正交频分复用技术在无线局域网中的应用网络知识（通用4篇）
作者：空军第一航空学院 冯祥 梁伟洋
摘要：以正交频分复用(0FDM)为代表的多载波传输技术可以大大提高系统容量，因而受到人们的广泛关注并得到广泛的应用。介绍了OFDM的原理及其在无线局域网中的应用情况，总结了0FDM的特点。
并针对无线信道的特点介绍了一种可靠的自适应传输方案。
关键词：OFDM;无线局域网;自适应传输;通信
l引言
近年来，正交频分复用(0FDM)技术因其可有效对抗多径干扰(IsI)和提高系统容量而受到人们的极大关注，已在数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、无线局域网(WLAN)中得到应用，是第四代移动通信系统的有力竞争者。OFDM是多载波传输方案的实现方式之一，在许多文献中OFDM也被称为离散多音(DMT)调制。它通过串并变换将高速数据流分配到多个子载波上，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地提高系统容量和对抗因无线信道的时间弥散引起的ISI。通过引入循环前缀(CP)有效地消除了因多径造成的信道间干扰(ICI)，从而保持子载波间的正交性。另外，它可以利用快速傅立叶变换算法实现调制和解调，为其应用提供了可能。
2OFDM的特点
图1示出0FDM的基带模型。OFDM技术的主要优点是：可以有效对抗多径传播造成的符号间干扰，其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多;在变化相对较慢的信道上，0FDM系统可以根据每个子载波的信噪比优化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量：OFDM系统抗脉冲干扰的能力比单载波系统强。因为OFDM信号的解调是在1个很长的符号周期内积分，从而使脉冲噪声的影响得以分散;频谱利用率高，OFDM信号由N个信号叠加而成，每个信号的频谱均为Sinc函数，且与相邻的信号频谱有1/2的重叠，故其频谱利用率：
ηOFDM=N/(N+1)log2M
其中，M为星座点数。与MOAM调制方式(ηMQAM=0.5xlog2M)相比，频谱利用率提高近l倍。
与传统的单载波传输系统相比，OFDM的主要缺点是：对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统高;OFDM系统中的信号存在较高的峰值平均功率比(PAPR)使得它对放大器的线性要求很高;为了实现相干解调，必须进行信道估计。针对这些缺点，OFDM的3项关键技术即频偏估计、降低峰平比和信道估计算法成为目前的3个研究热点。
3OFDM在无线局域网中的应用
IEEE802.11a是0FDM应用于WLAN的标准。IEEE802.11a工作在5GHz频段，
利用OFDM作为物理层技术，可提供6Mb/s到54Mb/s的数据速率。为了恢复处于不同衰落环境的子载波上的信号，它在不同的子载波上采用不同码率的编码方式，主要有1/2、2/3、3/4三种码率。其中1/2编码器采用约束长度为7的卷积编码，生成多项式为(133，171)，其他二种码率通过对1/2编码器进行凿孔获得。表1给出IEEE802.11a支持的8种模式，为了对比。表中还给出了HIPERLAN/2支持的7种模式。
可以看出，IEEE802.11a中使用4种调制映射方式(BPSK、QPSK、16QAM和64QAM)。每个OFDM符号有64个子载波，其中48个传输数据，保护间隔为800ns，有效OFDM符号长度为3.2μs，总带宽为20MHz。其定时同步、载波频偏估计和信道估计都是由2个前置训练符号完成的，训练符号由二部分组成：10个短训练符号和2个长训练符号，总的训练时间长度为161xs。在选择短训练符号和长训练符号时，考虑到系统的PAPR问题，通过合理的选择训练符号。使得PAPR可以在3dB左右。
4自适应传输策略
