浅解OFDM（正交频分复用）通信技术

张学坤

（国家广电总局594台 陕西 咸阳 712000）

浅解OFDM（正交频分复用）通信技术

张学坤

（国家广电总局594台 陕西 咸阳 712000）

OFDM的全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，意为正交频分复用。OFDM通信技术是多载波传输技术的典型代表。OFDM是多载波传输方案的实现方式之一，利用快速傅里叶逆变换 （IFFT，Inverse Fast Fourier Transform）和快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transform）来分别实现调制和解调，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。本文介绍了OFDM通信技术基本原理和实现，分析了其优缺点，并对关键技术进行了分析。

OFDM；正交频分复用；多载波；快速傅里叶变换（FFT）

1 OFDM基本原理

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，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。只要多径时延不超过保护间隔，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 OFDM系统的实现

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。

图2 OFDM调制器

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。

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，我们考虑用离散傅立叶变换（DFT）和反变换（IDFT）来实现上述功能。如果在发送端对D(m)做IDFT，把结果经信道发送到接收端，然后对接收到的信号再做DFT，取其实部，则可以不失真地恢复出原始信号D(m)。这样就可以利用离散傅立叶变换来实现OFDM信号的调制和解调。实现框图如图4和图5所示。用DFT和IDFT实现的OFDM系统，大大降低了系统的复杂度，减小了系统成本，为OFDM的广泛应用奠定了基础。

图3 OFDM解调器

图4 用离散傅立叶变换实现OFDM的调制器

图5 用离散傅立叶变换实现OFDM的解调器

3 OFDM的优点

3.1 频谱利用率较高

OFDM技术可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。传统的频分复用（FDM）多载波调制技术（如图6（a）所示）中各个子载波的频谱是互不重叠的，同时，为了减少各子载波之间的相互干扰，子载波之间需要保留足够的频率间隔，频谱利用率较低；而OFDM多载波调制技术（如图6（b）所示）中各子载波的频谱是互相重叠的，并且在整个符号周期内满足正交性，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大减少了保护带宽，提高了频谱利用率。

图6 （a）FDM调制技术 （b）OFDM调制技术

3.2 抗码间干扰（ISI，Inter-Symbol Interference）能力强

码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM通过在传输的数据块之间插入一个大于信道脉冲响应时间的保护间隔，消除了由于多径时延扩展引起的符号间干扰。

3.3 抗频率选择性衰落和窄带干扰能力强

在单载波系统中，一次衰落或者干扰会导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道受到深衰落的影响。OFDM把信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声和信道快速衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快速衰落的抵抗力。OFDM还可以根据每个子载波的信噪比来优化分配每个子载波上传送的信息比特，自动控制各个子载波的使用，有效避开噪声干扰以及频率选择性对数据传输可靠性的影响，实现对信道的自适应性。通过软件编程，OFDM可以有效地屏蔽某些子载波，实现对民用或军用重要频点的保护。在电力线通信中，OFDM通过把电力线分为许多窄带子信道，使得各个子信道呈现相对性和平坦特性，不仅消除了由于电力线的低通效应和传递函数的剧烈波动而引起的失真，而且无须复杂的信道均衡系统，实现比较简单，成本比较低廉。

4 OFDM的缺点

由于OFDM系统存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点：

4.1 易受频率偏差的影响

由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。在传输过程中出现的信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间干扰（ICI，Inter-Channel Interference），这种对频率偏差的敏感性是OFDM系统的主要缺点之一。

4.2 存在较高的峰值平均功率比

多载波系统的输出式多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比 （PAPR，Peak-to-Average Power Ratio）。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。

5 OFDM的关键技术

5.1 时域和频域同步

OFDM块是由保护间隔和有用数据信息组成，因此OFDM中的定时同步就是要确定OFDM块有用数据信息的开始时刻，也可以叫做确定FFT窗的开始时刻。定时的偏移会引起子载波相位的旋转，而且相位旋转角度与子载波的频率有关，频率越高，旋转角度越大。如果定时的偏移量与最大时延扩展的长度之和大于循环前缀的长度，这时一部分数据信息丢失了，而且最为严重的是子载波之间的正交性被破坏了，由此带来了ISI和ICI，这是影响系统性能的关键问题之一。频率偏移是由收发设备的本地载频之间的偏差、信道的多普勒频移等引起的，由子载波间隔的整数倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移构成。频率偏移破坏了子载波间的正交性，导致子载波之间产生干扰。OFDM中的同步算法有很多种，目前，OFDM系统中的定时同步主要解决方法有循环前缀法、PN前缀法和特殊训练符号法等，频偏估计的方法有最大似然估计法等。

5.2 降低峰值平均功率比

由于OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值相加时，OFDM信号也将产生最大峰值 （如图7所示），该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰值平均功率比 （PAPR）的OFDM信号，发送端对高功率放大器（HPA）的线性度要求很高，从而导致发送效率极低，接收端对前端放大器以及A/D转换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。目前，已有很多文献讨论了OFDM的降低PAPR的算法，这些方法主要有3类：信号畸变技术、编码方法（包括分组码、格雷互补码和多相互补序列等）和基于信号空间扩展的方法。

图7 存在PAPR问题的OFDM信号，N=512

5.3 信道的编码和交织

在OFDM系统中，依赖了多径传播中的多条路径得到接收信号，衰落信道本身体现了内在的分集特性。如果信道衰落不是太深，均衡无法再利用信道的分集特性来改善系统性能了。但是，OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会。通过子载波间的联合编码和交织，可以进一步利用信道分集特性来改善整个系统的性能。由于使用软判决译码可以实现很高的附加信噪比增益，而卷积码译码常采用的维特比算法可以很容易地进行软判决误，在编码后要对数据进行交织，使得突发性错误在经过解交织后扩展开来，成为独立的错误，以便于利用纠错码进行纠错。

6 结束语

正交频分复用技术（OFDM）的应用已有近 40年的历史，第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。OFDM由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。随着 DSP芯片技术的发展，傅立叶变换／反变换、高速Modem采用的 64／128／256 QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用。

［1］佟学俭,罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用.人民邮电出版社,2003-6-1.

［2］曹志刚,等.现代通信原理.清华大学出版社,1992.

［3］邵佳,董辰辉.MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲.电子工业出版社,2009,6.

江广霞］