浅谈OFDM通信技术

　　随着通信技术的不断成熟和发展，如今的通信传输方式可以说多种多样，变化日新月异，从初 的有线通信到无线通信，再到现在的光纤通信。然而，从通信技术的实质来看，上面所述基本上都是传输介质和信道的变化，突破性的进展并不多。近年来，随着 DSP芯片技术的发展，傅立叶变换／反变换、高速Modem采用的64／128／256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护 时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，引起了广泛关注。人们开始集中越来越多的精力开 发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计第三代以后的移动通信的主流技术将是OFDM技术。

　　什么是OFDM技术呢？

　　OFDM 的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。这种技术是HPA联 盟（HomePlug Powerline Alliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并 成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

　　一、OFDM基础

　　OFDM是多载波数字调制技术，它将数据经编码后调制为射频信号。不像常规的单载波技术，如AM/FM（调幅/调频）在某一时刻只用单一频率发送单一信号，OFDM在经过特别计算的正交频率上同时发送多路高速信号。这一结果就如同在噪声和其它干扰中突发通信一样有效利用带宽。

　　其实，OFDM并不是如今发展起来的新技术，OFDM技术的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。但是，一个OFDM系统的结构非常复 杂，从而限制了其进一步推广。直到70年代，人们提出了采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。八十年 代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入九十年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。目前OFDM技术已经 被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字 视频广播（DVB）、高清晰度电视(HDTV）、无线局域网（ WLAN）等。

　　OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率 响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就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，但是每个子信道是相对平坦的，在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。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时 又提高了频谱利用率。

　　FDM技术属于多载波调制（Multi-Carrier Modulation, MCM）技术。有些文 献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率 高；而MCM，可以是更多种信道划分方法。

　　OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制用的，它的 特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量，提高数据传 输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号 进行发送。 另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。

　　二、OFDM的应用

　　近，OFDM已于几例欧洲无线通信应用中被采用，如ETSI标准的数字音频广播（DAB）、陆地数字视频广播（DVB-T）。在美国，OFDM应用于MMDS(多点多信道分布式服务)。WLAN应用标准IEEE802.11a和ETSI(欧洲通信标准委员会)的HiperLAN/2标准同样采用OFDM作为调制方式。有线应用也同样采用了基于OFDM的系统，如在xDSL中的离散多音频系统和有线调制器应用。

　　基于OFDM的AT&T固定无线宽带用户服务到2002年底计划达到1500万户。AT&T和北电网络正在考虑第四代无线网络的可行性，以EDGE(演进的增强数据)作为上行，OFDM作为下行。

　　对这些应用在物理层采用OFDM的优势在于对窄带信道简化均等，高的系统吞吐量，和噪声抑制。

　　三、OFDM结构

　　OFDM结构可根据OFDM数据处理流程分为发送部分的前向纠错编码器、交错器、星座图映射、串并转换器及接收部分的反向快速富里叶变换器、并串转换器、循环前缀插入、整形有限激励响应过滤器、数模转换等模块。

　　OFDM调制采用信道编码来抑制多径效应，数据符号映射到一个相应的星座图上(如同QPSK，QAM)，结果I和Q值存储在缓冲中，并应用了快速富里叶反变换(IFFT)。IFFT在正交载波上进行调制。数据被准备发送并被串行化另外为抵抗多径效应加上一个循环前缀。经过处理的信号被送到天线上被发送出去。

　　1．功能模块

　　（1）前向纠错(ForwardErrorCorrection)

　　信道编码采用Reed-Solomon码、卷积纠错码、维特比码或TURBO码。

　　（2）交错器

　　交错器用于降低在数据信道中的突发错误，交错后的数据通过一个串并行转换器，将IQ映射到一个相应的星座图上。

　　（3）星座图（略）

　　多载波OFDM被认为优于N个独立的由单载波调制的子频带。星座图将符号映射到相应的星座点上。这一过程产生IQ值，它们被过滤并送到IFFT上进行变换。

　　（4）缓冲

　　用于存储送到IFFT前的IQ值。IFFT可快速、高效应用离散富里叶变换功能并数学生成用于OFDM传输的正交载波。OFDM的为IFFT，IFFT调制每一个子信道到高的正交载波上，信道化后的数据注入到一个并串缓冲器，串行数据通过DAC变换为发送做准备。

　　（5）并串转换器

　　用于将并行数据转换为串行数据。

　　（6）循环前缀

　　循环前缀为单个的OFDM符号个体创建一个保护带，在信噪比边缘损耗中被丢掉以极大的减少ISI。整形有限激励响应过滤器(ShaperFIRFilter)用于整形信号。

　　2．OFDM技术优点

　　（1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎，例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约Flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大Wi-LAN工学院也开始使用这项技术。

　　(2)OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信；

　　(3)该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信；

　　(4)OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。

　　(5)OFDM技术的优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。

　　(6)可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。

　　(7)通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。

　　(8)OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。

　　(9)可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法；

　　(10)信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

　　3．OFDM技术的两个缺陷

　　（1）对频率偏移和相位噪声很敏感。

　　（2）峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率。

　　在具体设备设计制造中，各厂商采取了不同的措施来抵消其影响。

　　近年来，随着DSP芯片技术的发展，富里叶变换／反变换、高速Modem采用的64／128／256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术将被更广泛应用于宽带移动通信领域。