OFDM技術的發(fā)展研究

孫華SUN Hua

（包頭市人防地下商城管理處，包頭014010）

0 引言

OFDM技術又稱正交頻分復用技術。在工作時，OFDM技術先將頻域內(nèi)的信道分為若干正交字信道，并使用子載波對其進行調(diào)試和整理，最終完成整個傳輸過程。與其他調(diào)試方式相比，OFDM技術具有其獨特的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在它實現(xiàn)可正交信號的高效分離，有效地避免了子信道干擾問題的出現(xiàn)，保障了通信質(zhì)量，有效對抗多徑效應，消除ISI，對抗頻率選擇性衰落，信道利用率高。同時，在整個通信過程中，各個子信道的帶寬都是原始信道帶寬的有機組成部分，這就保證了信道的均衡性，實現(xiàn)了數(shù)字寬帶通信。

OFDM可視為一種調(diào)變技術及一種多任務技術，屬于多載波傳輸方式之一，目前已被廣泛地應用至各個領域。

1 OFDM技術的基本原理

1.1 OFDM系統(tǒng)的模型 OFDM系統(tǒng)的基本原理見圖1、圖 2。

假設存在一個調(diào)制信號，設其帶寬為B，其碼元的調(diào)制速率為R，周期為ts，信道的最大延遲擴展為tm，且tm＞ts。OFDM技術按照一定規(guī)律將原來的信號分割為N個子信道，則此時的碼元速率變?yōu)镽/N，周期Ts=Nts，此時OFDM技術使用分割后的的信號對其相對應正交的子載波進行調(diào)制，從而得到最終的譜頻。在進行信號接收時，受多徑環(huán)境下碼元串擾的影響，子載波的正交狀態(tài)一般穩(wěn)定性較差，容易受外界干擾，而OFDM技術則實現(xiàn)了發(fā)送前的碼元保護，從而有效地消除了干擾影響，保證了傳輸效率和質(zhì)量。

圖1 OFDM系統(tǒng)發(fā)射端的基本原理圖

圖2 OFDM系統(tǒng)接收端的原理圖

1.2 OFDM系統(tǒng)正交性原理根據(jù)以上論述可知，只要確定各子載波間隔合理即可使OFDM信號保持良好的正交狀態(tài)。為進一步驗證此原理的科學性，選取一個包含6個子載波的OFDM符號，并使每個子載波在其一個符號周期內(nèi)均包括若干個整數(shù)倍的周期，且相鄰子載波各差一個周期，具體來看就是

假如對第j個子載波進行解調(diào)，然后在時間長度T 內(nèi)進行積分，即

由此可見，在調(diào)解時當調(diào)節(jié)至第j個子載波時即可得到期望符號dj。同時，由于其間隔內(nèi)頻率差為（i-j）/T，符合整數(shù)倍周期這一原則，因此最終積分為零。

1.3 OFDM系統(tǒng)性能 ①抗脈沖干擾。與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)擁有更強的抗干擾性能，有效地分散了脈沖噪聲，極大地提升了信號傳輸效率。②抗多徑傳播與衰落。OFDM系統(tǒng)通過分散信息，使得各個子載波的符號速率也隨之下降，從而延長了符號周期，同時使用保護間隔以及時域均衡等方式大大減少了符號間的干擾，具體見圖3。③頻譜利用率。一個OFDM信號包含N個信號，且每一信號譜頻函數(shù)均與相鄰信號重疊，具體見圖4。

圖3 保護間隔原理

圖4 OFDM信號頻譜結(jié)構(gòu)

比特速率與采用的調(diào)制方式有關，若信號星座點數(shù)為M，則比特率為

因此OFDM的頻譜利用率為：

通過以上計算和比較，發(fā)現(xiàn)DFOM系統(tǒng)使用MQAM方式進行調(diào)制時，其頻譜利用率高出串行系統(tǒng)近一倍。

2 OFDM技術的主要優(yōu)點

2.1 具有較強的抗ISI能力，實現(xiàn)了多徑環(huán)境以及衰弱信道下的數(shù)據(jù)傳輸 OFDM技術利用其獨有特性，可以按照其實際需求將高速串行的數(shù)據(jù)分割為若干子信道，在降低碼元速率，保障其高速穩(wěn)定運行的同時，也相應地延長了其周期，有效地提高了通信質(zhì)量。另外，OFDM具有較強的抗ISI能力，極大地減少了傳輸符號周期過長帶來的多徑擴展影響，實現(xiàn)了多徑環(huán)境以及衰弱信道下的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 抗信道衰弱能力強 在計算時，由于OFDM系統(tǒng)的碼元周期往往大于信道衰弱周期，這就使得衰弱常發(fā)生在某個子載波上，造成提早衰弱，影響整個通信過程。此時，可以采取聯(lián)合編碼的方式恢復正常信號傳輸，而OFDM以其良好的均衡特性實現(xiàn)了譜頻的良好均衡，它通過其特有的均衡器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了譜頻均衡，大大簡化了接受的復雜性。

2.3 計算能力強 由于DFOM的計算能力較強，且擁有高效便捷的計算方法，提高了計算效率。當子載波數(shù)量較多時，DFOM可以采用FFT算法減少計算程序，降低計算的復雜性和難度，提高了其實用性，擴大了其適用范圍。

2.4 信道利用率高 通常情況下在OFDM系統(tǒng)中的各個子載波呈正交關系。當碼元的主要組成為矩形脈沖時，其各子載波的頻譜皆呈現(xiàn)型，碼元的峰值與其他各個子載波的零點相重合，在此情況下各頻譜相互重疊最終形成一個矩形，具有很高的利用率。

3 OFDM技術的發(fā)展

隨著無線通信需求的高速增長，頻譜資源的稀缺與實際頻譜固定分配機制造成的頻譜總體利用率偏低之間的矛盾是制約未來移動通信快速發(fā)展的瓶頸。認知無線電（Cognitive Radio，CR）技術能主動感知無線通信環(huán)境，動態(tài)地接入未被授權(quán)用戶使用的空閑頻段，為解決上述矛盾開辟了一條嶄新的途徑。OFDM技術將整個頻帶分成眾多子載波，易于實現(xiàn)頻譜資源的有效控制和利用。OFDM眾多的子載波信號，具有靈活配置的特點，所以應用于認知無線電時，只需要根據(jù)感知的無線電環(huán)境決定子載波信號的開關即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在認知無線電系統(tǒng)中的高速傳輸。

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