为了进一步提高系统性能，针对无线信道的特点，很多文献对自适应OFDM技术进行了研究。包括自适应调制、编码和交织等。通过研究发现，在时间色散信道传输OFDM信号的误比特率决定于信道的频率响应，错误比特主要集中在衰落严重的子载波上，而对那些信道质量较好的子信道，误比特率很低。因此，可以根据每个子信道的情况，动态分配子载波的传输方式，对于信道质量好的子信道，采用阶数较高的调制方式和码率较高的编码方式，以提高系统的传输效率;对于信道质量较差的子信道，采用低阶调制和低码率的编码方式.从而保证系统传输的可靠性。这就是基于子载波的自适应传输技术SbSA(Subcarrierrier-by-SubcarrierAdapta-tion)。显然，为了实现自适应传输，必须包括以下3项关键技术：接收机根据导频信号估计信道质量;发射机根据信道情况选择合适的传输方式;采用信令传输或盲检测技术告诉接收机所采用的传输参数。为了使发射机选择正确的传输方式，必须使发射机收到正确的信道信息。上行链路传送的信道信息因无线信道的衰落或干扰而发生错误，就会造成发射机对信道的错误预测.从而导致选择不合适的传输方式，使系统性能下降。针对这一问题，本文介绍一种较为可靠的机制(见图2)，可以在反向链路传输发生错误的情况下，仍能选择较合适的传输方式.从而保证系统的性能。本文仍然假定信道是慢衰落信道，接收机接收的导频位置的信道状态信息(CSI)首先被量化.然后再对量化后的CSI进行循环冗余校验编码(CRC)和BPSK调制。最后将CRC后的CSI信息传给发射机，发射机如果检测到收到的CSI没有错误.就根据当前的信道状态从备择模式中选择传输模式，如果有错误，仍使用前一时刻的调制编码方式。
5结束语
从理论上说.OFDM与单载波传输具有相同的信道容量.但是当存在严重符号间干扰或者在多径信道中采用OFDM传输可获得较好的性能。近来受到国内外广泛关注的研究领域是OFDM在下一代蜂窝无线通信系统中的应用，OFDM与多天线技术(MIMO)及空时编码(STC)技术的结合可以大大提高蜂窝通信系统的性能。
到目前为止.OFDM技术已经在众多的高速数据传输领域得到成功的应用.如欧洲的数字音频和视频广播(DAB/DVB)、欧洲和北美的高速无线局域网系统f如HIPERLAN/2、IEEE802.11a1，以及高比特率数字用户线(xDSL)。当前，人们正在考虑在基于IEEE802.16标准的无线城域网、基于IEEE802.15标准的个人信息网(PAN)及下一代无线蜂窝移动通信系统中使用OFDM技术。可以预见.OFDM在未来的实际通信系统中将有广泛的应用.OFDM已经被公认为下一代蜂窝通信系统的核心技术。
光纤通信表现出两个明显的发展趋势[2]:(1)单信道传输的数据速率大大增加,趋近于100 Gbit·s-1。(2)网络必须具备很快的动态调整能力。但当数据速率达到100 Gbit·s-1时,传统的光纤分段补偿变得昂贵而耗时,对系统色散的补偿很难准确实现。而正交频分复用(OFDM)具备较高的频谱利用率、较好的抗频率选择性衰落能力和良好的计算特性,可以方便准确地对光纤色散进行补偿,因此人们考虑将OFDM技术用于光纤通信,即光正交频分复用技术(O-OFDM)。O-OFDM的各类实验和仿真也证明了其具有较好的性能,并成为100 Gbit·s-1系统中最具竞争力的调制方案。
1 OFDM基本原理
OFDM是一种多载波调制技术,基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输,从而使子载波上的符号速率大幅降低,符号持续时间大大加长,因此具有很强的抗多径衰落和窄带干扰的能力,同时子载波的频谱分布相互重叠和正交,具有很高的频带利用率[3]。如图1所示,OFDM调制包含许多相互正交的子载波,可以有效对抗频率选择性衰落。对于单载波传输,在有衰落的情况下,信号失真明显,而对于OFDM信号,频率选择性衰落仅影响系统中的一个或几个子信道,而利用信道间的相关信息可以恢复出受干扰信道上的数据。
目前,O-OFDM主要有两种类型的传输结构:相干光OFDM(CO-OFDM)和直接检测光OFDM(DDO-OFDM)[4,5,6,7,8]。CO-OFDM将相干光检测技术与OFDM结合,利用两者的优势提高传输性能,发射端采用抑制调制方式将信息序列调制到光载波上,接收端通过本地振荡器实现相干检测并最终实现信息序列的解调,适合大容量超长距离传输。DDO-OFDM是通过同时发射光载波和OFDM频带,在接收端利用光电二极管实现信号的直接检测,多用于短距离及多模光纤传输。
2 O-OFDM的研究
目前,许多公司和研究机构都在研究O-OFDM技术,其应用领域包括光接入技术和远程传输技术等[6,7,8]。自O-OFDM提出后,许多相关联的OFDM技术也被相继提出。OFDM技术在光纤通信中的应用有以下几个方面优势。
2.1 线性失真容限
OFDM调制带来的优点是可以对电信号的线性损伤进行补偿,这样就可以有效提高对色散(CD)和偏振模式色散(PMD)的容限[4,5,6,8]。不过必须看到,PMD会引起极性退化。为提高PMD容限,接收端可以采用极化分集技术。
