摘要：與傳統單載波技術相比，正交頻分復用（OFDM）技術具有頻譜利用率高和抗頻率選擇性衰落能力強等優點，是提高系統傳輸速率和可靠性的有效手段，并且隨著對OFDM技術的研究逐漸完善和成熟，OFDM技術已經得到廣泛應用。在此主要介紹了OFDM技術原理和關鍵技術，分析了OFDM技術的應用現狀，展望了在下一代移動通信中的應用和研究方向。

　　引言

? ? ? ?OFDM技術的提出已有近40年的歷史，近年來，由于數字信號（DSP）技術的飛速發展、傅里葉變換反變換、高速Modem技術等成熟技術的引入，OFDM技術作為可以高效抵抗ISI的多載波傳輸技術才引起了廣泛關注。目前，OFDM技術已經成功地被應用在非對稱數字用戶線（ADSL）、無線本地環路（WLL）、數字音頻廣播、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網等系統中。隨著人們對通信數據化、寬帶化和移動化的需求，人們開始集中精力開發OFDM技術在移動通信領域的應用，下一代移動通信的主流技術將是OFDM技術。

　　一、OFDM系統原理

　　OFDM是一種多載波傳輸技術，可以看做是傳統頻分復用（FDM）的發展。在OFDM系統中，數據經過串并轉換成N路，在N個子載波上同時傳輸，由此將頻率選擇性信道分割為一系列頻率平坦衰落子信道，符號間干擾（ISI）區域縮小為原來的1/N。與傳統FDM技術不同的是：傳統FDM系統中的各子信道之間需要保護頻帶，系統的頻譜利用率較低。而OFDM系統中的子載波在時域中相互正交，頻域相互重疊，不同子載波間不再需要保護間隔，最大地提高了系統頻譜效率。

　　圖1為OFDM系統基本模型框圖。在OFDM系統中，首先將高速輸入的串行比特流進行串/并變換，轉換成多路并行的低速數據流，然后調制到不同的子載波上進行傳輸。如果有N個子信道，OFDM符號的寬度為T，dii=0，1，N-1）為分配給每個子信道的數據符號，fi為第i個子載波的頻率，rect（t）=1,T/2，則從t=ts開始的OFDM符號可以表示為：

　　在同一個OFDM符號內，所有子載波都具有相同幅值和相位，并且都包含有整數倍個周期，而且相鄰子載波之間相差1個周期，從而保證了子載波之間的正交性。

　　在接收端對第j個子載波進行解調時，

　　由式中可以看出，對第j個子載波進行解調可以恢復出期望符號，而對其他子載波來說，由于在積分期間頻率差別i-j/T可以產生整數倍個周期，所以積分結果為零。

　　二、OFDM系統關鍵技術

　　由于OFDM系統中存在多個相互正交的子載波，而且輸出信號是多個子信道信號的疊加，所以在OFDM系統中存在以下幾方面關鍵技術。

　　1.峰均比技術

　　OFDM系統的弱點之一就是對峰值平均比比較敏感。相對于單載波系統，由于OFDM符號是多個子載波符號相加而成的，對于有N個子信道的OFDM系統來說，如果N路信號的相位相同時，所得的信號峰值功率為平均功率的N倍。當這種變化范圍很大的信號通過諸如功率放大器這種非線性部件時，信號就會發生非線性失真，產生諧波，除此之外，還會增加A/D，D/A轉換器的復雜度和準確性，因此，如何減小較大的PAR是OFDM系統面臨的重要問題之一。

　　目前減小峰均值的方法可以分為三類：信號預畸變技術，編碼技術和利用加干擾序列對OFDM符號進行加權處理以選擇峰均比較小的符號來傳輸。其中，信號預畸變技術是在信號被放大之前，首先對功率大于閾值的信號進行非線性預畸變，比如限幅、峰值加窗、峰值消除等。編碼方法是使用不會造成大峰值功率信號的編碼圖樣，但是這種方法在子載波數量較大時，編碼效率非常低。

　　2.信道估計

　　在無線通信系統中，發射機和接收機之間的傳播路徑復雜，具有很大的隨機性，很容易導致接收信號的相位、頻率和幅度的失真。所以對接收機的性能提出了很大挑戰，而信道估計器是克服這一問題的重要組成部分。通過信道估計，接收機可以得到無線信道的沖激響應從而對接收信號進行均衡。

　　信道估計算法主要有兩類：基于訓練序列的估計算法和盲估計算法。其中，基于訓練序列的估計算法就是利用發送端和接收端都已知的序列進行信道估計，由于OFDM系統的時頻二重性，既可以在時域內進行估計，也可以在頻域內進行估計。該方法容易實現，算法簡單，得到廣泛應用。為了盡量獲得精確估計值而又不浪費資源，訓練序列間隔的設置原則為：時域間隔st和頻域間隔sf應分別滿足st《1/Bd，sf《1/max，其中Bd為多普列頻移，max為最大時延。

　　盲估計利用接收數據的統計信息來實現，不需要訓練序列，所以節約了帶寬，但是該方法運算量大，不容易實現，在實時系統中的應用受到了限制。但由于其相對于基于訓練序列的估計方法提高了系統效率，所以也越來越受到關注。

