淺析OFDM的通信技術(shù)

劉巧平

（延安大學(xué)物電學(xué)院通信工程專業(yè)，陜西延安，716000）

1 OFDM技術(shù)的基本原理

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)是一種無(wú)線信道高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它既可以看做是一種復(fù)用技術(shù)也可以看做是一種多載波技術(shù)。由于這種技術(shù)可以有效的抵抗多種干擾，因此經(jīng)常被用在容易被外界信號(hào)干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸環(huán)境中。OFDM系統(tǒng)如圖1所示。它的基本思想是：在頻域內(nèi)將給定的信道劃分成多個(gè)正交子信道，將單路串行高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成多路并行的低速子數(shù)據(jù)流，然后把每路低速子數(shù)據(jù)流調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行并行傳輸。由于每個(gè)子信道的信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬,信號(hào)在每個(gè)子信道內(nèi)只有平坦性衰落，從而可以大大減少符號(hào)間干擾ISI。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)簡(jiǎn)單。由于在OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波存在正交,于是它們的頻譜是相互重疊的,這樣不但減小了子載波（ICI）間的相互干擾,同時(shí)又可以很大限度的利用信道的頻譜資源。

2 OFDM的關(guān)鍵技術(shù)

雖然OFDM技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)；頻譜利用率高；隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與DSP技術(shù)的發(fā)展,調(diào)制解調(diào)容易實(shí)現(xiàn)；并且支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)；OFDM技術(shù)易與和其它多址方式結(jié)合使用，可以使多個(gè)用戶同時(shí)利用OFDM技術(shù)進(jìn)行信息傳輸，提高了通信質(zhì)量；并且適合高速數(shù)據(jù)傳輸。但是也存在以下缺點(diǎn)：OFDM系統(tǒng)對(duì)頻率偏移和相位噪聲很敏感；存在較高的峰值平均功率比。所以克服OFDM技術(shù)的缺陷，更好地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)才是關(guān)鍵。

1) 降低PAPR(峰值平均功率比)

因?yàn)镺FDM系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加,因此如果當(dāng)多個(gè)信號(hào)同相時(shí),所得疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比（PAPR-Peak to Average Power Ratio)。目前降低OFDM信號(hào)PAPR的技術(shù)總體上可分為三類:信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)、編碼類技術(shù)法和概率類技術(shù)(主要包括選擇映射法SLM、部分傳輸序列算法PTS等)。

信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)指在信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之前首先要對(duì)功率值大于門限值的信號(hào)進(jìn)行非線性預(yù)畸變使其不會(huì)超出放大器的動(dòng)態(tài)變化范圍從而避免較大PAPR的出現(xiàn)。最常用的信號(hào)畸變技術(shù)主要有壓縮變換技術(shù)和限幅類技術(shù)等。這些信號(hào)畸變技術(shù)的好處在于直觀、簡(jiǎn)單,但會(huì)帶來(lái)帶內(nèi)噪聲和帶外干擾,從而降低系統(tǒng)的誤比特率性能和頻譜效率。編碼類技術(shù)利用編碼將原來(lái)的信息碼字映射到一個(gè)具有較低峰均比值的傳輸碼集上,從而避開(kāi)了那些會(huì)出現(xiàn)信號(hào)峰值的碼字。該類技術(shù)為線性過(guò)程,不會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生畸變。但編碼類技術(shù)的編解碼比較麻煩，且由于在原有碼字中引進(jìn)了信息比特，從而降低了信息速率，故只適用于子載波數(shù)較少的情況。概率類技術(shù)著眼于降低信號(hào)峰值出現(xiàn)的概率，這類技術(shù)的信息冗余度很小，只需發(fā)送很少比特的額外信息。概率類技術(shù)采用的方法是線性過(guò)程，不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生畸變，并能有效降低信號(hào)的PAPR值。

2）同步技術(shù)

同步是OFDM系統(tǒng)非常重要的技術(shù)，同步性能的好壞直接影響OFDM系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。OFDM系統(tǒng)中的同步主要是：符號(hào)同步、載波同步、樣值同步。載波同步是指當(dāng)采用同步解調(diào)或相干檢測(cè)時(shí)，接收端需要提供一個(gè)與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波。符號(hào)同步是指接收端每個(gè)OFDM 符號(hào)塊的起始時(shí)刻要與發(fā)送的起始時(shí)刻相同,即保持IFFT與FFT起止時(shí)刻一致，任何符號(hào)的定時(shí)變化都會(huì)增加OFDM系統(tǒng)對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的敏感程度。樣值同步包括樣值定時(shí)同步和樣值頻率同步，其中樣值定時(shí)同步是為了使接收端確定每個(gè)樣值符號(hào)的起止時(shí)刻，樣值頻率同步則是為保證使接收端具有相同的樣值頻率而設(shè)計(jì)的。

