）快速傅立葉逆變換：快速傅立葉逆變換可以把頻域離散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時域離散的數(shù)據(jù)。由此，用戶的原始輸入數(shù)據(jù)就被OFDM按照頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。

（7）并串轉(zhuǎn)換：用于將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。

（8）插入循環(huán)前綴并加窗：循環(huán)前綴為單個的OFDM符號創(chuàng)建一個保護(hù)帶，在信噪比邊緣損耗中被丟掉，以極大地減少符號間干擾。

接收器完成與發(fā)送器相反的操作。接收器收到的信號是時域信號。由于無線信道的影響發(fā)生了一定的變化，首先要通過訓(xùn)練序列定時和頻率偏移進(jìn)行估計(jì)，同時將符號的定時信息傳送到去循環(huán)前綴功能模塊，在這里訓(xùn)練序列和導(dǎo)頻信息主要是用來信道糾錯。然后將信號經(jīng)過一個串行一并行的轉(zhuǎn)換器，并且把循環(huán)前綴清除掉。清除循環(huán)前綴并沒有刪掉任何信息，循環(huán)前綴中的信息是冗余的，使用循環(huán)前綴是為了保證前面提到的卷積特性的成立�？傮w來說整個接收過程需要經(jīng)過下面幾個步驟：

①定時和頻率同步，②去循環(huán)前綴，③串并轉(zhuǎn)換，④快速傅里葉變換，⑤并串轉(zhuǎn)換，⑥信道校正，⑦數(shù)字解調(diào)，⑧去交織，⑨解調(diào)。

3、OFDM的關(guān)鍵技術(shù)

3.1同步技術(shù)

在OFDM系統(tǒng)中，N個符號的并行傳輸會使符號的延續(xù)時間更長，因此它對時間的偏差不敏感。對于無線通信來說，無線信道存在時變性，在傳輸中存在的頻率偏移會使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的損害。

由于發(fā)送端和接受端之間的采樣時鐘有偏差，每個信號樣本都一定程度地偏離它正確的采樣時間，此偏差隨樣本數(shù)量的增加而線性增大，盡管時間偏差破壞子載波之間的正交性，但是通常情況下可以忽略不計(jì)。當(dāng)采樣錯誤可以被校正時，就可以用內(nèi)插濾波器來控制正確的時間進(jìn)行采樣。

相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機(jī)相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響，其次也會引入一定量的信道間干擾（ICI），因?yàn)橄辔徽`差導(dǎo)致子載波的間隔不再是精確的1/T了。

載波頻率的偏移會使子信道之間產(chǎn)生干擾。OFDM系統(tǒng)的輸出信號是多個相互覆蓋的子信道的疊加，它們之間的正交性有嚴(yán)格的要求。無線信道時變性的一種具體體現(xiàn)就是多普勒頻移，多普勒頻移與載波頻率以及移動臺的移動速度都成正比。多普勒展寬會導(dǎo)致頻率發(fā)生彌散，引起信號發(fā)生畸變。從頻域上看，信號失真會隨發(fā)送信道的多普勒擴(kuò)展的增加而加劇。因此對于要求子載波嚴(yán)格同步的OFDM系統(tǒng)來說，載波的頻率偏移所帶來的影響會更加嚴(yán)重，如果不采取措施對這種信道間干擾（ICI）加以克服，系統(tǒng)的性能很難得到改善。

OFDM中的同步通常包括3方面的內(nèi)容：

①幀檢測，②載波頻率偏差及校正，③采樣偏差及校正。

由于同步是OFDM技術(shù)中的一個難點(diǎn)，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是針對循環(huán)擴(kuò)展和特殊的訓(xùn)練序列以及導(dǎo)頻信號來進(jìn)行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計(jì)算法，其中ESPRIT算法雖然估計(jì)精度高，但計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大，而ML算法利用OFDM信號的循環(huán)前綴，可以有效地對OFDM信號進(jìn)行頻偏和時偏的聯(lián)合估計(jì)，而且與ESPRIT算法相比，其計(jì)算量要小得多。對OFDM技術(shù)的同步算法研究得比較多，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)和研究，利用各種算法融合進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)才是可行的。OFDM系統(tǒng)對定時頻偏的要求是小于OFDM符號間隔的4%，對頻率偏移的要求大約要小于子載波間隔的1%～2%，系統(tǒng)產(chǎn)生的3dB相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的0.01%～0.1%。

3.2功率峰值與均值比（PARP）的解決

OFDM包絡(luò)的不恒定性可以用PAPR來表示。PAPR（PeaktoAveragePower Ratio）是峰值功率與平均功率之比。PAPR越大，系統(tǒng)的包絡(luò)的不恒定性越大。因此要改善系統(tǒng)性能，就是要設(shè)法減小PAPR。