文献[6]研究了极化分离复用OFDM技术(PDM-OFDM:Polarization Division Multiplexed OFDM)的偏振膜色散问题。传输链路选用差分群延时保偏光纤,传输速率为52.5 Gbit·s-1,传输路径选用单程循环为320 km的往返链路,当传输距离为13个单程循环时的平均PMD为300 ps。图2显示的是达到13个单程循环时传输链路的长期性能。图2的系统误码率柱状图表明,误码率在5.9×10-4～1.2×10-3之间变化,信道的平均误码率为7.5×10-4。通过对没有差分群延时的传输链路进行实验,发现系统误码率为7.5×10-4,误码性能只有细微的提高。因此可以得出,即使在平均偏振膜色散为300 ps时,基于OFDM调制的差分群延时保偏光纤仍具有令人满意的误码性能。
2.2 高阶调制模式升级
在OFDM系统中很容易实现高阶调制模式,由于信道估计是基于训练符号实现的,而训练符号与星座映射体积无关[9],因此均衡算法的复杂度不会随着星座体积的增加而上升。
OFDM技术的另一个优点是不同子载波可采用不同的星座图,即如图3所示。系统采用50 m阶跃型塑料光纤(SI-POF,Step-Index Plastic Optical Fiber),将信息自适应调制到各个子载波上,不同的子载波可以采用不同的调制方式。即使在3 dB带宽减小为50 MHz时,系统通过自适应调制技术仍然可以实现1 Gbit·s-1的信息传输。对频率选择性衰落信道来说,这种子载波自适应调制技术可以有效提高数据速率以实现其最大化。虽然单模光纤的远程传输系统没有频率选择性衰落,但为减少光纤级联产生的频率选择性问题,系统仍然选用子载波自适应调制技术。
2.3 过采样
OFDM技术在光通信中应用的主要优点是系统可以选择部分子载波进行调制和解调。图4所示为由阵列波导光栅(AWG)产生的OFDM信号频谱。该实验中AWG的采样速率为10 GHz,奈奎斯特频率为5 GHz,仅用256个子载波中的190个作为调制载波来实现过采样,高频部分的66个载波没有进行调制,于是可算得过采样因子为1.34。由于过采样,在OFDM频谱和混频区之间就形成了2.5 GHz的频谱间隙,通过低通滤波器就可以消除混频干扰。
与传统的单载波相干检测系统相比,O-OFDM对模拟数字转换器(ADC)的采样速率要求明显降低。通常单载波接收端的ADC需要2倍过采样[10],在实际应用中,单载波接收端的ADC最小过采样因子为1.5,对于PDM四进制数字相位调制(PDM-QPSK)来说,意味着ADC采样速率将在42～100 GbE之间变化。而OFDM系统中引入了循环前缀(Cyclic Prefix)和训练序列,这种额外的冗余开销不仅可以有效地对付ISI和简化系统同步,而且可以使ADC采样速率降低为波特率的1.3倍,即对于PDM-OFDM,其采样率仅为35 GS·s-1[10]。
2.4 可忽略的线性交调失真
OFDM以其固有的良好频谱成形技术使其可以忽略线性交调失真。实际上,由于可以忽略信道频率带宽间隔,系统采用准连续带宽传输模式,如图5所示,通过在8 GHz信道间隔传输8×65.1 Gbit·s-1的PDM-OFDM信号,实现了7 bits/Hz的频谱效率[8]。在该实验中采用32-QAM星座调制,从图中可以看出,在波分复用信道间无频谱间隔。尽管准连续OFDM可以有效地提高频谱利用率,但必须注意到其在具体的应用中仍然面临着诸多挑战。在目前的传输系统中,考虑到激光与光纤的波长误差和波长选择开关的使用,波分复用信道间要留有一定的间隔带宽。实际上当O-OFDM采用50 GHz的频率间隔,星座映射体积相同时,单载波调制和O-OFDM调制的频谱效率相同。
2.5 OFDM的挑战
和其他的调制方式一样,OFDM调制同样面临亟待解决的问题。在O-OFDM中,由于用到DAC和ADC来产生和检测信号,面临的主要问题是O-OFDM系统的高速数据速率对DAC和ADC提出的高要求,增加了系统复杂度和成本。另外,在OFDM系统中,当多个载波以同一方向进行累加时,会产生较大的峰值,因此要求功率放大器具有较大的线性范围,否则若信号峰值进入放大器的非线性区时就会产生信号畸变,影响系统性能,所以信号峰值功率与平均功率之比,即峰均比(PAPR)的抑制也是设计OFDM的关键。而且,OFDM使用IFFT和对应的FFT来实现调制和解调,需要系统处于线性的状态,而光调制器和放大器通常具有非线性特点,高PAPR将破坏线性关系而降低系统性能。这种非线性会产生带外功率影响以及带内干扰,后者的影响更是体现在采用多星座点映射的系统中[11]。
3 O-OFDM未来的应用
