淺析OFDM的通信技術

劉巧平

（延安大學物電學院通信工程專業，陜西延安，716000）

1 OFDM技術的基本原理

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）技術是一種無線信道高速數據傳輸技術，它既可以看做是一種復用技術也可以看做是一種多載波技術。由于這種技術可以有效的抵抗多種干擾，因此經常被用在容易被外界信號干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸環境中。OFDM系統如圖1所示。它的基本思想是：在頻域內將給定的信道劃分成多個正交子信道，將單路串行高速數據流轉換成多路并行的低速子數據流，然后把每路低速子數據流調制到每個子信道上進行并行傳輸。由于每個子信道的信號帶寬小于信道的相應帶寬,信號在每個子信道內只有平坦性衰落，從而可以大大減少符號間干擾ISI。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對簡單。由于在OFDM系統中各個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,同時又可以很大限度的利用信道的頻譜資源。

2 OFDM的關鍵技術

雖然OFDM技術具有以下優點：抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強；頻譜利用率高；隨著大規模集成電路技術與DSP技術的發展,調制解調容易實現；并且支持非對稱業務；OFDM技術易與和其它多址方式結合使用，可以使多個用戶同時利用OFDM技術進行信息傳輸，提高了通信質量；并且適合高速數據傳輸。但是也存在以下缺點：OFDM系統對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技術的缺陷，更好地發揮其優勢才是關鍵。

1) 降低PAPR(峰值平均功率比)

因為OFDM系統的輸出是多個子信道信號的疊加,因此如果當多個信號同相時,所得疊加信號的瞬時功率就會遠遠大于信號的平均功率，導致出現較大的峰值平均功率比（PAPR-Peak to Average Power Ratio)。目前降低OFDM信號PAPR的技術總體上可分為三類:信號預畸變技術、編碼類技術法和概率類技術(主要包括選擇映射法SLM、部分傳輸序列算法PTS等)。

信號預畸變技術指在信號經過放大之前首先要對功率值大于門限值的信號進行非線性預畸變使其不會超出放大器的動態變化范圍從而避免較大PAPR的出現。最常用的信號畸變技術主要有壓縮變換技術和限幅類技術等。這些信號畸變技術的好處在于直觀、簡單,但會帶來帶內噪聲和帶外干擾,從而降低系統的誤比特率性能和頻譜效率。編碼類技術利用編碼將原來的信息碼字映射到一個具有較低峰均比值的傳輸碼集上,從而避開了那些會出現信號峰值的碼字。該類技術為線性過程,不會使信號產生畸變。但編碼類技術的編解碼比較麻煩，且由于在原有碼字中引進了信息比特，從而降低了信息速率，故只適用于子載波數較少的情況。概率類技術著眼于降低信號峰值出現的概率，這類技術的信息冗余度很小，只需發送很少比特的額外信息。概率類技術采用的方法是線性過程，不會對信號產生畸變，并能有效降低信號的PAPR值。

2）同步技術

同步是OFDM系統非常重要的技術，同步性能的好壞直接影響OFDM系統性能的優劣。OFDM系統中的同步主要是：符號同步、載波同步、樣值同步。載波同步是指當采用同步解調或相干檢測時，接收端需要提供一個與發射端調制載波同頻同相的相干載波。符號同步是指接收端每個OFDM 符號塊的起始時刻要與發送的起始時刻相同,即保持IFFT與FFT起止時刻一致，任何符號的定時變化都會增加OFDM系統對時延擴展的敏感程度。樣值同步包括樣值定時同步和樣值頻率同步，其中樣值定時同步是為了使接收端確定每個樣值符號的起止時刻，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計的。

3）信道估計

信道估計是通信領域研究的熱點，他是進行均衡、相關檢測、解調的基礎。調制方式的不同需在接收端采用不同的解調方式。如果發射機采用非差分調制方案，則接收機需采用相干解調。在相干解調中每個子載波必須是同步的或者相位的偏移已知。為了在接收機上產生這些信息，必須進行信道估計才能為信道傳輸系數提供估計值。

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。

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。

4）信道的編碼和交織技術

為了提高數字通信系統性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發錯誤，可以采用交織技術，交織技術能減小信道中錯誤的相關性。對于信道條件惡劣的環境，可以考慮級聯編碼的方法，即將多種 形式的編碼方法級聯在一起。這樣做的好處是在不增加譯碼復雜度的情況下，可以得到較高的編碼增益和糾錯能力。級聯編碼框圖如圖2所示

可見，輸入數據首先在外部編碼器和交織器中進行編碼和交織，然后在內部編碼器和交織器內再次進行編碼和交織。通常內部編碼器采用卷積碼，外部則采用分組碼（例如：RS碼），這主要是因為在相對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將剩余的少許錯誤糾正過來，從而保證整個通信系統的準確性。

采用卷積編碼和時間交織可以使OFDM系統具有時間分集作用,采用卷積編碼和頻率交織使得系統具有頻率分集作用。所以對于無線信道來說采用級聯編碼和交織是非常有用的。

3 結束語

正交頻分復用技術(OFDM)是一種多載波數字調制技術，它能有效對抗多徑效應，消除符號間干擾，對抗頻率選擇性衰落 ,并且具有很高的頻譜利用率。隨著對 OFDM技術的研究逐漸完善和發展, OFDM 技術必將在諸多領域得到廣泛應用。

[1]陳良明,韓澤耀.OFDM-第四代移動通信的主流技術[J].計算機技術與發展，2008年3月第18卷第3期：185-186.

[2]徐慶征，彭麗等.OFDM系統及其若干關鍵技術研究[J].移動通信增刊，2004年8月：75

[3]王林，江秀萍.降低OFDM信號峰均比的PTS技術[J].計算機工程與應用，2007，43(5)：153.

[4]郭建英.OFDM關鍵技術及應用[J].山西電子技術，2011年第02期：61.

[5]董莉霞.OFDM技術及其應用[J].電氣化鐵道，2006年第02期：46.