由于OFDM信號為多個正弦波的疊加，當(dāng)子載波個數(shù)多到一定程度時，由中心極限定理，OFDM符號波形將是一個高斯隨機(jī)過程，其包絡(luò)是不恒定的。這種現(xiàn)象在非線性限帶信道中是不希望出現(xiàn)的，經(jīng)非線性放大器后，包絡(luò)中的起伏雖然可以減弱或消除，但與此同時卻使信號頻譜擴(kuò)展，其旁瓣將會干擾臨近頻道的信號。這在OFDM系統(tǒng)中將引起相鄰信道之間的干擾，破壞其正交性。一般而言，發(fā)射機(jī)中的高頻放大器HPA具有很強(qiáng)的非線性特征。為了不使頻譜擴(kuò)展得太厲害，HPA必須工作在有很大回退量（Backoff）的狀態(tài)，這樣會浪費(fèi)很大功率。因此如果沒有改善OFDM對非線性的敏感性的措施，OFDM技術(shù)將不能用于使用電池的傳輸系統(tǒng)，如手機(jī)等移動設(shè)備。一般通過以下幾種技術(shù)解決。

（1）限幅（Clipping）技術(shù)：是一種簡單而有效的降低PAPR的方法，但是它可以導(dǎo)致帶內(nèi)信號的失真和帶外頻譜彌散，從而使誤碼率性能惡化。高速率編碼是一種對信碼進(jìn)行的簡單編碼，它可以從統(tǒng)計(jì)特性上降低大的PAPR出現(xiàn)的概率。

（2）編碼技術(shù)：分組編碼的方法既可以絕對地降低PAPR，也具有一定的糾錯能力。OFDM信號的復(fù)包絡(luò)依賴于發(fā)送數(shù)據(jù)信號序列的非周期自相關(guān)函數(shù)旁瓣。如果旁瓣小，則信號的起伏就小，即PAPR小，就可以得到準(zhǔn)恒定（Quasi-Constant）幅度信號。因此，需要尋找自相關(guān)函數(shù)旁瓣小的發(fā)送信號序列。Golay二進(jìn)制序列（即Complementary）就是一種旁瓣小的序列。即使是它擴(kuò)展到多相位序列，也仍然滿足旁瓣小的特性�？梢宰C明，Golay序列的PAPR不超過3dB�；�于互余序列的分組碼的基木思想就是避免使用PAPR高的碼子。通過采用基于互余序列的分組碼，在PAPR的控制在3-6dB情況下，系統(tǒng)可以得到很大的編碼增益，并改善了error-floor性能。

（3）擾碼技術(shù)：采用擾碼技術(shù)，使生成的OFDM的互相關(guān)性盡量為0，從而使OFDM的PAPR減少。這里的擾碼技術(shù)可以對生成的OFDM信號的相位進(jìn)行重置，典型的有PTS和SLM。

3.3訓(xùn)練序列和導(dǎo)頻及信道估計(jì)技術(shù)

接收端使用差分檢測時不需要信道估計(jì)，但仍需要一些導(dǎo)頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和導(dǎo)頻的數(shù)量，但卻損失了信噪比。尤其是在OFDM系統(tǒng)中，系統(tǒng)對頻偏比較敏感，所以一般使用相干檢測。

在系統(tǒng)采用相干檢測時，信道估計(jì)是必須的。此時可以使用訓(xùn)練序列和導(dǎo)頻作為輔助信息，訓(xùn)練序列通常用在非時變信道中，在時變信道中一般使用導(dǎo)頻信號。在OFDM系統(tǒng)中，導(dǎo)頻信號是時頻二維的。為了提高估計(jì)的精度，可以插入連續(xù)導(dǎo)頻和分散導(dǎo)頻，導(dǎo)頻的數(shù)量是估計(jì)精度和系統(tǒng)復(fù)雜的折衷。導(dǎo)頻信號之間的間隔取決于信道的相干時間和相干帶寬，在時域上，導(dǎo)頻的間隔應(yīng)小于相干時間；在頻域上，導(dǎo)頻的間隔應(yīng)小于相干帶寬。在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)頻模式的設(shè)計(jì)要根據(jù)具體情況而定。

4、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)能同時分開至少1000個數(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，單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄�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碼來進(jìn)行糾錯。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�出現(xiàn)頻率選擇性衰落時，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，就沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯(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)子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2baud/Hz。

5、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)分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴(yán)格的正交性。頻偏和相位噪聲會使各個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個子信道的OFDM系統(tǒng)來說，當(dāng)N個子信道都以相同的相位求和時，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每小時時，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)就不是很適合了。

6、結(jié)束語

OFDM系統(tǒng)適用于多業(yè)務(wù)、高靈活性的通信系統(tǒng)，頻譜利用率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。目前，OFDM已經(jīng)廣泛用于歐洲和澳大利亞的數(shù)字寬帶音頻系統(tǒng)和數(shù)字寬帶視頻系統(tǒng)，基于OFDM的通信技術(shù)，使得在傳輸過程中能夠?qū)崿F(xiàn)低延遲、高速率的數(shù)據(jù)傳輸。54Mbit/s的帶寬也基本上能夠滿足大部分用戶對無線網(wǎng)絡(luò)的要求。隨著OFDM技術(shù)的不斷完善，它的應(yīng)用范圍將會擴(kuò)展到各個領(lǐng)域。

對于第四代移動通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)而言，OFDM仍有許多問題待解決，選擇OFDM作為第四代移動通信的核心技術(shù)的主要理由包括頻譜利用率高，抗噪聲能力強(qiáng)，適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩亍?/p>