孫華SUN Hua

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0 引言

OFDM技術(shù)又稱正交頻分復(fù)用技術(shù)。在工作時(shí)，OFDM技術(shù)先將頻域內(nèi)的信道分為若干正交字信道，并使用子載波對(duì)其進(jìn)行調(diào)試和整理，最終完成整個(gè)傳輸過(guò)程。與其他調(diào)試方式相比，OFDM技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在它實(shí)現(xiàn)可正交信號(hào)的高效分離，有效地避免了子信道干擾問(wèn)題的出現(xiàn)，保障了通信質(zhì)量，有效對(duì)抗多徑效應(yīng)，消除ISI，對(duì)抗頻率選擇性衰落，信道利用率高。同時(shí)，在整個(gè)通信過(guò)程中，各個(gè)子信道的帶寬都是原始信道帶寬的有機(jī)組成部分，這就保證了信道的均衡性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字寬帶通信。

OFDM可視為一種調(diào)變技術(shù)及一種多任務(wù)技術(shù)，屬于多載波傳輸方式之一，目前已被廣泛地應(yīng)用至各個(gè)領(lǐng)域。

1 OFDM技術(shù)的基本原理

1.1 OFDM系統(tǒng)的模型 OFDM系統(tǒng)的基本原理見(jiàn)圖1、圖 2。

假設(shè)存在一個(gè)調(diào)制信號(hào)，設(shè)其帶寬為B，其碼元的調(diào)制速率為R，周期為ts，信道的最大延遲擴(kuò)展為tm，且tm＞ts。OFDM技術(shù)按照一定規(guī)律將原來(lái)的信號(hào)分割為N個(gè)子信道，則此時(shí)的碼元速率變?yōu)镽/N，周期Ts=Nts，此時(shí)OFDM技術(shù)使用分割后的的信號(hào)對(duì)其相對(duì)應(yīng)正交的子載波進(jìn)行調(diào)制，從而得到最終的譜頻。在進(jìn)行信號(hào)接收時(shí)，受多徑環(huán)境下碼元串?dāng)_的影響，子載波的正交狀態(tài)一般穩(wěn)定性較差，容易受外界干擾，而OFDM技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了發(fā)送前的碼元保護(hù)，從而有效地消除了干擾影響，保證了傳輸效率和質(zhì)量。

圖1 OFDM系統(tǒng)發(fā)射端的基本原理圖

圖2 OFDM系統(tǒng)接收端的原理圖

1.2 OFDM系統(tǒng)正交性原理根據(jù)以上論述可知，只要確定各子載波間隔合理即可使OFDM信號(hào)保持良好的正交狀態(tài)。為進(jìn)一步驗(yàn)證此原理的科學(xué)性，選取一個(gè)包含6個(gè)子載波的OFDM符號(hào)，并使每個(gè)子載波在其一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)均包括若干個(gè)整數(shù)倍的周期，且相鄰子載波各差一個(gè)周期，具體來(lái)看就是

假如對(duì)第j個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，然后在時(shí)間長(zhǎng)度T 內(nèi)進(jìn)行積分，即

由此可見(jiàn)，在調(diào)解時(shí)當(dāng)調(diào)節(jié)至第j個(gè)子載波時(shí)即可得到期望符號(hào)dj。同時(shí)，由于其間隔內(nèi)頻率差為（i-j）/T，符合整數(shù)倍周期這一原則，因此最終積分為零。

1.3 OFDM系統(tǒng)性能 ①抗脈沖干擾。與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)擁有更強(qiáng)的抗干擾性能，有效地分散了脈沖噪聲，極大地提升了信號(hào)傳輸效率。②抗多徑傳播與衰落。OFDM系統(tǒng)通過(guò)分散信息，使得各個(gè)子載波的符號(hào)速率也隨之下降，從而延長(zhǎng)了符號(hào)周期，同時(shí)使用保護(hù)間隔以及時(shí)域均衡等方式大大減少了符號(hào)間的干擾，具體見(jiàn)圖3。③頻譜利用率。一個(gè)OFDM信號(hào)包含N個(gè)信號(hào)，且每一信號(hào)譜頻函數(shù)均與相鄰信號(hào)重疊，具體見(jiàn)圖4。

