1、正交频分复用(OFDM)技术分析摘要：2010 年底，ITU 将公布第四代移动通信（4G）全球标准，两大阵营（3GPP 和 IEEE）提交的两种主要标准分别为 LTE 和 820.16m，而且两种标准都使用了正交频分复用技术作为无线空中接口技术。本文将研究正交频分复用技术的原理及优缺点。 关键词：4G 正交频分复用 中图分类号：D035.39 文献标识码：A 文章编号： 1 前言 第四代移动通信不久将正式商用，为移动用户提供高速的移动互联业务。为了实现高速移动数据服务，两大 4G 阵营的第四代移动通信标准都抛弃了第一、二、三代移动通信标准使用的 FDM、TDM、CDM 等复用技术，不约而同的选
2、择了 OFDM 技术。 2 OFDM 发展过程 正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术属于多载波调制（Multi-Carrier Modulation，MCM）技术的一个特例，具备高速率传输信息的能力。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的
3、带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 OFDM 技术其实不是一个全新的技术，早在上世纪 40 年代就提出了多载波调制系统，70 年代该技术进一步发展，衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的 OFDM 系统，但是由于由于 OFDM 的各个子载波之间相互正交，采用 FFT（傅立叶变换）实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素制约了 OFDM 技术的实现。到了 90 年代，随着DSP 芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应用，OFDM 技术得到了发展。 3 OFDM 基本
4、原理 OFDM 基本原理是将信号分割为 N 个子信号（见图 1、图 2） ，然后用 N 个子信号分别调制 N 个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。OFDM 每个载波所使用的调制方法可以不同，各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如 BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM 等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。 图 1、 传统 FDM 频谱 图 2、OFDM 频谱 在发射端（见图 3） ，首先对比特流进行 QAM 或 QPSK 调制，然后依次经过串并变换和 IFFT 变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“
5、循环前缀” ） ，形成 OFDM 码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。 图 3、OFDM 发射机原理 当接收机（见图 4）检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过 FFT 变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是 QAM 或 QPSK 的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。 图 4、OFDM 接收机原理 4 OFDM 技术优点 4.1 频谱利用率高 频谱效率比串行系统高近一倍（见图 5） 。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM 信号的相邻子载
6、波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近奈奎斯特极限。以 OFDM 为基础的多址技术 OFDMA （正交频分多址）可以实现小区内各用户之间的正交性，从而有效地避免了用户间干扰。这使 OFDM 系统可以实现很高的小区容量。 图 5、OFDM 频谱利用率高 4.2 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强 由于 OFDM 系统把数据分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。 4.3 适合高速率传输 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道，每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率
7、使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理” ，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送的原则。 4.4 抗衰落能力强 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。OFDM 技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。4.5 带宽扩展性强 由于 OFDM 系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此 OFDM系统具有很好的带宽扩展性。小到几百 kHz，大到几百 MHz，都很容易实现。尤其是随着移动通信宽带化(将由 5MHz 增加到最大 20MHz)，OFDM 系统对大带宽
8、的有效支持，成为其相对于单载波技术(如 CDMA)的“决定性优势” 。 4.6 实现 MIMO 技术较简单 由于每个 OFDM 子载波内的信道可看作水平衰落信道，多天线(MIMO)系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平(随天线数量呈线性增加)。相反，单载波 MIMO 系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于 MIMO 技术的应用。 5OFDM 技术缺点 5.1 对频偏和相位噪声比较敏感。 OFDM 技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅 1的频偏就会使信噪比下降 30dB。因此，OFDM 系统对频偏和相
9、位噪声比较敏感。5.2 功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低 与单载波系统相比，由于 OFDM 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。对于包含 N 个子信道的 OFDM 系统来说，当 N 个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的 N 倍。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。 5.3 负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度 负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度每小时高于 30
10、 公里时，自适应调制技术就不是很适合了。 6OFDM 技术在其他领域的应用情况 6.1 高清晰度数字电视广播中的应用 数字音频广播（DAB）标准是第一个正式使用 OFDM 的标准。另外国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中就包括 OFDM 技术，欧洲 HDTV 传输系统已经采用 COFDM（编码 OFDM）技术。它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。选择 OFDM 作为数字音频广播和数字视频广播（DVB）的主要原因在于 OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。 6.2 无线局域网中的应用 WLAN 物理层应用了 OFDM 和链路自适应技术，媒
11、体接入控制（MAC）层采用面向连接、集中资源控制的 TDMA/TDD 方式和无线 ATM 技术，最高速率达 54Mbps，实际应用最低也能保持在 20Mbps 左右。另外，IEEE802.11 无线局域网工作于 ISM 免许可证频段，分别在 5.8GHz 和2.4GHz 两个频段定义了采用 OFDM 技术的 IEEE802.11a 和 IEEE802.11g 标准，其最高数据传输速率提高到 54Mbps。 技术的不断发展，引发了融合。一些 4G 的关键技术，如 OFDM 技术、MIMO 技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线局域网中，以提升 WLAN 的性能。如 802.11a 和 80
12、2.11g 采用 OFDM 调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量；802.11n 计划采用 MIMO 与 OFDM 相结合，使传输速率成倍提高。 7 总结语 从前文可见 OFDM 技术虽然还有一些需要完善和提高的地方，但是随着高速移动数据业务的发展，OFDM 技术将会受到越来越高的关注，应用也将越来越广泛，并将成为今后一段时间高速移动数据通信网的主流技术，也就需要我们更加深入的去研究该技术。 参考文献：OFDM 关键技术与应用，汪裕民，机械工业出版社 作者简介： 陆震、男、1971.03 毕业于东南大学、现就职于中邮建技术有限公司。 王小飞、男、1980.04 毕业于南京邮电学院、现就职于中邮建技术有限公司。
