OFDM系統(tǒng)子載波間干擾分析及抑制討論

摘 要：OFDM技術(shù)是一種在無(wú)線環(huán)境下的高速多載波傳輸技術(shù)。其抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾能力較強(qiáng)，同時(shí)又有很高的頻譜利用率，適合在多徑傳播的無(wú)線移動(dòng)信道中傳輸高速數(shù)據(jù)。本文著重分析了OFDM技術(shù)的基本原理、OFDM系統(tǒng)的基本原理及實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)論述了其優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)子載波間干擾產(chǎn)生原因進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，并對(duì)幾種常見(jiàn)的抑制方案進(jìn)行了對(duì)比討論。

關(guān)鍵詞：OFDM；子載波間干擾；抑制方案

1 OFDM系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 OFDM技術(shù)的基本原理

OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制（Multi-Carrier Modulation，MCM）技術(shù)。其調(diào)制基本思想是：將信道劃分為若干個(gè)正交的子信道，同時(shí)在每個(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣既能減少子信道間的相互干擾，又能提高頻譜利用率。由于每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬要小于信道的相關(guān)帶寬，就會(huì)使每個(gè)子信道上的頻率選擇性衰落呈現(xiàn)平坦的狀態(tài)，進(jìn)而大大消除了符號(hào)間干擾。

保護(hù)間隔通常以插入循環(huán)前綴的方式實(shí)現(xiàn)，從而保證了子信道之間的正交性。相比于各子信道的頻譜完全分開(kāi)的多載波調(diào)制系統(tǒng)而言，在OFDM系統(tǒng)中，各子信道采用的載波間的頻譜是相互重疊的，這樣有助于接收端借助載波間的正交性達(dá)到分離數(shù)據(jù)的目的。OFDM信號(hào)的頻譜如圖1所示。

圖1 OFDM 信號(hào)的頻譜示意

1.2 OFDM系統(tǒng)原理及實(shí)現(xiàn)框圖

一個(gè)OFDM系統(tǒng)內(nèi)包含多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波的合成信號(hào)，每個(gè)子信道中的載波都可以使用相移鍵控（PSK）或者正交幅度調(diào)制（QAM）進(jìn)行調(diào)制。用N表示子信道的個(gè)數(shù)，di（i=0，1，…，N-1） Tofdm表示OFDM符號(hào)的周期，表示分配給每個(gè)子信道載波的符號(hào)，fc表示第0個(gè)載波的載波頻率，rect（t）=1，|t|？燮■表示矩形脈沖，則從ts時(shí)刻開(kāi)始的OFDM符號(hào)在時(shí)域中的表達(dá)式為：

（1）

可以根據(jù)下圖2，構(gòu)建OFDM系統(tǒng)框圖：

圖2 OFDM 系統(tǒng)框圖

2 OFDM系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 OFDM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 頻譜利用率高。頻譜利用率較高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線環(huán)境中很重要。由于各個(gè)子信道的載波間存在著正交性，OFDM系統(tǒng)允許子信道的頻譜相互重疊，相比于其他常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)，OFDM系統(tǒng)可以大大提高了頻譜利用率，從而最大限度地利用頻譜資源。

2.1.2 抗多徑衰落能力強(qiáng)。當(dāng)信號(hào)在信道中，由于多徑效應(yīng)導(dǎo)致頻率選擇性衰落時(shí)，頻帶凹處的子信道載波及其攜帶的信息會(huì)受影響，造成丟失或者錯(cuò)誤。通過(guò)各個(gè)子信道載波的聯(lián)合編碼，使其抗衰落能力大大提升，從而避免了其他的子信道載波受影響，故OFDM系統(tǒng)的總誤碼率低得多。還需要注意一點(diǎn)的是，OFDM技術(shù)利用了信道的頻率分集，在衰落不是特別嚴(yán)重的情況下，可以根據(jù)情況不再添加時(shí)域均衡器。OFDM系統(tǒng)能有效地減少載波間的干擾，這一優(yōu)勢(shì)使其在多徑環(huán)境中和衰落信道中也能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

2.2 OFDM系統(tǒng)的缺點(diǎn)

2.2.1 與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)更加易受頻率偏差的影響，換言之，OFDM系統(tǒng)對(duì)頻率偏差表現(xiàn)更加敏感。無(wú)線信道通常具有時(shí)變性，而時(shí)變性非常容易造成的多普勒頻移，同時(shí)由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)與本地振蕩器之間的頻率偏差，都會(huì)破壞子信道載波的正交性，從而產(chǎn)生ICI（inter-carrier interference，子載波間干擾）。這種對(duì)頻率偏差的較強(qiáng)敏感性是OFDM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。