　　3.同步技術

　　OFDM系統中，發射數據在N個子載波上并行傳輸，多個子載波上的數據之所以能夠實現并行傳輸而互不干擾，主要是因為各個子載波具有正交性，當由于無線信道的時變性等原因引起頻率偏差時，這種正交性受到破壞，就會導致子載波間的相互干擾。所以OFDM系統對頻率偏移非常敏感。為了不破壞子載波間的正交性，在接收端要對傳輸過程中產生的頻率偏移進行估計和補償。

　　OFDM系統中的頻率偏移有整數倍子載波間隔頻偏和小數倍頻偏。其中，整數倍頻偏的抽樣點仍然在頂點，只是子載波位置發生了改變，不會引起載波間干擾（ICI），這種頻偏引起的符號錯誤率為50%。小數倍頻偏破壞了子載波間的正交性，而引入ICI，在這種情況下，即使很小的頻偏也會帶來很大的性能損失。

　　在接收端對頻偏的估計和補償過程一般分為粗同步（捕獲）和細同步（跟蹤），即首先在時域內估計小數倍頻偏，然后在頻域內再完成整數倍頻偏的估計。

　　三、OFDM技術的優點

　　（1）在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據。OFDM技術能同時分開至少1000個數字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運行的能力將直接威脅到目前市場上已經開始流行的CDMA技術的進一步發展壯大的態勢，正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得OFDM技術深受歐洲通信營運商以及手機生產商的喜愛和歡迎。

　　（2）OFDM技術能夠持續不斷地監控傳輸介質上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數據的能力會隨時間發生變化，所以OFDM能動態地與之相適應，并且接通和切斷相應的載波以保證持續進行成功的通信。該技術可以自動地檢測到在傳輸介質下，哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信。

　　（3）OFDM技術的最大優點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。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，但是在多載波系統中，僅僅有很小一部分載波會受到干擾。對這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯。OFDM技術特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號散播的地區。高速的數據傳播及數字語音廣播都希望降低多徑效應對信號的影響。

　　（4）OFDM技術可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環境和衰落信道中的高速數據傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統總的誤碼率性能要好得多。

　　（5）OFDM技術通過各個子載波的聯合編碼，具有很強的抗衰落能力。OFDM技術本身已經利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯合編碼，可以使系統性能得到提高。

　　（6）OFDM技術可以使用硬件模塊集成基于IFFT/FFT的算法，通過這種方式實現的OFDM系統的運行速度，主要取決于硬件電路的運行速度，同時也簡化了系統實現的復雜程度。

　　（7）OFDM技術的信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環境中尤為重要；當子載波個數很大時，系統的頻譜利用率趨于2baud/Hz。

　　四、OFDM技術的缺陷

　　（1）對頻偏和相位噪聲比較敏感。OFDM技術區分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴格的正交性。頻偏和相位噪聲會使各個子載波之間的正交特性惡化，僅僅1%的頻偏就會使信噪比下降30dB。因此，OFDM系統對頻偏和相位噪聲比較敏感。

　　（2）功率峰值與均值比（PAPR）大，導致射頻放大器的功率效率較低。與單載波系統相比，由于OFDM信號是由多個獨立的經過調制的子載波信號相加而成的，這樣的合成信號就有可能產生比較大的峰值功率，也就會帶來較大的功率峰值與均值比，簡稱峰均值比。對于包含N個子信道的OFDM系統來說，當N個子信道都以相同的相位求和時，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。當然這是一種非常極端的情況，通常OFDM系統內的峰均值不會達到這樣高的程度。高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導致射頻信號放大器的功率效率降低。

　　（3）負載算法和自適應調制技術會增加系統復雜度。負載算法和自適應調制技術的使用會增加發射機和接收機的復雜度，并且當終端移動速度高于30km每小時時，自適應調制技術就不是很適合了。

　　五、OFDM技術的應用

　　目前，OFDM技術已經在眾多高速數據傳輸領域得到了應用。數字音頻廣播（DAB）標準是第一個正式使用OFDM的標準。在DAB系統中采用OFDM技術的主要原因是利用單頻網絡就可以實現大區域覆蓋，從而大大提高了系統的頻譜效率。在傳統的模擬廣播網中，要實現大面積覆蓋必須使用多個發射機，這些發射機不能工作在同一頻率。而OFDM具有很強的抗多徑干擾能力，因而使用單一頻率就可以構成同步發射網。

　　此外，由于OFDM技術在對抗多徑衰落的明顯優勢，在許多4G移動通信方案中都考慮選擇OFDM技術作為空中接口技術，如日本NTTDoCoMo提出的4G系統方案，歐洲的MATRICE計劃，中國的Future計劃等。在這些方案中，最受關注的核心技術是多天線技術與OFDM技術相結合的MIMOOFDM技術，MIMO技術與OFDM技術的結合已成為高速傳輸無線通信的基石。第一個提出MIMOOFDM系統的是D.Agrawal等，后來BenLu等也作出了進一步的研究。目前，國內外一些學者也都在對其進行如火如荼的研究。

　　六、結束語

　　高速無線通信系統設計的一個最大挑戰就是要克服無線信道帶來的嚴重頻率選擇性衰落。OFDM技術由于可以克服信道的頻率選擇性衰落，并且實現簡單高效，已經成為未來高速通信系統中的核心技術之一。