OFDM技術和CE-OFDM技術的研究

姜皓月 劉雨佳

摘要：無線通信技術的不斷發展，給人類生活帶來了極其深遠的影響。OFDM技術是第四代移動通信的核心技術之一，本文介紹了OFDM技術和CE-OFDM技術的工作原理，并對其優缺點進行了對比和分析。

關鍵詞：OFDM;CE-OFDM;4G

中圖分類號：TN957.51 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0013-02

隨著通信服務種類的不斷增加和數據傳輸速度的需求不斷增加，無線通信技術在不斷發展。在地面無線通信系統中，通信形式從2G時代的時分多址（TDMA）到3G時代的碼分多址（CDMA）再到4G時代的正交頻分多址（OFDMA），現在正向5G時代不斷發展。OFDM技術作為第四代移動通信的核心技術，具有非常廣闊的發展前景，也在不斷地發展和演變。本文將介紹OFDM技術和CE-OFDM技術的工作原理及其優缺點的對比。

1 OFDM

正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），簡稱OFDM，是多載波調制的一種。首先將一串速率較高的比特流經過符號映射模塊（QPSK）根據所采用不同的調制方式將其映射為一串數據符號。然后經過IFFT模塊將數據符號調制到若干并行的正交子載波上，再由若干正交子信道進行分別傳輸，各子信道數據流速率較低。通過在接收端采用一定技術可以將正交信號分開，可以有效降低符號間串擾（ISI）。

實現OFDM的過程如圖1所示，假設表示第個符號中第個子載波上的基帶調制復數符號，則第個OFDM符號可以表示為：

（1）

（2）

其中，是子載波個數，是OFDM的符號周期。所以就是一組在時間上的延遲，在頻域上位移的多個版本。

OFDM中采用的脈沖成型濾波器就是矩形脈沖，定義如下：

（3）

OFDM中的脈沖成型濾波器滿足如下正交條件：

（4）

為了解決衰落信道帶來的多徑效應，OFDM需要在每個符號前插入CP，而且CP長度應該大于信道的最大時延。在OFDM的接收端，去掉CP之后的第個接收信號可以表示為：

（5）

其中代表循環卷積運算，表示第時刻上的信道沖激響應，為第時刻的加性高斯白噪聲（AWGN）。通過解調可以得到：

（6）

其中和分別是信道沖激響應和加性高斯白噪聲在頻點的頻域表達形式。接收端只需要對解調信號使用簡單的單抽頭頻域均衡，也就是對解調信號乘就可以恢復出只含有AWGN的解調信號。

各子載波間存在正交關系，不同子載波在頻域上的頻譜由互相重疊的部分，但在任意子載波的中心頻率上受其他子載波的干擾為零。因此經時頻同步、信道均衡模塊對載波頻偏等非理想因素進行估計和補償后，OFDM系統在接收端做FFT后得到的各子載波仍保持良好的正交性，易于分離各子信號。由于子載波間的重疊，OFDM系統比常規FDM系統節省近一半的帶寬。

在實際傳輸中往往會存在多徑效應，各路信號時延不同，不同路徑信號疊加會造成碼間串擾（ISI）和子載波間干擾（ICI）。若要徹底消除碼間串擾，需要在相鄰符號之間加上保護間隔，且保護間隔應大于最大時延擴展時間。但增加保護間隔無法消除ICI的干擾，因此要引入循環前綴（CP）。由于多徑信道的影響，接收機接收到各路子載波的時間存在偏差，導致在FFT積分時間長度內子載波之間不再相差整數個周期，破壞了子載波間的正交性。將符號尾部與保護間隔時間相同的信號搬移到信號前方，使各路子載波在一次FFT積分長度內各子載波之間總相差一個周期，避免了信號間的干擾。

綜上所述，OFDM具有頻譜利用率高、實現復雜度低、抗衰落性能好等優點，但是OFDM系統對頻偏和相位噪聲敏感，由于各子載波相位相似，疊加信號受相同初始相位信號調制，產生較大的峰均比（PAPR）。OFDM系統的PAPR隨子載波個數的增多而增大，降低了系統能量利用率。

2 CE-OFDM

由于OFDM信號具有較大的PAPR，OFDM系統對功率放大器等設備的要求較高。CE-OFDM技術將OFDM技術與恒包絡調制技術結合起來，對OFDM信號進行恒包絡調制，使得二次調制后的信號PAPR為0dB，徹底解決了OFDM系統的峰均比問題。

CE-OFDM技術通過相位調制和解調實現恒包絡，將信號信息調制于相位之中。傳統的OFDM技術采用幅度調制，難以避免產生信號峰值疊加，導致高PAPR。而CE-OFDM是對已調幅信號進行調相，得到恒包絡信號。CE-OFDM信號變換過程如圖2所示。

CE-OFDM信號處理框圖如圖3所示，圖中陰影模塊表示CE-OFDM比傳統OFDM增加的模塊。

CE-OFDM的具有明顯的優點，解決了傳統OFDM技術對峰均比敏感的問題，通過恒包絡調制將系統的PAPR降至0dB。但是，CE-OFDM輸入的OFDM信號應為實數信號，因此，為了構成共軛對稱結構，一半的子載波承載了冗余信號，使得CE-OFDM的頻譜效率大大降低，僅為OFDM的50%。

3 結語

OFDM技術作為第四代移動通信的核心技術，具有眾多優點，但是其易產生較大峰均比。CE-OFDM技術正是針對該問題做出的改進，解決了傳統OFDM技術對峰均比敏感的問題，提高了系統能量利用率。

參考文獻

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Research on OFDM Technology and CE-OFDM Technology

JIANG Hao-yue，LIU Yu-jia

（Shandong University of? Science and Technology， Jinan? Shandong? 250031）

Abstract：The continuous development of wireless communication technology has brought about a profound impact on human life. OFDM technology is one of the core technologies of the fourth generation of mobile communication. This article introduces the working principles of OFDM technology and CE-OFDM technology， and compares and analyzes their advantages and disadvantages.

Key words：OFDM; CE-OFDM; 4G