淺析OFDM技術及其應用

◆唐 昊 韓東洪 周 蕊

淺析OFDM技術及其應用

◆唐 昊１韓東洪１周 蕊２

（１.重慶郵電大學計算機科學與技術學院 重慶 400065；2.深圳大學數學與統計學院廣東 518061）

正交頻分復用（OFDM）是一種將高速傳輸的串行數據經過頻分復用，從而達到并行傳輸目標的多載波傳輸技術。首先回顧了該技術的發展歷史，然后對該技術的基本原理、實現方法以及系統框架進行了闡述，最后總結了該技術的優缺點以及應用領域。

正交頻分復用；快速傅立葉變換；移動通信

0 引言

在當代社會，隨著新媒體的蓬勃發展，數據傳輸的速率、質量的重要性日益顯著。正交頻分復用（OFDM）是一種多載波傳輸技術，通過頻分復用實現高速串行數據的并行傳輸，它具有較好的抗多徑衰弱的能力，能夠支持多用戶接入。這種技術的前身可以追溯到70年前，由G.A.Doelz等人為了能夠在嚴重多徑衰弱中實現數據的傳輸，設計了Kineplex系統，使用了差分QPSK調制，這種實現方法和現代的OFDM技術非常類似，但是這個系統的子載波頻譜并沒有經過濾波；于是，R.W.Chang在1966年研究了如何在多載波通信系統中讓將經過濾波的子載波保持正交[1]，但當時實現起來的難度高，發展較為緩慢；在20世紀70年代初期S.B.Weistein和P.M.Ebert等人實現了將離散傅立葉變換[2]應用在OFDM調制中的方法，大大降低了多載波技術的實現的復雜度，這也加快了OFDM技術走向實際應用的步伐；80年代末期，人們更深入的研究了數字移動通信這一領域的相關技術,如多載波調制技術等，L.J.Cimini首次將OFDM技術帶到蜂窩移動通信系統中，發現OFDM在移動通信中存在問題，并且提出了解決方案，從此OFDM在無線移動通信領域的應用迅速發展。近年來，由于數字信號處理技術和大規模集成電路(LSI)的迅速發展，在載流子數高達幾千個的情況下，離散傅里葉變換(DWT)也可以通過專用芯片實現。OFDM技術在高速數據傳輸領域，也起到重要的作用.國際電工電子工程學會的IEEE802.11和歐洲電信標準會Hiper -LAN2 兩大無線局域網標準將正交頻分復用作為其物理層關鍵技術，正交頻分復用（OFDM）目前主流的第四代移動通信系統（4G）中，也發揮著不可忽略的重要作用。

1 OFDM技術概述

1.1 OFDM技術基本原理

OFDM的核心思想是，首先，把整個信道的總帶寬分成許多正交子的信道，然后將高速串行的數據信號，轉換成并行的低速子信號，接著用這些并行的低速子信號分別調制N路相互正交的子載波，從而實現信號在這些子信道中的同步傳輸。

1.2 實現方法

在發送端，串行的數據流經過編碼、調制以及串并轉換之后，送入運算單元進行快速傅立葉逆變換（IFFT），將頻域上的基帶信號生成等效的時域上的基帶信號為（式中、分別對應為頻域上和時域上的離散點，代表總載波數量）：

在實際應用中，為了抑制碼間干擾（ISI）的影響，還要在符號之前插入大于最大時延擴展的保護間隔（GI），同時可以保證符號之間的多徑分量不會相互干擾。然后再放入信道進行傳送。

在接收端，在去掉保護間隔時間內添加的循環前綴(CP)、串并轉換之后，然后再對剩余的信號進行傅立葉變化（FFT），同時進行信計，再對FFT的解調值和信道估計值進行相干檢測，恢復出原始比特流。去除循環前綴（CP）之后，然后再經FFT變換，最后信號表現為：

整個過程的系統框架如圖1。

1.3 OFDM技術的優缺點

1.3.1 優點

( 1 ) 頻譜效率高：各個子波具有正交性因此允許相互重疊，節省了頻譜資源；

( 2 ) 抗干擾能力強：每個子載波上的信道可以看作水平衰落信道，克服了多徑效應引起的ICI[3]；

( 3 ) 傳輸數據速率高：通過并行傳輸數據。

圖1　OFDM實現系統框圖

1.3.2 缺點

( 1 ) 對頻率偏移敏感：對于OFDM系統，射頻收發載頻不一致和信號頻率發生偏移會影響子載波之間的正交性，進而導致ICI，影響系統性能。

( 2 ) 存在較高的峰值平均功率比（PARR）[4]：OFDM的子載波信號疊加容易產生一個高峰幅度，這就要求配備線性范圍更寬的放大器。如果功率放大器范圍達不到則會破壞子載波正交性，導致ICI等問題。

2 OFDM的應用

OFDM技術憑借上述的這些優點，在很多技術領域已經得到了廣泛的應用，表現在以下方面。

2.1 在數字音頻、視頻廣播業務方面，

數字音頻廣播(DAB)與模擬廣播相比可以提高更高質量的語音數字業務，在1995年，歐洲電信標準協會通過了第一個DAB標準—ETS300401。此外，日本的ISDB-T和美國的IBOC方案也都包括了OFDM技術，在數字視頻廣播（DVB）的DVB-T標準中OFDM技術也得到了應用。

2.2 在無線局域網領域

在高速無線局域網的相關標準中，OFDM技術應用在了HiperLAN/2物理層中，同時IEEE802.11標準的ISM頻段中，在2.4GHz和5.8GHz兩個頻段均采用了該技術的IEEE802.11a和IEEE802.11g標準。

2.3 在4G蜂窩系統方案中

在考慮設計4G蜂窩網絡的系統中的空中接口時，OFDM技術憑借自身在對抗多徑衰弱方面有著顯著的優勢而被采用。如日本NTT DoCoMo以及中國的FuTURE方案等，大大提高了系統的性能。

2.4 第五代移動通信（5G）中的應用

與OFDM技術相比，OQAM-OFDM技術更低帶外頻譜泄露[5]，因此也成為5G關鍵技術的重要組成部分。由于OQAM-OFDM技術對各載波之間不需要同步，要求沒有OFDM那么嚴格，因此具有更好的兼容性，從而適應更多的業務需求[6]。此外，5G統一空中接口技術F-OFDM也是以OFDM技術為核心，F-OFDM的子帶濾波器能抑制子帶帶外頻譜泄露。

[1]Chang R W. Synthesis of band‐limited orthogonal sig-nals for multichannel data transmission[J]. Bell System Tech-nical Journal，1966，45(10)：1775-1796.

[2]Weinstein S，Ebert P. Data transmission by frequency-division multiplexing using the discrete Fourier transform[J]. IEEE transactions on Communication Technology，1971，19(5)：628-634.

[3]OFDM系統中的載波干擾抑制技術研究與仿真[D].電子科技大學，2013.

[4]張軍.OFDM系統峰值平均功率比的研究[D].蘭州大學，2007.

[5]張凱，薛倫生，陳西宏，等.基于壓縮感知的OQAM/OFDM系統POP方法信道估計[J].測控技術，2017，36(12)：33-38.

[6]陳達.OQAM-OFDM無線通信系統關鍵技術研究[D].華中科技大學，2015.015