OFDM

OFDM技术综述

现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑作用。世界各国都在致力于现代通信技术的研究和开发，而无线通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分。今天，无线通信已经成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一，而人们对无线通信业务的需要的迅速增加是无线通信技术的根本推动力。

正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。正交频分复用多载波系统采用了正交频分信道，能够在不需要复杂的均衡技术情况下支持高速无线数据传输，并具有很强的抗衰落和抗符号间干扰的能力，现在OFDM已经在欧洲的数字音视频广播，欧洲和北美的高速无线局域网系统，高比特数字用户线以及电力载波通信中得到了广泛应用。

它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N 个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。并且OFDM技术以其较高的频谱利用率和信息传输效率，以及较强的抗多径衰落的能力在无线通信领域得到广泛的应用。OFDM (正交频分复用)技术最早提出于20世纪60年代,当时的实际应用是军用无线高频通信链路。近年来,由于DSP (数字信号处理)技术飞速发展,OFDM作为一种可有效对抗码间干扰、频谱利用率高的高速传输系统,引起人们广泛关注。

数字通信中，如果发射信号的带宽超过了信道相关带宽，信号通过信道时将经历频率选择性衰落，信道呈现出频率选择衰落特性，我们称信道呈现出频率选择特性的数字通信为宽带数字通信。在宽带数字通信中，如果使用单载波调制方式，并且接收端没有采用相应的均衡处理消除频率选择性衰落，系统性能将严重恶化，甚至失去通信能力。而系统采用的信道均衡方法在复杂度和性能之间不容易很好地折衷。为此上个世纪60年代，研究人员提出了与单载波调制方式相对应的多载波调制方式，具体方法是将发射的高速数据流分配为多个低速的支数据流在多个载波上独立并行的传输，每个支数据流独立占用一个子载波，但系统共占用的带宽将小于信道相关带宽，从而各支数据流的信号经过信道将经历平坦衰落，各符号间也不存在码间干扰（ISI），多载波系统采用复杂度相对较低的信道均衡措施就能够很好的消除子载波上的平坦衰落，并且得到很好的传输性能。同时，多载波系统可以通过信道编码充分利用频率分集增益。

在使用多载波技术进行并行数据传输的发展过程中，研究人员提出了三种典型的方法对系统所占频带进行子载波划分。每一种划分方法之间最大的区别是在各个子载波上发射的信号功率谱之间是否存在重叠和重叠程度，从系统频谱利用

率的角度分别将三种子载波分割方法描述如下。

第一种方法是使用传统的成型滤波器完全分割子载波上发射信号的功率谱，将系统占用的整个频带分割为N个子载波，功率谱完全独立，并且互相不交叠。这种方法来源于传统的频分复用技术。为了减小或者消除各个子载波之间的相互干扰，按照传统的频分复用技术要求，各个子载波之间必须存在一定宽度的保护带宽，保护带宽的存在限制了系统频谱利用率的提高。于是，又提出了第二种子信道划分方法。

第二种分割方法的每个子载波使用了交错正交幅度调制技术，其各个子载波的功率谱在一3db处发生交叠，系统的频谱用率可以较第一种分割方法提高一倍。各个子载波发射信号的可分性依靠交错系统两个正交通道上发射数据的半个符号周期来获得，从而在接收端可以独立地恢复各个子载波的数据。

为了进一步提高系统频谱利用率，Chang R. W.等提出了第三种具有多个正交子载波的多载波传输系统，这样的多载波调制技术被称为OFDM技术。在OFDM 系统中，每个子载波的功率谱为sinc函数，各个子载波的功率谱通过系统时域矩形窗形成，各个子载波的功率谱紧密地相互交叠。大大提高了系统的频谱利用率。在接收端，子载波信号从接收信号中分离出来不能通过传统的滤波器组方法实现，而是通过对接收信号进行基带处理来实现，即通过基带信号处理来实现频分复用。

OFDM可以被看作一种调制技术，也可以被看作一种复用技术。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。正交频分复用OFDM最早起源于20世纪50年代中期.1971年，S. D. Weinstein和P. M. Ebert提出了用快速傅里叶变换技术实现OFDM调制，同时由于大规模集成电路技术的发展，实现高速大点数FFT的芯片面世，促进了OFDM技术的广泛应用。但是直到20世纪80年代中期，随着欧洲在数字音频广播(DAB)方案中采用OFDM，该方法才开始受到关注并且得到了广泛的应用。

OFDM是一种高效的数据传输方式，其基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是他允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波问相互正交，则可以从混叠的子载波上分离出数据信号。由于OFDM允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。

在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空

编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。包括以下类型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多带-OFDM。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。

在OFDM传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。

在过去的频分复用(FDM)系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点，OFDM采用N个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。OFDM系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调。对于N点的IFFT运算，需要实施N2次复数乘法，而采用常见的基于2的IFFT算法，其复数乘法仅为（N/2）log2N，可显著降低运算复杂度。

在OFDM系统的发射端加入保护间隔，主要是为了消除多径所造成的ISI。其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀，以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI。

OFDM系统对定时和频率偏移敏感，所以同步性能的好坏对OFDM系统的性能影响很大。OFDM系统的同步包括载波同步，样值同步和符号同步。与单载波系统相同，载波同步是为了实现接收信号的相干解调，符号同步是为了区分每个OFDM符号块的边界。因为每个OFDM符号包括N个样值，样值同步是为了使接收端的取样时刻与发送端完全一致。与单载波系统相比，OFDM系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在OFDM系统中引起ISI和ICI。

OFDM系统可等效为N个独立的并行子信道。如果不考虑信道噪声，N个子信道上的接收信号等于各个子信道上的发送信号与信道的频谱特性的频率乘积。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各个子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。信道估计器的设计主要有两个问题，一个是导频信息的选择，由无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断地发送。二是即有较低的复杂性又有良好的导频