移动通信抗衰落技术

OFDM在移动通信抗衰落中的应用
摘要：针对移动通信信道的衰落，人们提出了许多解决方法。

OFDM是其中比较好的一种，文章简要论述了一下OFDM的基本原理，求出子载频正交的条件，并考察了OFDM在频域中的特点。

最后论述了OFDM在应用中的优缺点。

关键词：抗衰落OFDM原理优缺点
移动通信信道是一个非常恶劣的通信环境，其中既有噪声、干扰也存在衰落，这三个方面的因素对移动通信系统的性能都会产生一定的负面影响，而其中衰落时我们最为关注的因素，因为衰落时移动信道的基本特性，信号在传输过程中会有信号的反射、折射、绕射、散射和吸收等现象，导致信号产生衰落，从而降低了信号的传输质量。

移动通信要得以实现也必须有相应的技术来克服这些因素的影响。

一般而言，提高移动通信系统性能的技术有：分集、均衡和信道编码。

分集是抗衰落的主要技术，均衡可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰，如果调制带宽超过了无线信道的相干带宽，将会产生码间干扰，并且调制信号将会展宽。

而接收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进行补偿。

若信道不理想，在已调信号频带上很那保持理想传输特性时，会造成信号的严重失真和码间串扰。

为了解决这个问题，除了采用均衡器外，途径之一就是采用多个载波，将信道分成许多子信道。

将基带马援均匀分散地对每个子信道的载波调制。

假设有10个子信道，若每个载波的调制码元速率将降低至1/10，每个子信道的带宽也随之减小为1/10。

若子信道的带宽足够小，则可以认为信道特性接近理想信道特性，码间串扰可以得到有效的克服。

随着要求传输的码元速率不断提高，传输带宽也越来越宽，今日多媒体通信的信息传输速率已经到达若干Mb/s，并且移动通信的传输信道可能是在大城市中多径衰落严重的无线信道。

为了解决这个问题，并行调制的体制再次受到重视，正交频分复用（OFDM）就是在这种形势下得到发展的。

OFDM也是一类多载波并行调制的体制。

为了提高频率利用率和增大传输速率，各路子载波的已调信号频谱有部分重叠。

各路已调信号是严格正交的，以便接收端能完全分离各路信号，每路子载波的调制是多进制调制，每路子载波的调制制度可以不同，根据各个子载波处信道特性的优劣不同采用不同的体制。

OFDM信号是一种多频率的频分
调制体制。

它具有优良的抗多径衰落能力，和对信道变化的自适应能力，使用于衰落严重的无线信道中。

设在一个OFDM 系统中有N 个子信道，每个子信道采用的子载波为)2cos()(k k k k t pif B t x ϕ+= k=0,1,2……N-1 （1） 式中：k B 为第k 路子载波的振幅，它受基带码元的调制；k f 为第k 路子载波的频率；k ϕ为第k 路子载波的初始相位。

则在此系统中的N 路信号之和可以表示为
∑∑-=-=+==101
0)2cos()()(N k N k k k k k t pif B t x t s ϕ （2）
为了使这N 路子信道信号在接收时能够完全分离，要求它们满足正交条件。

在码元持续时间s T 内任意两个在载波都正交的条件是：
⎰=++s
T i i k k
dt pif t pif 0
0)2cos()2cos(ϕϕ （3） 式（3）可以用三角公式改写成 0
)])(2cos[(5.0)])(2cos[(5.0)2cos()2cos(0
0=++++-+-=++⎰⎰⎰dt t f f pi dt t f f pi dt t pif t pif i k i k T i k i k T i i k k T s
s
s ϕϕϕϕϕϕ
（4） 它的积分结果为 0)(2)sin()(2)sin()
(2])(2sin[)(2])(2sin[=---++---+-+++++i k i k i k i k i k i k s i k i k i k s i k f f pi f f pi f f pi T f f pi f f pi T f f pi ϕϕϕϕϕϕϕϕ （5）
令式（5）等于0的条件是：
m T f f s i k =+)( 和 n T f f s i k =-)( （6）
其中m 和n 均为整数，并且k ϕ和i ϕ可以取任意值
由（6）解出，要求
s k T n m f 2/)(+= ， s i T n m f 2/)(-=
即要求子载频满足
s k T k f 2/= （7） 式中k 为整数。

