浅析OFDM系统

摘 要：随着无线通信的发展，许多业务需要越来越高的数据传输速率，采用传统的单载波通信系统将很难满足系统性能要求。OFDM技术凭借它可以有效地解决信道多径效应，并且有着较高的频谱利用率的优势，成为第四代移动通信系统不可或缺的一项技术，扮演着重要的角色。到目前为止，许多通信系统都积极地采用这项技术。本文简单分析研究了OFDM的基本原理，详细说明了OFDM系统的部分重要技术。

关键词：OFDM 正交频分复用 峰均比 部分传输序列

一、OFDM的理论分析研究

阀值正交频分复用技术OFDM是4G 系统的核心技术，是一种多载波调制。它的基本思想是： 在频域内，把指定的信道分成多个正交子信道，并行传输方式是子载波采取的方法。这样的话，信道特性总体来说，它是频率选择性的，非平坦的，但是针对每个子信道来说，它们都可以近似看成是相对平坦的，进行的是窄带传输，这样一来，可以消除符号间干扰（。另外，在基带产生的时域信号上，会采取加入一个循环前缀的办法，并且对该循环前缀的长度是有要求的，最好大于最大时，并且在接收端，会想办法将这个循环前缀去掉，达到进一步减少甚至消除码间干扰ISI 的目的。

大家都知道，在低速率传输和多径效应干扰不是很严重的环境下，单载波系统能够正常工作。但是对于对数据传输速率要求比较高的宽带业务来说就不一样了，多径时延会使信号之间产生干扰，继而产生符号之间的串扰（ISI），这样的话就要求系统有很好的均衡能力。多载波技术就这样顺势产生了多载波传输的思想是这样的：把比较大的数据流解析成几个小的比特流，通过这样的方式分担到每个子数据流上的比特速率低得多了，然后用刚才形成的低比特率，低速率，多状态的符号去调制子载波，最后构成了这样一个系统，里面的符号的传输速率都不高，传输方式是并行的。这个系统可以有效地抑制这些干扰。本文重点研究的OFDM 就属于这种类型的技术。

二、OFDM 技术的基本原理

1.子载波的实现

产生OFDM 信号的过程是这样的：首先将输入的数据符号进行串并转换，基带调制然采用的方式是，快速傅里叶逆变换（IFFT）方法，最后再进行并串转换，最终得到预期的OFDM 信号。一个OFDM 符号是由多个经过调制（例如采用16QAM、QPSK 等调制方式）的子载波组成的，在一个 OFDM 符号周期内，每个子载波的周期个数都是整数，即还有一个规律，相邻的子载波之间的周期差别，正好为一个周期T通过解调后，就可以恢复出预期想要得到的符号，但是对于其他子载波而言，如果频率差别（i-j）/T，积分结果为0。这样的话，OFDM 信号的子载波之间互不干扰，符合奈奎斯特准则的。 另外从频域角度来解释正交性。在那些非零子载波中，当一个子载波频谱值在某个位置达到最大值时，其他子载波在这个位置的频谱值则为零。有了刚才说的特性，就很容易从多个重叠的符号中找到想要的信号符号。OFDM 系统有一个显著的优点，就是可以通过离散傅里叶变换（DFT）来实现调制和解调，还能够使用简单的FFT/IFFT 模块来实现，使得系统复杂度没那么高。

2.OFDM的保护间隔

频率选择性信道会对脉冲响应产生影响，这个时候它不再是单一的脉冲，而是具有一定的时间扩散性，这样就导致OFDM符号间会产生干扰。在接收端，信道的多径扩展会破坏子信道之间的正交性，这样就产生符号间干扰和子载波间干扰。由此可见，必须想办法解决多径扩展。最为常见的办法是向OFDM信号中适当加入保护间隔，让符号间干扰产生的范围尽量限制在保护间隔内。在接收端再采用一些技术将保护间隔去掉，得到预期想要得到的信号，这样的话就可以全部或部分消除ISI（子载波间干扰）的影响。 循环前缀的是保护间隔的一种。循环前缀是这样形成的：将各个OFDM信号的后Tg拷贝到OFDM信号的前面，这个前缀就很简单地形成了。符号时间的长度因为这种循环复制增加了，导致信号功率与信息速率的损失，但是与它的巨大作用相比较，这个损失是可以接受的。 FFT 积分时间循环前缀。