圖3 保護(hù)間隔原理

圖4 OFDM信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)

比特速率與采用的調(diào)制方式有關(guān)，若信號(hào)星座點(diǎn)數(shù)為M，則比特率為

因此OFDM的頻譜利用率為：

通過(guò)以上計(jì)算和比較，發(fā)現(xiàn)DFOM系統(tǒng)使用MQAM方式進(jìn)行調(diào)制時(shí)，其頻譜利用率高出串行系統(tǒng)近一倍。

2 OFDM技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)

2.1 具有較強(qiáng)的抗ISI能力，實(shí)現(xiàn)了多徑環(huán)境以及衰弱信道下的數(shù)據(jù)傳輸 OFDM技術(shù)利用其獨(dú)有特性，可以按照其實(shí)際需求將高速串行的數(shù)據(jù)分割為若干子信道，在降低碼元速率，保障其高速穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，也相應(yīng)地延長(zhǎng)了其周期，有效地提高了通信質(zhì)量。另外，OFDM具有較強(qiáng)的抗ISI能力，極大地減少了傳輸符號(hào)周期過(guò)長(zhǎng)帶來(lái)的多徑擴(kuò)展影響，實(shí)現(xiàn)了多徑環(huán)境以及衰弱信道下的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 抗信道衰弱能力強(qiáng) 在計(jì)算時(shí)，由于OFDM系統(tǒng)的碼元周期往往大于信道衰弱周期，這就使得衰弱常發(fā)生在某個(gè)子載波上，造成提早衰弱，影響整個(gè)通信過(guò)程。此時(shí)，可以采取聯(lián)合編碼的方式恢復(fù)正常信號(hào)傳輸，而OFDM以其良好的均衡特性實(shí)現(xiàn)了譜頻的良好均衡，它通過(guò)其特有的均衡器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了譜頻均衡，大大簡(jiǎn)化了接受的復(fù)雜性。

2.3 計(jì)算能力強(qiáng) 由于DFOM的計(jì)算能力較強(qiáng)，且擁有高效便捷的計(jì)算方法，提高了計(jì)算效率。當(dāng)子載波數(shù)量較多時(shí)，DFOM可以采用FFT算法減少計(jì)算程序，降低計(jì)算的復(fù)雜性和難度，提高了其實(shí)用性，擴(kuò)大了其適用范圍。

2.4 信道利用率高 通常情況下在OFDM系統(tǒng)中的各個(gè)子載波呈正交關(guān)系。當(dāng)碼元的主要組成為矩形脈沖時(shí)，其各子載波的頻譜皆呈現(xiàn)型，碼元的峰值與其他各個(gè)子載波的零點(diǎn)相重合，在此情況下各頻譜相互重疊最終形成一個(gè)矩形，具有很高的利用率。

3 OFDM技術(shù)的發(fā)展

隨著無(wú)線通信需求的高速增長(zhǎng)，頻譜資源的稀缺與實(shí)際頻譜固定分配機(jī)制造成的頻譜總體利用率偏低之間的矛盾是制約未來(lái)移動(dòng)通信快速發(fā)展的瓶頸。認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio，CR）技術(shù)能主動(dòng)感知無(wú)線通信環(huán)境，動(dòng)態(tài)地接入未被授權(quán)用戶使用的空閑頻段，為解決上述矛盾開(kāi)辟了一條嶄新的途徑。OFDM技術(shù)將整個(gè)頻帶分成眾多子載波，易于實(shí)現(xiàn)頻譜資源的有效控制和利用。OFDM眾多的子載波信號(hào)，具有靈活配置的特點(diǎn)，所以應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線電時(shí)，只需要根據(jù)感知的無(wú)線電環(huán)境決定子載波信號(hào)的開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中的高速傳輸。

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