OFDM技术的发展研究

孙华SUN Hua

（包头市人防地下商城管理处，包头014010）

0 引言

OFDM技术又称正交频分复用技术。在工作时，OFDM技术先将频域内的信道分为若干正交字信道，并使用子载波对其进行调试和整理，最终完成整个传输过程。与其他调试方式相比，OFDM技术具有其独特的优势，主要表现在它实现可正交信号的高效分离，有效地避免了子信道干扰问题的出现，保障了通信质量，有效对抗多径效应，消除ISI，对抗频率选择性衰落，信道利用率高。同时，在整个通信过程中，各个子信道的带宽都是原始信道带宽的有机组成部分，这就保证了信道的均衡性，实现了数字宽带通信。

OFDM可视为一种调变技术及一种多任务技术，属于多载波传输方式之一，目前已被广泛地应用至各个领域。

1 OFDM技术的基本原理

1.1 OFDM系统的模型 OFDM系统的基本原理见图1、图 2。

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tm＞ts。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。

图1 OFDM系统发射端的基本原理图

图2 OFDM系统接收端的原理图

1.2 OFDM系统正交性原理根据以上论述可知，只要确定各子载波间隔合理即可使OFDM信号保持良好的正交状态。为进一步验证此原理的科学性，选取一个包含6个子载波的OFDM符号，并使每个子载波在其一个符号周期内均包括若干个整数倍的周期，且相邻子载波各差一个周期，具体来看就是

假如对第j个子载波进行解调，然后在时间长度T 内进行积分，即

由此可见，在调解时当调节至第j个子载波时即可得到期望符号dj。同时，由于其间隔内频率差为（i-j）/T，符合整数倍周期这一原则，因此最终积分为零。

1.3 OFDM系统性能 ①抗脉冲干扰。与单载波系统相比，OFDM系统拥有更强的抗干扰性能，有效地分散了脉冲噪声，极大地提升了信号传输效率。②抗多径传播与衰落。OFDM系统通过分散信息，使得各个子载波的符号速率也随之下降，从而延长了符号周期，同时使用保护间隔以及时域均衡等方式大大减少了符号间的干扰，具体见图3。③频谱利用率。一个OFDM信号包含N个信号，且每一信号谱频函数均与相邻信号重叠，具体见图4。

图3 保护间隔原理

图4 OFDM信号频谱结构

比特速率与采用的调制方式有关，若信号星座点数为M，则比特率为

因此OFDM的频谱利用率为：

通过以上计算和比较，发现DFOM系统使用MQAM方式进行调制时，其频谱利用率高出串行系统近一倍。

2 OFDM技术的主要优点

2.1 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，有效地提高了通信质量。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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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。

3 OFDM技术的发展

随着无线通信需求的高速增长，频谱资源的稀缺与实际频谱固定分配机制造成的频谱总体利用率偏低之间的矛盾是制约未来移动通信快速发展的瓶颈。认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术能主动感知无线通信环境，动态地接入未被授权用户使用的空闲频段，为解决上述矛盾开辟了一条崭新的途径。OFDM技术将整个频带分成众多子载波，易于实现频谱资源的有效控制和利用。OFDM众多的子载波信号，具有灵活配置的特点，所以应用于认知无线电时，只需要根据感知的无线电环境决定子载波信号的开关即可实现数据在认知无线电系统中的高速传输。

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