3.OFDM的系统实现

下图是一个完整的OFDM系统流程，下面简单地描述一下发送端和接收端的基本情况：

发送端：首先产生一串随机数，采用某种调制方式对数据进行调制，然后多调制信号进行串并变换，接着对信号进行IFFT变换和并串变换形成OFDM数据符号，最后根据实际需要加上合适长度的循环前缀，最终产生了一个合适的OFDM符号，经过D/A转换后传送出去。

接收端：接收端的过程正好与前面的过程相反，首先经过数模转换，再采取一定的办法将CP 去掉，然后进行串并转换和FFT 变换，通过解调获得所有子载波上的比特信息，最后再进行并串转换，最终就获得了预期需要的与发送数据符号相对应的接收比特流信息。

将上面这些OFDM 的过程用流程图来表示：

产生随机数--->串并转换---->调制--->IFFT操作--->增加循环前缀长度--->并串转换--->增加信道噪声--->接收端串并转换--->去除信道噪声--->FFT操作--->解调--->误比特率计算

三、OFDM技术的优点和缺点

1.OFDM技术的优点

OFDM技术之所以这么备受关注，成为4G系统的关键技术，主要是因为它的一些独特优点：

1.3带宽扩展性强 大家都知道，子载波的数量决定了OFDM系统的信号带宽，这样OFDM系统的带宽具有很好的扩展性。其中带宽的实现范围是：几百KHz到几百MHz。

1.4 频域调度和自适应 OFDM分配子载波的方式有集中式和分布式两种方式，一般情况下，集中式方式适用于速度比较低的环境，相反分布式方式适用于高速度的移动环境。

1.5 比较简单地实现MIMO技术 可以有效避免天线之间的干扰是MIMO技术的关键所在，这样可以把多个并行传输的数据流分辨出来。

2.OFDM技术的缺点

OFDM凭借着上述所说的这么多优点让它当之不愧地成为4G中最具有竞争力的技术之一，但任何事物都有2面性，OFDM技术也不例外，它也存在很多缺点：

2.1峰均比（PAPR）比较高，OFDM系统的发送信号的形成，是通过并行传输的子载波上，将上面的信号进行相加而得到的。那么肯定会出现信号之间是同相的这种情况，这个时候经过叠加的信号的瞬时功率肯定远远大于信号的平均功率，这样就产生较大的峰均功率比。

2.2 对相位噪声和频偏比较敏感，发送端和接收端的调谐振荡器，它会造成相位噪声抖动和上下行转换器、频偏以及相位噪声，这样的话会破坏子载波间的正交性。当频偏为1%时，信噪比（SNR）大约下降30dB。

四、OFDM系统的核心技术

当然在实际应用中，OFDM系统性能的实现，是需要很多其它技术来辅助的。下面简单地就几个关键技术说明一下：

1.降低峰均比PAPR技术 当PAPR值比较高时，那么它对发送端的功放的线性度要求也会相应地苛刻，最后会导致OFDM系统的性能会随着下降。为了解决这一问题，很多研究者想了很多办法设法降低OFDM的PAPR，这也是本文讨论的重点。

2.同步技术 同步性能的好坏与OFDM系统性能的好坏有着密切的联系。这里的同步包括载波同步、符号同步和样值同步，其中每种同步的作用是不一样的，同步偏差会引起ISI和ICI，这样的话，OFDM系统对同步的精度是有很高的要求。一般情况下会将它们结合起来，制造更好的效果。

3.信道编码和交织技术 在数字通信系统中，交织技术和信道编码技术应用甚广，它们有着较强的抗干扰能力。

4.自适应技术 OFDM技术还有一个比较重要的技术，那就是自适应技术。可以动态地凭借信道的频率选择性衰落情况，然后很好地给子载波分配合适的信息比特数和功率的发送大小。

5.信道时变性的影响 多普勒扩展是由信道的时变性引起的，继而它就影响到OFDM信号的正交性，那么子载波间就容易产生干扰，最后给系统的性能带来很大的危害。

本文首先对多载波调制系统（OFDM）的基本原理进行了讲解，并对它的系统实现框图进行了分析，阐述了信号的接收和发送思想，然后就离散傅立叶变换、循环前缀和保护间隔等问题作了详细地解释，最后还提到了OFDM系统的优点和缺点，并对降低峰均比PAPR，同步，和自适应等几个关键技术进行了简单的分析研究。