浅析OFDM技术及其应用

◆唐 昊 韩东洪 周 蕊

浅析OFDM技术及其应用

◆唐 昊１韩东洪１周 蕊２

（１.重庆邮电大学计算机科学与技术学院 重庆 400065；2.深圳大学数学与统计学院广东 518061）

正交频分复用（OFDM）是一种将高速传输的串行数据经过频分复用，从而达到并行传输目标的多载波传输技术。首先回顾了该技术的发展历史，然后对该技术的基本原理、实现方法以及系统框架进行了阐述，最后总结了该技术的优缺点以及应用领域。

正交频分复用；快速傅立叶变换；移动通信

0 引言

在当代社会，随着新媒体的蓬勃发展，数据传输的速率、质量的重要性日益显著。正交频分复用（OFDM）是一种多载波传输技术，通过频分复用实现高速串行数据的并行传输，它具有较好的抗多径衰弱的能力，能够支持多用户接入。这种技术的前身可以追溯到70年前，由G.A.Doelz等人为了能够在严重多径衰弱中实现数据的传输，设计了Kineplex系统，使用了差分QPSK调制，这种实现方法和现代的OFDM技术非常类似，但是这个系统的子载波频谱并没有经过滤波；于是，R.W.Chang在1966年研究了如何在多载波通信系统中让将经过滤波的子载波保持正交[1]，但当时实现起来的难度高，发展较为缓慢；在20世纪70年代初期S.B.Weistein和P.M.Ebert等人实现了将离散傅立叶变换[2]应用在OFDM调制中的方法，大大降低了多载波技术的实现的复杂度，这也加快了OFDM技术走向实际应用的步伐；80年代末期，人们更深入的研究了数字移动通信这一领域的相关技术,如多载波调制技术等，L.J.Cimini首次将OFDM技术带到蜂窝移动通信系统中，发现OFDM在移动通信中存在问题，并且提出了解决方案，从此OFDM在无线移动通信领域的应用迅速发展。近年来，由于数字信号处理技术和大规模集成电路(LSI)的迅速发展，在载流子数高达几千个的情况下，离散傅里叶变换(DWT)也可以通过专用芯片实现。OFDM技术在高速数据传输领域，也起到重要的作用.国际电工电子工程学会的IEEE802.11和欧洲电信标准会Hiper -LAN2 两大无线局域网标准将正交频分复用作为其物理层关键技术，正交频分复用（OFDM）目前主流的第四代移动通信系统（4G）中，也发挥着不可忽略的重要作用。

1 OFDM技术概述

1.1 OFDM技术基本原理

OFDM的核心思想是，首先，把整个信道的总带宽分成许多正交子的信道，然后将高速串行的数据信号，转换成并行的低速子信号，接着用这些并行的低速子信号分别调制N路相互正交的子载波，从而实现信号在这些子信道中的同步传输。

1.2 实现方法

在发送端，串行的数据流经过编码、调制以及串并转换之后，送入运算单元进行快速傅立叶逆变换（IFFT），将频域上的基带信号生成等效的时域上的基带信号为（式中、分别对应为频域上和时域上的离散点，代表总载波数量）：

在实际应用中，为了抑制码间干扰（ISI）的影响，还要在符号之前插入大于最大时延扩展的保护间隔（GI），同时可以保证符号之间的多径分量不会相互干扰。然后再放入信道进行传送。

在接收端，在去掉保护间隔时间内添加的循环前缀(CP)、串并转换之后，然后再对剩余的信号进行傅立叶变化（FFT），同时进行信计，再对FFT的解调值和信道估计值进行相干检测，恢复出原始比特流。去除循环前缀（CP）之后，然后再经FFT变换，最后信号表现为：

整个过程的系统框架如图1。

1.3 OFDM技术的优缺点

1.3.1 优点

( 1 ) 频谱效率高：各个子波具有正交性因此允许相互重叠，节省了频谱资源；

( 2 ) 抗干扰能力强：每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道，克服了多径效应引起的ICI[3]；

( 3 ) 传输数据速率高：通过并行传输数据。

图1　OFDM实现系统框图

1.3.2 缺点

( 1 ) 对频率偏移敏感：对于OFDM系统，射频收发载频不一致和信号频率发生偏移会影响子载波之间的正交性，进而导致ICI，影响系统性能。

( 2 ) 存在较高的峰值平均功率比（PARR）[4]：OFDM的子载波信号叠加容易产生一个高峰幅度，这就要求配备线性范围更宽的放大器。如果功率放大器范围达不到则会破坏子载波正交性，导致ICI等问题。

2 OFDM的应用

OFDM技术凭借上述的这些优点，在很多技术领域已经得到了广泛的应用，表现在以下方面。

2.1 在数字音频、视频广播业务方面，

数字音频广播(DAB)与模拟广播相比可以提高更高质量的语音数字业务，在1995年，欧洲电信标准协会通过了第一个DAB标准—ETS300401。此外，日本的ISDB-T和美国的IBOC方案也都包括了OFDM技术，在数字视频广播（DVB）的DVB-T标准中OFDM技术也得到了应用。

2.2 在无线局域网领域

在高速无线局域网的相关标准中，OFDM技术应用在了HiperLAN/2物理层中，同时IEEE802.11标准的ISM频段中，在2.4GHz和5.8GHz两个频段均采用了该技术的IEEE802.11a和IEEE802.11g标准。

2.3 在4G蜂窝系统方案中

在考虑设计4G蜂窝网络的系统中的空中接口时，OFDM技术凭借自身在对抗多径衰弱方面有着显著的优势而被采用。如日本NTT DoCoMo以及中国的FuTURE方案等，大大提高了系统的性能。

2.4 第五代移动通信（5G）中的应用

与OFDM技术相比，OQAM-OFDM技术更低带外频谱泄露[5]，因此也成为5G关键技术的重要组成部分。由于OQAM-OFDM技术对各载波之间不需要同步，要求没有OFDM那么严格，因此具有更好的兼容性，从而适应更多的业务需求[6]。此外，5G统一空中接口技术F-OFDM也是以OFDM技术为核心，F-OFDM的子带滤波器能抑制子带带外频谱泄露。

[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系统中的载波干扰抑制技术研究与仿真[D].电子科技大学，2013.

[4]张军.OFDM系统峰值平均功率比的研究[D].兰州大学，2007.

[5]张凯，薛伦生，陈西宏，等.基于压缩感知的OQAM/OFDM系统POP方法信道估计[J].测控技术，2017，36(12)：33-38.

[6]陈达.OQAM-OFDM无线通信系统关键技术研究[D].华中科技大学，2015.015