OFDM系统中的关键技术探讨(上)

1　OFDM系统的历史与现状

　　正交频分复用(OFDM)技术是高速率无线通信系统中有广阔应用前景的多载波数据通信技术，它是将高速的数据流分成并行低速数据流，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号去调制相互正交的子载波，从而形成多个低速率符号并行发送的传输系统。

　　OFDM技术的应用可以追溯到上世纪60年代，它主要用于军用高频通信系统中，例如KINEPLEX，ANDEFT和KATHRYN。但是在早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，并且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。一个简单有效的实现OFDM技术的方法是在1971年由Weinstein和Ebert提出[2]，他们使用离散傅立叶变换(DFT)来实现OFDM基带系统中的调制和解调功能，从而省去了正弦信号发生器。为了抵抗符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)，他们在符号间加入了保护间隔。但是他们的系统在色散信道上没有获得较好的正交性。另一个重要的贡献是在1980年Peled和Ruiz[3]使用循环前缀或循环后缀来解决子载波间的正交性，而不是使用空的保护间隔，他们把OFDM符号的循环扩展添加到保护间隔中，只要保护间隔大于信道的最大脉冲响应，即使在色散信道上也能获得较好的正交性。到80年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入90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，OFDM作为一种宽带无线传输技术的优势很突出，而且可以利用有效的新技术去修正和弥补OFDM的固有缺点，因而被广泛的应用于民用通信系统中，如HDSL、ADSL、VDSL、DVB、DAB、HDTV等系统。近年来，由于数字信号处理(DSP)技术的飞速发展，OFDM技术作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，更加引起了广泛的关注。

2　OFDM技术的特点

　　OFDM技术是一种多载波技术，采用多个正交的子载波来并行传输数据，并使用离散快速傅里叶变换技术实现信号的调制与解调，它的主要优点为：

　　(1)带宽利用率很高

　　在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到子信道中，各子信道频带之间严格分离，接收端通过带通滤波器滤除带外的信号来接收每个子信道上的数据，这种方法最大的缺点是频谱利用率很低，造成频谱浪费。所以，人们提出了频谱可以重叠的多载波系统。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱相互重叠，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。可以证明，当子载波个数足够大时，系统的频带利用率可达2Baud/Hz。

　　(2)可以采用快速离散傅里叶变换技术(DFT)实现调制和解调

　　在发送端采用了快速傅里叶反变换(IFFT)，把频域的调制数据转化为时域的信号发送出去。在接收端，通过快速傅里叶变换(FFT)把接收到的时域信号转化为频域信号，然后进行判决解调，恢复频域的调制信息。采用DFT技术大大降低了OFDM的实现复杂性，原先OFDM的实现需要多个调制解调器，电路十分复杂，采用DFT技术，可以快速的实现调制与解调，而且电路也变得十分简单。近年来，随着数字信号技术的迅速发展，许多DSP芯片的运算能力越来越快，更进一步推动了OFDM技术的发展。

　　(3)可以有效的对抗符号间干扰和突发噪声

　　OFDM系统采用多个正交的子载波并行传输数据，原先速率很高的数据流经过串并变换后，调制到各个子载波上进行并发传输，这样在每一路上的数据速率大大降低了，那么在衰落信道中所受到的ISI干扰就相对小多了。此外，OFDM采用了添加保护间隔的方法，即复制OFDM符号中最后面的样点到最前面，这样可以有效的抵抗多径衰落的影响，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。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。

　　(4)可采用联合编码技术，使系统具有很强的抗衰落能力

　　通过对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。

　　(5)支持动态比特分配方法

　　由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比比较高的子信道，从而提高系统的性能。

　　(6)可与多种接入方式结合使用

　　OFDM系统可以容易与其他多种接入方法结合使用，构成OFDMA系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传递。

3　OFDM系统的关键技术

　　虽然OFDM技术具有许多优点，但是OFDM系统内由于存在有多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在以下主要缺点：

　　(1)易受频率偏差的影响

　　由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号互相干扰，这种对频率偏差敏感是OFDM系统的主要缺点之一。

　　(2)存在较高的峰值平均功率比(PAPR)

　　与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。

　　因此，相应的，降低OFDM的PAPR和同步技术成为OFDM的关键技术，这两个关键技术如果解决得不好，就会使OFDM整体性能下降，所具有的各种优点也无法得到充分的体现。

　　3.1　降低PAPR的技术

　　目前，降低OFDM的PAPR的技术主要有三类：

　　第一类是采用信号预畸变技术[4][5]，即在信号经过放大之前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变，包括限幅、峰值加窗或者峰值消除等操作。这些信号畸变技术的好处在于直观、简单，但信号畸变对系统性能造成的损害是不可避免的。非线性畸变方法中最简单的方法是采用剪切滤波的方法，对OFDM信号中幅度超过规定值的部分进行剪切，但是剪切使OFDM信号产生了失真，频谱的带外辐射分量较大，因此剪切后需要滤波，滤除频谱的带外分量，滤波后又会使OFDM信号的PAPR回升，同时接收端误码率上升，因此要选择合适的剪切门限以及合适的滤波器，兼顾OFDM信号的频谱、PAPR、BER，在三者之间进行折衷。

　　第二类是编码的方法[6][7]，即避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样。这种方法的缺陷在于，可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量较大时，编码效率会非常低。已有文献采用Golay互补码可以显著的降低OFDM的PAPR，使PAPR小于3dB，并且接收端可以利用冗余信息进行纠错，降低BER，但是采用编码的方法大大降低了信息速率。

　　第三类是利用不同的加扰序列对OFDM符号进行加权处理，从而选择PAPR较小的OFDM符号来传输，如采用选择性映射(SLM)方法[8]和部分传输序列(PTS)方法[9]，这两种方法都是以减少OFDM大信号出现的概率为目标。发送端产生包含同一信息序列的多个序列，从中寻找PAPR最小的序列作为发送序列，同时只需要发送很少比特的额外信息来通知接收端发送端采用了哪个序列，使接收端正确的恢复原先的数据。