且要求子载频间隔
s i k T n f f f /=-=∆ （8） 故要求的最小子载频间隔为
s T f /1m i n =∆ （9） 上面提出了子载频正交的条件，现在来考察OFDM 在频域中的特点。

设在一个信道中子载频的频率为k f 、码元持续时间为s T ，在OFDM 中，各相邻子载频的频率间隔等于最小容许间隔 s T f /1=∆ （10） 故各子载波的重叠在一起，虽然各路子载波的频谱重叠，但是实际上在一个码元持续时间内它们是正交的，如（3）。

故在接收端很容易利用此正交特性将各路子载波分离开。

采用这样密集的子载频，并且在子信道间不需要保护频带间隔，因此能够充分而利用频带。

这是OFDM 的一大优点。

在子载频受调制后，若采用的是BPSK 、QPSK 、4QSK 、64QAM 等类调制，则其各路频谱的位置和形状没有变化，仅幅度和相位有变化，故仍保持其正交性，因为k ϕ和i ϕ可以取任意值而不影响正交性，各路子载波的调制制度可以不同，按照各个子载波所处频段的信道特性采用不同的调制制度，并且可以随信道特性的变化而变化，具有很大的灵活性。

这是OFDM 的又一个重大优点。

设一OFDM 系统中共有N 路子载波，子信道码元持续时间为s T ,每路子载波均采用M 进制的调制，则它占用的频带宽度等
于
)(1Hz T N B s
OFDM += （11） 频带利用率为单位带宽传输的比特率:
)/(l o g 1
1l o g 22/Hz s b M N N B T M N OFDM s OFDM b ⋅+==η (12) 当N 很大时，
)/(l o g 2/Hz s b M O FD M b ⋅≈η （13） 若用单个载波的M 进制码元传输，为了得到相同的传输速率，则码元持续时间应缩短为N T s /，而占用带宽等于s T N /2，故频带利用率为
)/(l o g 2
12l o g 22/Hz s b M N T T M N s s M b ⋅==η （15）
比较（13）和（14）可见，并行的OFDM 体制和串行的单载波体制相比，频带利用率大约可以增至2倍
因此OFDM 存在很多技术优点：
在窄带带宽下也能够发出大量的数据。

OFDM 技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上开始流行的CDMA 技术进一步发展壮大的态势，正是由于有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM 技术深受欧洲通信运营商的喜爱和欢迎。

OFDM 技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM 能动态和它相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信。

该技术可以自动检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施使指定频率下的载波进行成功通信。

OFDM 技术特别适合使用在高层建筑、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。

高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。

OFDM技术的最大优点是对抗频率性衰落或窄带干扰。

在单载波系统中，单个衰落或干扰能导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。

对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。

可以有效的对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中高速数据传输，当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及携带的信息收影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好很多。

通过各个子载波的联合编码，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，如果不是衰落特别严重，就没有必要再加时域均衡器。

通过各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。

OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。

可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法，信道利用率很高。

虽然OFDM有上述优点，但是其信号调制机制使得OFDM 信号在传输过程中存在一些劣势：
对相位噪声和载波频偏十分敏感，这是OFDM技术的一个缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起误差。

峰均比过大，OFDM信号由多个子载波组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。

同传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子，因此OFDM信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是有要传输的数据序列决定的。

对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起而产生很大的瞬时峰值幅度。

而峰均比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。

同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在OFDM 频段内和相邻频段之间产生干扰。

所需线性范围宽，由于OFDM系统峰值平均功率比大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。