深入淺出談OFDM

常子霆　王躬碩　銀杉

摘 要：OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）正交頻分復用是HPA（HomePlug Powerline Alliance）聯盟工業規范的基礎，它采用一種不連續的多音調技術，將載波的不同頻率中的信號合并成單一的信號，完成信號的傳送。由于這種技術具有良好的抗干擾能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。由于OFDM系統的復雜結構，直到20世紀70年代，人們可以利用傅立葉變換來實現多個載波的調制，才大大簡化了其系統結構，使得這項技術更趨于實用化。80年代，人們將OFDM技術應用于高速MODEM。進入90年代，OFDM技術的研究已經涉及無線調頻信道的寬帶數據傳輸。目前OFDM技術已經被廣泛應用于廣播式的音頻、視頻和民用通信系統領域。

關鍵詞：正交頻分復用；OFDM；信號合成；高速MODEM

1 OFDM技術由來

OFDM是MCM（Multi Carrier Modulation）多載波調制的一種。由于一個信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號所需的帶寬要寬得多。將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子信道，每一個子信道傳輸不同頻率的信號。保證了各路信號互不干擾，這也就是FDM（Frequency-division multiplexing）頻分多路復用技術，早在20世紀70年代，韋斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人應用傅里葉變換研制了一個完整的多載波傳輸系統，叫做正交頻分復用OFDM系統。而OFDM正是由FDM演變而來。OFDM應用DFT和IDFT方法解決了多載波傳輸系統發送和傳送的問題。并使多載波傳輸系統的復雜度大大降低。從此OFDM技術開始走向實用。在通信系統中，成為復雜度低、應用廣、性價比高的一種多載波傳輸技術。

2 OFDM主要思想

將信道分成若干流通數據流的子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，將其在子信道上進行傳輸。為了減少子信道之間的相互干擾，我們通常在信號的接收端將其分開，使每個子信道上的信號帶寬小于信道相對應的那一部分的帶寬，信道均衡變得相對容易，故每個子信道上可以看成是信道的平坦性衰落造成的，于是就可以消除碼間串擾。

通常，在向超三代移動通信系統B3G（Beyond Third Generation in mobile communication system）以及第四代移動通訊技術4G（Beyond Forth Generation in mobile communication system）演變的過程中，OFDM結合了分集、時空編碼、信道間干擾抑制以及智能天線技術最大限度地提高了系統性能。

在OFDM傳播過程中，高傳輸速率的信息數據流通過串并變換，分配到速率相對較低的子信道中，為了減少因無線信道多徑時延擴展所產生的時間彌散性對系統造成的碼間干擾，需要將每個子信道中的符號周期相對增加，在引入保護間隔后，將保護間隔設置為大于最大多徑時延，可以最大限度地消除多徑帶來的符號間干擾。如果用循環前綴作為保護間隔，還可避免多徑帶來的信道間干擾。

3 OFDM優缺點

OFDM作為通信方面在3G、4G中被運用，其有很多不可替代的優勢：

第一，傳輸數據量不會因為帶寬的寬度而受到限制，在帶寬寬度較低時也能夠發送大量的數據。OFDM技術具有良好的抗干擾能力，在干擾的信號周圍可以安全運行。

第二，OFDM技術可以持續不斷地監控傳輸介質上通信特性的變化量，由于通信路徑傳送數據的能力會隨時間而變化，OFDM技術可以很好地與之相適應，并且可以通過控制接通和切斷相應的載波來保證持續地進行通信。

第三，可以自動地檢測到傳輸介質中存在信號衰減或干擾脈沖較為強烈的部分，然后采取合適的調制措施來使數據成功通信；

第四，由于OFDM技術使用的是多載波系統，因而，其不會發生在單載波系統中單個衰落或干擾能夠導致整個通信鏈路失敗這種情況，具有頻率選擇衰落性。

第五，可以有效地對抗信號波形之間的相互干擾，在多徑環境和衰落信道中，當高速傳輸的信號出現頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波會受到影響，其他的子載波未受損害，因此系統的誤碼率將會變得很低。

第六，通過將子載波進行聯合編碼，因此通過OFDM傳輸的信號具有很強的抗衰落能力。如果衰落不是很嚴重，就沒有必要再通過均衡器等信號放大，濾波裝置將信道聯合編碼。使系統性能以及資源得到較大提高。

雖然OFDM有上述優點，但是同樣其信號調制機制也使得OFDM信號在傳輸過程中存在著一些劣勢：

第一，易受相位噪聲和載波頻偏影響。OFDM系統對子載波之間的正交性要求極為嚴格，任何載波頻率出現偏差都會破壞子載波之間的正交性，都會引起載波間干擾，相位噪聲也會導致碼元星座點的旋轉、擴散，形成信道間干擾。

第二，峰均比過大。由多個子載波信號組成的OFDM信號，都是不同的調制符號獨立調制而成的。這些信號的相位是由要傳輸的數據序列所決定。對某些傳輸的數據，這些信號可能具有相同的相位，但幅度疊加在一起后會產生很大的瞬時峰值幅度。故OFDM調制存在一個很高的峰值因子。而峰均比過大，將會增加數模轉換和模數轉換的復雜性，會降低射頻功率放大器的效率。會在OFDM頻段內和相鄰頻段之間產生相互的干擾。

4 OFDM的應用

通過數字音頻廣播（DAB）標準，正式證明了OFDM標準在數字音頻上的巨大前景。當前國際上數字電視傳輸系統均采用了OFDM技術，歐洲在對其研究上已經更進一步，HDTV傳輸系統已經采用編碼OFDM（coded OFDM，COFDM）技術。與OFDM相比它具有更高的頻譜利用率、提高抗干擾能力，足以滿足當下電視系統的傳輸要求。在無線廣播的傳輸中，它又明顯地改善了移動中接收無線廣播效果差這一問題。

OFDM技術同樣適用于無線環境下的高速傳輸，在寬帶無線接入（BWA）中得到廣泛的開發和應用。早在1999年，IEEE802.16工作組專門就開始研究OFDM在BWA方面的應用，在2GHz～11GHzBWA的標準下，IEEE802.16a的物理層采用了OFDM技術。在BWA領域，雖然一些公司開發的項目都基于OFDM技術，但特色不一，應用也不同。例如，Wi-LAN公司的WOFDM（Wideband OFDM）；LOSPAN 公司的VOFDM（Vector OFDM）、FLARION公司的flash-OFDM Cisco，但他們主要提供低成本寬帶無線接入技術，號召采用基于OFDM的標準作為解決方案。

在不久的將來，將會出現5G，我預計，下一代移動通信系統在性能方面主要有以下要求：高傳輸速率，范圍更廣的覆蓋率，以及要具有不同速率間的自動切換能力，以保證通信質量，支持互聯網下的所有信息設備、智能家用電器等；能提供用戶定義的個性化服務，實現與固定網絡或專用網絡的無間隙連接。

作者簡介：常子霆（1996—），男，山西晉城人，沈陽理工大學學生。

王躬碩（1996—），男，山東濟寧人，沈陽理工大學學生。

銀杉（1995—），男，遼寧開原人，沈陽理工大學學生。