OFDM系統子載波間干擾分析及抑制討論

摘 要：OFDM技術是一種在無線環境下的高速多載波傳輸技術。其抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾能力較強，同時又有很高的頻譜利用率，適合在多徑傳播的無線移動信道中傳輸高速數據。本文著重分析了OFDM技術的基本原理、OFDM系統的基本原理及實現方案，同時論述了其優缺點。在此基礎上，對系統子載波間干擾產生原因進行了較為詳細的分析，并對幾種常見的抑制方案進行了對比討論。

關鍵詞：OFDM；子載波間干擾；抑制方案

1 OFDM系統簡介

1.1 OFDM技術的基本原理

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

保護間隔通常以插入循環前綴的方式實現，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的多載波調制系統而言，在OFDM系統中，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到分離數據的目的。OFDM信號的頻譜如圖1所示。

圖1 OFDM 信號的頻譜示意

1.2 OFDM系統原理及實現框圖

一個OFDM系統內包含多個經過調制的子載波的合成信號，每個子信道中的載波都可以使用相移鍵控（PSK）或者正交幅度調制（QAM）進行調制。用N表示子信道的個數，di（i=0，1，…，N-1） Tofdm表示OFDM符號的周期，表示分配給每個子信道載波的符號，fc表示第0個載波的載波頻率，rect（t）=1，|t|？燮■表示矩形脈沖，則從ts時刻開始的OFDM符號在時域中的表達式為：

（1）

可以根據下圖2，構建OFDM系統框圖：

圖2 OFDM 系統框圖

2 OFDM系統的優缺點

2.1 OFDM系統的優點

2.1.1 頻譜利用率高。頻譜利用率較高，這一點在頻譜資源有限的無線環境中很重要。由于各個子信道的載波間存在著正交性，OFDM系統允許子信道的頻譜相互重疊，相比于其他常規的頻分復用系統，OFDM系統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。當信號在信道中，由于多徑效應導致頻率選擇性衰落時，頻帶凹處的子信道載波及其攜帶的信息會受影響，造成丟失或者錯誤。通過各個子信道載波的聯合編碼，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系統的總誤碼率低得多。還需要注意一點的是，OFDM技術利用了信道的頻率分集，在衰落不是特別嚴重的情況下，可以根據情況不再添加時域均衡器。OFDM系統能有效地減少載波間的干擾，這一優勢使其在多徑環境中和衰落信道中也能實現數據的高速傳輸。

2.2 OFDM系統的缺點

2.2.1 與單載波系統相比，OFDM系統更加易受頻率偏差的影響，換言之，OFDM系統對頻率偏差表現更加敏感。無線信道通常具有時變性，而時變性非常容易造成的多普勒頻移，同時由于發射機和接收機與本地振蕩器之間的頻率偏差，都會破壞子信道載波的正交性，從而產生ICI（inter-carrier interference，子載波間干擾）。這種對頻率偏差的較強敏感性是OFDM系統的主要缺點之一。

2.2.2 存在較高的峰值平均功率比（峰均比）。多載波系統的輸出是由多個子信道載波信號進行的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，當這些載波信號（假設N個）恰好同時都以峰值點相加后，OFDM信號也將產生最大的峰值。該峰值功率是平均功率的N倍，從而輸出的疊加信號的瞬時功率便會遠遠大于信號的平均功率，進而導致較大的峰值平均功率比（PAPR，Peak-to-Average power Ratio）。這種情況的出現，會對發射機內置的放大器的線性相關度提出很高的要求。

3 OFDM系統子載波間干擾分析

3.1 子載波間干擾產生原因分析

3.1.1 多普勒頻譜的開展引起的子載波間干擾。這種子載波間干擾通常是發生在用戶的移動時。用戶的無規律移動會造成信道的時變性，進而產生多普勒頻譜展開效應，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系統中，接收端和發射端的晶振頻率通常無法保持絕對的同步，這種晶振頻率的不一致往往會導致的載波誤差，進而會引入干擾，造成子載波間干擾。但是這種子載波間干擾是可以進行補償或削弱，通過是采用同步偏差和信號補償來消除。

3.1.3 碼間干擾（ISI：Inter-Symbol Interference）引起的子載波間干擾。當OFDM系統在多徑的環境下運行是，一旦多徑信道的最大時延超過了循環前綴，就會產生碼間干擾，而且傳輸速率也高，碼間干擾也更加嚴重。同樣的，這種碼間干擾也會破壞子載波間的正交性，從而引起子載波間干擾。不過，這種子載波間干擾也是削弱的，通常的解決辦法是降低數據的傳輸速率或者增加均衡模塊。

3.2 幾種常見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數據信息，這樣的調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，會對其他載波頻點所產生的干擾存在很強的相關性的因素，如果在相鄰子載波上放置相反數據信息，可以相互抵消其他子載波頻率上受到的上述兩個相鄰子載波的干擾。但是考慮到頻譜利用率，需要將數據調制的階數提高一倍。所以，這種方法的缺陷是在信噪比較高的時候性能改善比較緩慢。

3.2.2 時域中加窗的方案。時域中加窗的方案是在發送端將需要傳輸的時域信號與特定的窗函數進行乘運算，利用時域下窗函數的特性來改善信號的頻域特性，從而抑制子載波頻譜旁瓣的泄露，進而減小子載波間干擾的能量，達到抑制子載波間干擾的作用。但是時域中加窗的方案也有缺陷，因其往往是以犧牲OFDM系統抗時延擴展能力作為代價。

4 結束語

OFDM技術有著非常廣闊的發展前景，并且逐步成熟與完善。目前，OFDM結合時空編碼、分集、干擾和鄰道干擾抑制以及智能天線技術，最大限度地提高了物理層的可靠性。結合自適應調制、自適應編碼以及動態子載波分配和動態比特分配算法等技術，可以使其性能進一步優化。總之，由于OFDM技術依靠著其良好的性能，將成為未來移動通信行業的核心技術。

參考文獻

[1]傅民倉，馮立杰，袁俊飛.新一代寬帶無線局域網系統中的OFDM技術研究[J].現代電子技術，2006.