100 GbE被看作是下一代大容量骨干网络以太网标准,PDM-OFDM是该应用领域极具潜力的调制方式,而目前100 GbE的主要调制方式是单载波PDM-QPSK。如前所述,OFDM系统的优势是便于升级为高阶调制。实际上,O-OFDM在城市中的应用已经引起了人们的关注,目前主要考虑的是成本因素,通过使用高阶星座映射16-QAM取代QPSK(4-QAM)可以实现100 GbE的PDM-OFDM。高阶星座映射虽然减小了转发器的作用范围,但在城市或特定区域(800 km)的应用场合下不影响使用,而高阶星座映射在有效降低转发器成本的同时,还可以提供更强的色散和偏振膜色散度容限。另外,可以充分利用OFDM的优势,动态改变星座映射的有效载荷,比如通过将星座映射从2QAM变为16QAM,可以使转发器工作在100 GbE或者400 GbE。
4 结束语
讨论了OFDM在光通信中的应用及其未来的发展应用。将OFDM引入光传输,尤其是在高速长距离、超长跨距中使用O-OFDM,获得了良好的性能。同时,O-OFDM还存在许多技术难点需要研究解决,目前尚无商用OFDM光传输系统,国内外的一些科研机构正致力于O-OFDM的实验与理论仿真研究。随着社会信息化程度的不断提高,通信容量的不断膨胀,O-OFDM必将走向商用,成为长距离传输、干线系统的优选方案之一。
摘要：光正交频分复用(O-OFDM)是最近几年被广泛研究和关注的新技术,表现出频谱效率高、色散补偿方便有效、减小系统非线性效果明显等诸多优点。文中首先给出了OFDM的基本原理,然后研究了O-OFDM的发展历程和相关研究成果,分析了它在具体应用中的优势和面临的主要问题,最后展望了未来O-OFDM技术的应用前景。
1 引言
近些年来，以正交频分复用(OFDM)为代表的多载波传输技术受到了人们的广泛关注。多载波传输把数据流分解为若干个独立的子比特流，每个子数据流将具有低得多的比特速率。用这样低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号并行发送的传输系统。OFDM是多载波传输方案的实现方式之一，在许多文献中，OFDM也被称为离散多音(DMT)调制。OFDM利用逆快速傅立叶变换(IFFT)和快速傅立叶变换(FFT)来分别实现调制和解调，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。除了OFDM方式之外，人们还提出了许多其他的实现多载波调制的方式，如矢量变换方式、基于小波变换的离散小波多音频调制（DWMT）方式等，但这些方式与OFDM相比，实现复杂度相对较高，因而在实际系统中很少采用。
OFDM的思想最早可以追溯到20世纪50年代末期。60年代，人们对多载波调制作了许多理论上的工作，论证了在存在符号间干扰的带限信道上采用多载波调制可以优化系统的传输性能；1970年1月有关OFDM的专利被首次公开发表；1971年，Weinstein和Ebert在IEEE杂志上发表了用离散傅立叶变换实现多载波调制的方法；80年代，人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，但是由于当时技术条件的限制，多载波调制没有得到广泛的应用；90年代，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步，OFDM技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注。今天， OFDM已经在欧洲的数字音视频广播(如DAB和DVB)、欧洲和北美的高速无线局域网系统(如HIPERLAN2、IEEE 802.11a)、以及高比特率数字用户线(如ADSL、VDSL)中得到了广泛的应用。目前，人们正在考虑在基于IEEE 802.16标准的无线城域网、基于IEEE 802.15标准的个人信息网以及未来的下一代无线蜂窝移动通信系统中使用OFDM技术。
OFDM技术得到广泛应用的主要原因在于：
(1)OFDM可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰，其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多。
(2)在变化相对较慢的信道上，OFDM系统可以根据每个子载波的信噪比来优化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量。
(3)OFDM系统可以有效对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响OFDM系统的一小部分子载波。