2.2.2 存在較高的峰值平均功率比（峰均比）。多載波系統(tǒng)的輸出是由多個(gè)子信道載波信號(hào)進(jìn)行的疊加，因此如果多個(gè)信號(hào)的相位一致時(shí)，當(dāng)這些載波信號(hào)（假設(shè)N個(gè)）恰好同時(shí)都以峰值點(diǎn)相加后，OFDM信號(hào)也將產(chǎn)生最大的峰值。該峰值功率是平均功率的N倍，從而輸出的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率便會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的平均功率，進(jìn)而導(dǎo)致較大的峰值平均功率比（PAPR，Peak-to-Average power Ratio）。這種情況的出現(xiàn)，會(huì)對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)置的放大器的線性相關(guān)度提出很高的要求。

3 OFDM系統(tǒng)子載波間干擾分析

3.1 子載波間干擾產(chǎn)生原因分析

3.1.1 多普勒頻譜的開(kāi)展引起的子載波間干擾。這種子載波間干擾通常是發(fā)生在用戶的移動(dòng)時(shí)。用戶的無(wú)規(guī)律移動(dòng)會(huì)造成信道的時(shí)變性，進(jìn)而產(chǎn)生多普勒頻譜展開(kāi)效應(yīng)，從而影響甚至破壞子載波的正交性，從而引起子載波間干擾。

3.1.2 子載波的同步誤差引起的子載波間干擾。在OFDM系統(tǒng)中，接收端和發(fā)射端的晶振頻率通常無(wú)法保持絕對(duì)的同步，這種晶振頻率的不一致往往會(huì)導(dǎo)致的載波誤差，進(jìn)而會(huì)引入干擾，造成子載波間干擾。但是這種子載波間干擾是可以進(jìn)行補(bǔ)償或削弱，通過(guò)是采用同步偏差和信號(hào)補(bǔ)償來(lái)消除。

3.1.3 碼間干擾（ISI：Inter-Symbol Interference）引起的子載波間干擾。當(dāng)OFDM系統(tǒng)在多徑的環(huán)境下運(yùn)行是，一旦多徑信道的最大時(shí)延超過(guò)了循環(huán)前綴，就會(huì)產(chǎn)生碼間干擾，而且傳輸速率也高，碼間干擾也更加嚴(yán)重。同樣的，這種碼間干擾也會(huì)破壞子載波間的正交性，從而引起子載波間干擾。不過(guò)，這種子載波間干擾也是削弱的，通常的解決辦法是降低數(shù)據(jù)的傳輸速率或者增加均衡模塊。

3.2 幾種常見(jiàn)的抑制子載波間干擾的算法討論

3.2.1 子載波間干擾的自消除算法。在相鄰的子載波放置相反的符號(hào)數(shù)據(jù)信息，這樣的調(diào)制方式可以在一定程度起到抵消子載波間干擾的作用。在考慮到相鄰子載波頻點(diǎn)，會(huì)對(duì)其他載波頻點(diǎn)所產(chǎn)生的干擾存在很強(qiáng)的相關(guān)性的因素，如果在相鄰子載波上放置相反數(shù)據(jù)信息，可以相互抵消其他子載波頻率上受到的上述兩個(gè)相鄰子載波的干擾。但是考慮到頻譜利用率，需要將數(shù)據(jù)調(diào)制的階數(shù)提高一倍。所以，這種方法的缺陷是在信噪比較高的時(shí)候性能改善比較緩慢。

3.2.2 時(shí)域中加窗的方案。時(shí)域中加窗的方案是在發(fā)送端將需要傳輸?shù)臅r(shí)域信號(hào)與特定的窗函數(shù)進(jìn)行乘運(yùn)算，利用時(shí)域下窗函數(shù)的特性來(lái)改善信號(hào)的頻域特性，從而抑制子載波頻譜旁瓣的泄露，進(jìn)而減小子載波間干擾的能量，達(dá)到抑制子載波間干擾的作用。但是時(shí)域中加窗的方案也有缺陷，因其往往是以犧牲OFDM系統(tǒng)抗時(shí)延擴(kuò)展能力作為代價(jià)。

4 結(jié)束語(yǔ)

OFDM技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景，并且逐步成熟與完善。目前，OFDM結(jié)合時(shí)空編碼、分集、干擾和鄰道干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度地提高了物理層的可靠性。結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼以及動(dòng)態(tài)子載波分配和動(dòng)態(tài)比特分配算法等技術(shù)，可以使其性能進(jìn)一步優(yōu)化?？傊?，由于OFDM技術(shù)依靠著其良好的性能，將成為未來(lái)移動(dòng)通信行業(yè)的核心技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]傅民倉(cāng)，馮立杰，袁俊飛.新一代寬帶無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)中的OFDM技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006.