3）信道估計(jì)

信道估計(jì)是通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，他是進(jìn)行均衡、相關(guān)檢測(cè)、解調(diào)的基礎(chǔ)。調(diào)制方式的不同需在接收端采用不同的解調(diào)方式。如果發(fā)射機(jī)采用非差分調(diào)制方案，則接收機(jī)需采用相干解調(diào)。在相干解調(diào)中每個(gè)子載波必須是同步的或者相位的偏移已知。為了在接收機(jī)上產(chǎn)生這些信息，必須進(jìn)行信道估計(jì)才能為信道傳輸系數(shù)提供估計(jì)值。

信道估計(jì)算法主要有兩類:基于訓(xùn)練序列的估計(jì)算法和盲估計(jì)算法。其中,基于訓(xùn)練序列的估計(jì)算法就是利用發(fā)送端和接收端都已知的序列進(jìn)行信道估計(jì),由于OFDM系統(tǒng)的時(shí)頻二重性,既可以在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行估計(jì),也可以在頻域內(nèi)進(jìn)行估計(jì)。該方法容易實(shí)現(xiàn),算法簡(jiǎn)單,得 到廣泛應(yīng)用。

盲估計(jì)利用接收數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息來(lái)實(shí)現(xiàn),不需要訓(xùn)練序列,所以節(jié)約了帶寬,但是該方法運(yùn)算量大,不容易實(shí)現(xiàn),在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。但由于其相對(duì)于基于訓(xùn)練序列的估計(jì)方法提高了系統(tǒng)效率,所以也越來(lái)越受到關(guān)注。

4）信道的編碼和交織技術(shù)

為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；對(duì)于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織技術(shù)，交織技術(shù)能減小信道中錯(cuò)誤的相關(guān)性。對(duì)于信道條件惡劣的環(huán)境，可以考慮級(jí)聯(lián)編碼的方法，即將多種 形式的編碼方法級(jí)聯(lián)在一起。這樣做的好處是在不增加譯碼復(fù)雜度的情況下，可以得到較高的編碼增益和糾錯(cuò)能力。級(jí)聯(lián)編碼框圖如圖2所示

可見(jiàn)，輸入數(shù)據(jù)首先在外部編碼器和交織器中進(jìn)行編碼和交織，然后在內(nèi)部編碼器和交織器內(nèi)再次進(jìn)行編碼和交織。通常內(nèi)部編碼器采用卷積碼，外部則采用分組碼（例如：RS碼），這主要是因?yàn)樵谙鄬?duì)較低的輸入信噪比下，卷積碼加維特比譯碼的性能較好一些。緊接著的外部譯碼又會(huì)將剩余的少許錯(cuò)誤糾正過(guò)來(lái)，從而保證整個(gè)通信系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

采用卷積編碼和時(shí)間交織可以使OFDM系統(tǒng)具有時(shí)間分集作用,采用卷積編碼和頻率交織使得系統(tǒng)具有頻率分集作用。所以對(duì)于無(wú)線信道來(lái)說(shuō)采用級(jí)聯(lián)編碼和交織是非常有用的。

3 結(jié)束語(yǔ)

正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它能有效對(duì)抗多徑效應(yīng)，消除符號(hào)間干擾，對(duì)抗頻率選擇性衰落 ,并且具有很高的頻譜利用率。隨著對(duì) OFDM技術(shù)的研究逐漸完善和發(fā)展, OFDM 技術(shù)必將在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

[1]陳良明,韓澤耀.OFDM-第四代移動(dòng)通信的主流技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008年3月第18卷第3期：185-186.

[2]徐慶征，彭麗等.OFDM系統(tǒng)及其若干關(guān)鍵技術(shù)研究[J].移動(dòng)通信增刊，2004年8月：75

[3]王林，江秀萍.降低OFDM信號(hào)峰均比的PTS技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43(5)：153.

[4]郭建英.OFDM關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)，2011年第02期：61.

[5]董莉霞.OFDM技術(shù)及其應(yīng)用[J].電氣化鐵道，2006年第02期：46.