(4)在广播应用中，利用OFDM系统可实现有吸引力的单频网络。
与传统的单载波传输系统相比，OFDM的主要缺点在于：
(1)OFDM对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高。
(2)OFDM系统中的信号存在较高的峰值平均功率比(PAR)使得它对放大器的线性要求很高。
2 正交频分复用的基本原理
2.1 系统的调制和解调
每个OFDM符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方式可以选择相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)。如果用N表示子信道的个数，T表示OFDM符号的宽度，dI(i=0,1,…,N-1)是分配给每个子信道的数据符号，fc是载波频率，则从t=ts开始的OFDM符号可以表示为：
其中式(2)的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的cos分量和sin分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。图1给出了OFDM系统调制和解调的框图，图中假定ts=0。
在图2中给出了一个OFDM符号内包括4个子载波的实例。其中所有的子载波都具有相同的幅值和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调制方式，每个子载波的幅值和相位都可能是不同的。从图2可以看到，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍的周期，而且各个相邻子载波之间相差1个周期。由图2可以看出，各子载波信号之间满足正交性。这种正交性还可以从频域角度理解。
图3给出了OFDM符号中各个子载波信号的频谱图。从图中可以看出，在每一子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。也就是说，OFDM各子载波信号之间的正交性避免了子信道间干扰(ICI)的出现。
接收端第k路子载波信号的解调过程为：将接收信号与第k路的解调载波
相乘，然后将得到的结果在OFDM符号的持续时间T内进行积分，即可获得相应的发送信号。
实际上，式(2)中定义的OFDM复等效基带信号可以采用离散逆傅立叶变换(IDFT)来实现。令式(2)中的ts=0，t=kT/N(k=0,1,…,N-1)，则可以得到：
d^k
式(3)中，s(k)即为di的IDFT运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号dI，可以对s(k)进行DFT变换，得到：
根据上述分析可以看到，OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT来代替。通过N点IDFT运算，把频域数据符号dI变换为时域数据符号s(k)，经过载波调制之后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行N点DFT运算，即可获得发送的数据符号dI。
在OFDM系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换(FFT/IFFT)来实现调制和解调。N点IDFT运算需要实施N2次的复数乘法，而IFFT可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基2 IFFT算法来说，其复数乘法的次数仅为(N/2)log2(N)，而采用基4 IFFT算法来实施傅立叶变换，其复数乘法的数量仅为(3/8)N(log2N-2)。
2.2 保护间隔和循环前缀
在OFDM系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，在每个OFDM符号之间要插入保护间隔，该保护间隔长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即保护间隔是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰(ICI)，即子载波之间的正交性遭到破坏，使不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径传播造成的ICI，我们将原来宽度为T的OFDM符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔，如图4所示。