OFDM基本原理及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用
通過一些通俗易懂的圖形，對正交頻分復(fù)用（OFDM）的基本原理及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。首先從高的頻譜利用率和抗多徑衰落出發(fā)，先對OF DM優(yōu)點(diǎn)的基本原理進(jìn)行了闡述，然后分析了循環(huán)前綴對時(shí)間彌散信道所帶來的ISI和ICI的消除。最后,對OFDM的缺點(diǎn)進(jìn)行了說明。
關(guān)鍵詞：OFDM; DFT; 多徑衰落; ISI; ICI
Wireless Mobile Communications Based on OFDM
ZHANG Zhaoxin
(College of Electronic and Informaiton, Hebei University,Baodin g,071000,China)
Abstract：In this article, the principle of OFDM and its application in Mobile C ommunications are introduced by several straightaway pictures?Firstly ,based o n high utilization of frequency spectrum and reduced multi path fading , explains basic cause of bringing about OFDM′s advantages,secondly , analyzes ISI( Int er Symbol Interference) and ICI( Inter Carrier Interference) cance l lation brought by using Cyclic Prefix in a time dispersive channel?Introduces O FDM′s disadvantages in the end
Keywords：OFDM; DFT; multipath fading; ISI; ICI
帶寬在移動(dòng)通信中是稀缺的資源，所以必須采用先進(jìn)的技術(shù)有效利用頻率資源，同時(shí)要克 服在無線信道下的多徑衰落，降低噪聲和多徑干擾，正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）是目前非常被看好的一種技術(shù)。他是一種高效并行多載波 傳輸技術(shù)，將所傳送的高速串行數(shù)據(jù)分解并調(diào)制到多個(gè)并行的正交子信道中，從而使每個(gè)子 信道的碼元寬度大于信道時(shí)延擴(kuò)展，再通過加入循環(huán)擴(kuò)展，保證系統(tǒng)不受多徑干擾引起的碼間干擾（ISI）的影響。他可以有效對抗多徑傳播。
1 多載波傳輸
1.1 多載波基本原理
多載波就是把傳輸?shù)膸挿殖稍S多窄帶子載波來并行傳輸，多載波可以在有限的無線傳播帶寬中獲得更高的傳輸速率。多載波和單載波的差別如圖1所示。
比如要在無線環(huán)境中用BPSK調(diào)制信號(hào)，使數(shù)據(jù)速率達(dá)到10 Mb/s，最大傳輸時(shí)延為5μs，則帶寬為5 MHz。若用單載波實(shí)現(xiàn)，則符號(hào)周期Tsymb,SC= 0.2 μs，τmax=25Tsymb，SC，也就是符號(hào)間干擾會(huì)持續(xù)25個(gè)符號(hào)。而如果用128個(gè)子載波的多載波來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間就是單載波的N(128)倍，τmax=0.039NTsymb,SC(NTsymb,SC為多載波時(shí)的符號(hào)周期)，可見符號(hào)間干擾（ISI）減少了許多。
1.2 正交子載波
子載波間正交可以使載波間交疊而彼此間又不會(huì)因交疊失真。因此用正交子載波技術(shù)可以節(jié)省寶貴的頻率資源，如圖2，圖3所示。
2 正交頻分復(fù)用（OFDM）
2.1基本原理
在正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中，正交的子載波可通過離散傅里葉變換（DFT）獲得（在實(shí)際應(yīng)用中，用快速傅里葉變換FFT），OFDM的基帶信號(hào)為：
在接收端，對OFDM符號(hào)進(jìn)行解調(diào)的過程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對應(yīng)的每個(gè)子載波頻率的最大值，因?yàn)樵诿總€(gè)子載波頻率最大值處，所有其他子載波的頻譜值恰好為0（圖4為6個(gè)子載波的情況），所以可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號(hào)中提取每一個(gè)子信道符號(hào)，而不會(huì)受到其他子信道的干擾（假設(shè)有精確的同步）。
2.2 循環(huán)擴(kuò)展
因?yàn)槊總€(gè)OFDM符號(hào)中都包括所有的非零子載波信號(hào)，而且也同時(shí)出現(xiàn)該OFDM符號(hào)的時(shí)延信 號(hào)，所以無線信道間的符號(hào)間會(huì)存在干擾，如圖5所示。
在系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率給定的情況下，OFDM信號(hào)的符號(hào)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單載波的傳輸模式，正因?yàn)檫@種低符號(hào)速率使OFDM系統(tǒng)可以自然抵抗多徑傳播導(dǎo)致ISI，另外，通過在每個(gè)符號(hào)的起始位置增加保護(hù)間隔可以進(jìn)一步抵制ISI，還可以減少在接收端的定時(shí)偏移錯(cuò)誤，如圖6所示。
2.3 OFDM系統(tǒng)
圖7為傳統(tǒng)的OFDM發(fā)射接收系統(tǒng)。發(fā)送端將被傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成子載波幅度和相位的映射，并進(jìn)行離散傅里葉反變換（IDFT）將數(shù)據(jù)的頻譜表達(dá)式變到時(shí)域上，接收端進(jìn)行與發(fā)送端相反的操作，子載波的幅度和相位被采集出來并轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號(hào)。
2.4 OFDM的缺點(diǎn)
(1) OFDM對系統(tǒng)定時(shí)和頻率偏移敏感
定時(shí)偏差會(huì)引起子載波相位的旋轉(zhuǎn)，如圖8所示，而且相位旋轉(zhuǎn)角度與子載波的頻率有關(guān)，頻率越高，旋轉(zhuǎn)角度越大，如果定時(shí)的偏移量與最大時(shí)延擴(kuò)展的長度之和仍小于循環(huán)前綴的長度，此時(shí)子載波之間的正交性仍然成立，沒有ISI和ICI（信道間干擾），對解調(diào)出來的數(shù)據(jù)信息符號(hào)的影響只是一個(gè)相位的旋轉(zhuǎn)。如果定時(shí)的偏移量與最大時(shí)延擴(kuò)展的長度之和大于循環(huán)前綴的長度，這時(shí)一部分?jǐn)?shù)據(jù)信息丟失了，而且最為嚴(yán)重的是子載波之間的正交性破壞了，由此帶來了ISI和ICI，這是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題之一。
頻率偏差是由收發(fā)設(shè)備的本地載頻之間的偏差、信道的多普勒頻移等引起的，由子載波間 隔的整數(shù)倍和子載波間隔的小數(shù)倍偏移構(gòu)成。子載波間隔整數(shù)倍不會(huì)引起ICI，但是解調(diào)出來的信息符號(hào)的錯(cuò)誤率為50％，子載波間隔的小數(shù)倍的偏移由于抽樣點(diǎn)不在頂點(diǎn)，如圖9所示，破壞了子載波之間的正交性由此引起了ICI。
(2)存在較高的峰值平均功率比
多載波系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此如果多個(gè)信號(hào)相位一致時(shí)，所得的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)的平均功率，如圖10所示。因此可能帶來信號(hào)畸變，使信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，子信道間正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾。
3結(jié)語
OFDM技術(shù)以其抗多徑衰落、高的頻譜利用率等諸多優(yōu)勢成為人們研究的熱點(diǎn)，并有希望成 為第4代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。但OFDM存在兩個(gè)致命缺點(diǎn)成為OFDM應(yīng)用于移動(dòng)通信的障礙，目前，許多科研工作者正致力于此，OFDM技術(shù)也正逐步成熟起來。
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