常子霆　王躬碩　銀杉

摘 要：OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）正交頻分復(fù)用是HPA（HomePlug Powerline Alliance）聯(lián)盟工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將載波的不同頻率中的信號合并成單一的信號，完成信號的傳送。由于這種技術(shù)具有良好的抗干擾能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。由于OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，直到20世紀70年代，人們可以利用傅立葉變換來實現(xiàn)多個載波的調(diào)制，才大大簡化了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得這項技術(shù)更趨于實用化。80年代，人們將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速MODEM。進入90年代，OFDM技術(shù)的研究已經(jīng)涉及無線調(diào)頻信道的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻和民用通信系統(tǒng)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用；OFDM；信號合成；高速MODEM

1 OFDM技術(shù)由來

OFDM是MCM（Multi Carrier Modulation）多載波調(diào)制的一種。由于一個信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號所需的帶寬要寬得多。將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子信道，每一個子信道傳輸不同頻率的信號。保證了各路信號互不干擾，這也就是FDM（Frequency-division multiplexing）頻分多路復(fù)用技術(shù)，早在20世紀70年代，韋斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人應(yīng)用傅里葉變換研制了一個完整的多載波傳輸系統(tǒng)，叫做正交頻分復(fù)用OFDM系統(tǒng)。而OFDM正是由FDM演變而來。OFDM應(yīng)用DFT和IDFT方法解決了多載波傳輸系統(tǒng)發(fā)送和傳送的問題。并使多載波傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度大大降低。從此OFDM技術(shù)開始走向?qū)嵱?。在通信系統(tǒng)中，成為復(fù)雜度低、應(yīng)用廣、性價比高的一種多載波傳輸技術(shù)。

2 OFDM主要思想

將信道分成若干流通數(shù)據(jù)流的子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，將其在子信道上進行傳輸。為了減少子信道之間的相互干擾，我們通常在信號的接收端將其分開，使每個子信道上的信號帶寬小于信道相對應(yīng)的那一部分的帶寬，信道均衡變得相對容易，故每個子信道上可以看成是信道的平坦性衰落造成的，于是就可以消除碼間串?dāng)_。

通常，在向超三代移動通信系統(tǒng)B3G（Beyond Third Generation in mobile communication system）以及第四代移動通訊技術(shù)4G（Beyond Forth Generation in mobile communication system）演變的過程中，OFDM結(jié)合了分集、時空編碼、信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)最大限度地提高了系統(tǒng)性能。

在OFDM傳播過程中，高傳輸速率的信息數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對較低的子信道中，為了減少因無線信道多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的碼間干擾，需要將每個子信道中的符號周期相對增加，在引入保護間隔后，將保護間隔設(shè)置為大于最大多徑時延，可以最大限度地消除多徑帶來的符號間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護間隔，還可避免多徑帶來的信道間干擾。

3 OFDM優(yōu)缺點

OFDM作為通信方面在3G、4G中被運用，其有很多不可替代的優(yōu)勢：

第一，傳輸數(shù)據(jù)量不會因為帶寬的寬度而受到限制，在帶寬寬度較低時也能夠發(fā)送大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)具有良好的抗干擾能力，在干擾的信號周圍可以安全運行。

第二，OFDM技術(shù)可以持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的變化量，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會隨時間而變化，OFDM技術(shù)可以很好地與之相適應(yīng)，并且可以通過控制接通和切斷相應(yīng)的載波來保證持續(xù)地進行通信。

第三，可以自動地檢測到傳輸介質(zhì)中存在信號衰減或干擾脈沖較為強烈的部分，然后采取合適的調(diào)制措施來使數(shù)據(jù)成功通信；

第四，由于OFDM技術(shù)使用的是多載波系統(tǒng)，因而，其不會發(fā)生在單載波系統(tǒng)中單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€通信鏈路失敗這種情況，具有頻率選擇衰落性。

第五，可以有效地對抗信號波形之間的相互干擾，在多徑環(huán)境和衰落信道中，當(dāng)高速傳輸?shù)男盘柍霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波會受到影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)的誤碼率將會變得很低。

第六，通過將子載波進行聯(lián)合編碼，因此通過OFDM傳輸?shù)男盘柧哂泻軓姷目顾ヂ淠芰?。如果衰落不是很嚴重，就沒有必要再通過均衡器等信號放大，濾波裝置將信道聯(lián)合編碼。使系統(tǒng)性能以及資源得到較大提高。

雖然OFDM有上述優(yōu)點，但是同樣其信號調(diào)制機制也使得OFDM信號在傳輸過程中存在著一些劣勢：

第一，易受相位噪聲和載波頻偏影響。OFDM系統(tǒng)對子載波之間的正交性要求極為嚴格，任何載波頻率出現(xiàn)偏差都會破壞子載波之間的正交性，都會引起載波間干擾，相位噪聲也會導(dǎo)致碼元星座點的旋轉(zhuǎn)、擴散，形成信道間干擾。

第二，峰均比過大。由多個子載波信號組成的OFDM信號，都是不同的調(diào)制符號獨立調(diào)制而成的。這些信號的相位是由要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列所決定。對某些傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這些信號可能具有相同的相位，但幅度疊加在一起后會產(chǎn)生很大的瞬時峰值幅度。故OFDM調(diào)制存在一個很高的峰值因子。而峰均比過大，將會增加數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，會降低射頻功率放大器的效率。會在OFDM頻段內(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生相互的干擾。

4 OFDM的應(yīng)用

通過數(shù)字音頻廣播（DAB）標準，正式證明了OFDM標準在數(shù)字音頻上的巨大前景。當(dāng)前國際上數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)均采用了OFDM技術(shù)，歐洲在對其研究上已經(jīng)更進一步，HDTV傳輸系統(tǒng)已經(jīng)采用編碼OFDM（coded OFDM，COFDM）技術(shù)。與OFDM相比它具有更高的頻譜利用率、提高抗干擾能力，足以滿足當(dāng)下電視系統(tǒng)的傳輸要求。在無線廣播的傳輸中，它又明顯地改善了移動中接收無線廣播效果差這一問題。

OFDM技術(shù)同樣適用于無線環(huán)境下的高速傳輸，在寬帶無線接入（BWA）中得到廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。早在1999年，IEEE802.16工作組專門就開始研究OFDM在BWA方面的應(yīng)用，在2GHz～11GHzBWA的標準下，IEEE802.16a的物理層采用了OFDM技術(shù)。在BWA領(lǐng)域，雖然一些公司開發(fā)的項目都基于OFDM技術(shù)，但特色不一，應(yīng)用也不同。例如，Wi-LAN公司的WOFDM（Wideband OFDM）；LOSPAN 公司的VOFDM（Vector OFDM）、FLARION公司的flash-OFDM Cisco，但他們主要提供低成本寬帶無線接入技術(shù)，號召采用基于OFDM的標準作為解決方案。

在不久的將來，將會出現(xiàn)5G，我預(yù)計，下一代移動通信系統(tǒng)在性能方面主要有以下要求：高傳輸速率，范圍更廣的覆蓋率，以及要具有不同速率間的自動切換能力，以保證通信質(zhì)量，支持互聯(lián)網(wǎng)下的所有信息設(shè)備、智能家用電器等；能提供用戶定義的個性化服務(wù)，實現(xiàn)與固定網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的無間隙連接。

作者簡介：常子霆（1996—），男，山西晉城人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。

王躬碩（1996—），男，山東濟寧人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。

銀杉（1995—），男，遼寧開原人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。