浅析OFDM的通信技术

刘巧平

（延安大学物电学院通信工程专业，陕西延安，716000）

1 OFDM技术的基本原理

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术是一种无线信道高速数据传输技术，它既可以看做是一种复用技术也可以看做是一种多载波技术。由于这种技术可以有效的抵抗多种干扰，因此经常被用在容易被外界信号干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输环境中。OFDM系统如图1所示。它的基本思想是：在频域内将给定的信道划分成多个正交子信道，将单路串行高速数据流转换成多路并行的低速子数据流，然后把每路低速子数据流调制到每个子信道上进行并行传输。由于每个子信道的信号带宽小于信道的相应带宽,信号在每个子信道内只有平坦性衰落，从而可以大大减少符号间干扰ISI。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对简单。由于在OFDM系统中各个子信道的载波存在正交,于是它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波（ICI）间的相互干扰,同时又可以很大限度的利用信道的频谱资源。

2 OFDM的关键技术

虽然OFDM技术具有以下优点：抗多径干扰与频率选择性衰落能力强；频谱利用率高；随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展,调制解调容易实现；并且支持非对称业务；OFDM技术易与和其它多址方式结合使用，可以使多个用户同时利用OFDM技术进行信息传输，提高了通信质量；并且适合高速数据传输。但是也存在以下缺点：OFDM系统对频率偏移和相位噪声很敏感；存在较高的峰值平均功率比。所以克服OFDM技术的缺陷，更好地发挥其优势才是关键。

1) 降低PAPR(峰值平均功率比)

因为OFDM系统的输出是多个子信道信号的叠加,因此如果当多个信号同相时,所得叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比（PAPR-Peak to Average Power Ratio)。目前降低OFDM信号PAPR的技术总体上可分为三类:信号预畸变技术、编码类技术法和概率类技术(主要包括选择映射法SLM、部分传输序列算法PTS等)。

信号预畸变技术指在信号经过放大之前首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性预畸变使其不会超出放大器的动态变化范围从而避免较大PAPR的出现。最常用的信号畸变技术主要有压缩变换技术和限幅类技术等。这些信号畸变技术的好处在于直观、简单,但会带来带内噪声和带外干扰,从而降低系统的误比特率性能和频谱效率。编码类技术利用编码将原来的信息码字映射到一个具有较低峰均比值的传输码集上,从而避开了那些会出现信号峰值的码字。该类技术为线性过程,不会使信号产生畸变。但编码类技术的编解码比较麻烦，且由于在原有码字中引进了信息比特，从而降低了信息速率，故只适用于子载波数较少的情况。概率类技术着眼于降低信号峰值出现的概率，这类技术的信息冗余度很小，只需发送很少比特的额外信息。概率类技术采用的方法是线性过程，不会对信号产生畸变，并能有效降低信号的PAPR值。

2）同步技术

同步是OFDM系统非常重要的技术，同步性能的好坏直接影响OFDM系统性能的优劣。OFDM系统中的同步主要是：符号同步、载波同步、样值同步。载波同步是指当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。符号同步是指接收端每个OFDM 符号块的起始时刻要与发送的起始时刻相同,即保持IFFT与FFT起止时刻一致，任何符号的定时变化都会增加OFDM系统对时延扩展的敏感程度。样值同步包括样值定时同步和样值频率同步，其中样值定时同步是为了使接收端确定每个样值符号的起止时刻，样值频率同步则是为保证使接收端具有相同的样值频率而设计的。

3）信道估计

信道估计是通信领域研究的热点，他是进行均衡、相关检测、解调的基础。调制方式的不同需在接收端采用不同的解调方式。如果发射机采用非差分调制方案，则接收机需采用相干解调。在相干解调中每个子载波必须是同步的或者相位的偏移已知。为了在接收机上产生这些信息，必须进行信道估计才能为信道传输系数提供估计值。

信道估计算法主要有两类:基于训练序列的估计算法和盲估计算法。其中,基于训练序列的估计算法就是利用发送端和接收端都已知的序列进行信道估计,由于OFDM系统的时频二重性,既可以在时域内进行估计,也可以在频域内进行估计。该方法容易实现,算法简单,得 到广泛应用。

盲估计利用接收数据的统计信息来实现,不需要训练序列,所以节约了带宽,但是该方法运算量大,不容易实现,在实时系统中的应用受到了限制。但由于其相对于基于训练序列的估计方法提高了系统效率,所以也越来越受到关注。

4）信道的编码和交织技术

为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织技术，交织技术能减小信道中错误的相关性。对于信道条件恶劣的环境，可以考虑级联编码的方法，即将多种 形式的编码方法级联在一起。这样做的好处是在不增加译码复杂度的情况下，可以得到较高的编码增益和纠错能力。级联编码框图如图2所示

可见，输入数据首先在外部编码器和交织器中进行编码和交织，然后在内部编码器和交织器内再次进行编码和交织。通常内部编码器采用卷积码，外部则采用分组码（例如：RS码），这主要是因为在相对较低的输入信噪比下，卷积码加维特比译码的性能较好一些。紧接着的外部译码又会将剩余的少许错误纠正过来，从而保证整个通信系统的准确性。

采用卷积编码和时间交织可以使OFDM系统具有时间分集作用,采用卷积编码和频率交织使得系统具有频率分集作用。所以对于无线信道来说采用级联编码和交织是非常有用的。

3 结束语

正交频分复用技术(OFDM)是一种多载波数字调制技术，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 ,并且具有很高的频谱利用率。随着对 OFDM技术的研究逐渐完善和发展, OFDM 技术必将在诸多领域得到广泛应用。

[1]陈良明,韩泽耀.OFDM-第四代移动通信的主流技术[J].计算机技术与发展，2008年3月第18卷第3期：185-186.

[2]徐庆征，彭丽等.OFDM系统及其若干关键技术研究[J].移动通信增刊，2004年8月：75

[3]王林，江秀萍.降低OFDM信号峰均比的PTS技术[J].计算机工程与应用，2007，43(5)：153.

[4]郭建英.OFDM关键技术及应用[J].山西电子技术，2011年第02期：61.

[5]董莉霞.OFDM技术及其应用[J].电气化铁道，2006年第02期：46.