我们将保护间隔内的信号称为循环前缀(Cyclic prefix)。由图4可以看出，循环前缀中的信号与OFDM符号尾部宽度为Tg的部分相同。在实际系统中，OFDM符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。在接收端，首先将接收符号开始的宽度为Tg的部分丢弃，将剩余的宽度为T的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。 通过在OFDM符号内加入循环前缀可以保证在FFT周期内，OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期个数是整数。这样，时延小于保护间隔Tg的时延信号就不会在解调的过程中产生ICI。
2.3 加窗技术
由式(1)或式(2)所定义的OFDM信号存在的缺点是功率谱的带外衰减速度不够快。虽然随着子载波数量的增加，OFDM信号功率谱的带外衰减速度会加快，但是即使在256个子载波的情况中，其-40 dB带宽仍然是-3 dB带宽的4倍。
为了加快OFDM信号功率谱带外部分的下降速度，可以对每个OFDM符号进行加窗处理，使符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。经常被采用的窗函数是式(5)定义的升余弦窗：
其中，Ts表示加窗前的符号长度，而加窗后符号的长度应该为(1+β)Ts，从而允许在相邻符号之间存在有相互覆盖的区域。经过加窗处理的OFDM符号如图5所示。
在实际系统中，经过加窗的OFDM符号的产生过程为：首先，在Nc个经过数字调制的符号后面补零，构成N个输入样值序列，然后进行IFFT运算；将IFFT输出的最后Tprefix个样值插入到OFDM符号的最前面，将IFFT输出的最前面Tpostfix个样值插入到OFDM符号的最后面；接下来，将OFDM符号与式(5)定义的升余弦窗函数w(t)时域相乘；最后将经过加窗的OFDM符号延时Ts，与前一个经过加窗的OFDM符号相加。由图5可见，由于加窗的影响，相邻的两个OFDM符号之间会存在宽带为βTs的重叠区，其中β为升余弦窗的滚降因子。
采用了升余弦窗函数之后，可以显著提高OFDM符号功率谱带外部分的下降速度。例如，对于64个子载波的OFDM符号，加入β=0.025的升余弦窗，此时滚降区域虽然仅占符号间隔的2.5%，但却可以使-40 dB带宽减小为未加窗时的一半。需要注意的是，β值的选择要适当，选择大的β值虽然可以大大改善OFDM符号的频带效率，但同时也会降低OFDM符号对时延扩展的容忍程度。
2.4 参数选择
在OFDM系统中，我们需要确定以下参数：符号周期、保护间隔、子载波的数量。这些参数的选择取决于给定信道的带宽、时延扩展以及所要求的信息传输速率。OFDM系统的各参数一般按照以下步骤来确定：
(1)确定保护间隔
根据经验，我们一般选择保护间隔的时间长度为时延扩展均方根值的2到4倍。
(2)选择符号周期
考虑到保护间隔所带来的信息传输效率的损失和系统的实现复杂度以及系统的峰值平均功率比等因素，在实际系统中，一般选择符号周期长度是保护间隔长度的5倍。
(3)确定子载波的数量
子载波数可直接利用-3 dB带宽除以子载波间隔(即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数)得到。或者可以利用所要求的比特速率除以每个子信道中的比特速率来确定子载波的数量。
2.5 收发信机结构
OFDM系统收发信机的典型结构如图6所示。图6的上半部分是发送机的框图，下半部分是接收机的框图。因为IFFT和FFT的运算步骤非常相似，可以用相同的硬件来实现，因此将实现IFFT和FFT运算的部分放在了同一个方框图中。一般来说，在实际的OFDM系统中，发送机在IFFT调制前包括前向纠错编码、交织、QAM调制、导频插入、串/并变换等，在IFFT模块的后面包括并/串变换、插入循环前缀、加窗、数/模变换、射频调制和放大等；接收机包括射频放大和解调、模/数变换、定时同步、串/并变换、FFT解调、信道纠正、QAM解调、去交织、纠错码译码等。
2.6 与单载波传输系统的比较
采用OFDM传输系统的一个主要原因是当信道存在较大的时延扩展时，与单载波系统相比，OFDM系统的实现复杂度要低很多。单载波系统的实现复杂度主要集中于均衡器部分。一般来说，当时延扩展大于数据符号周期的10%时，在单载波系统中就必须要采用均衡器来克服符号间干扰。而在OFDM系统中，实现复杂度主要取决于IFFT/FFT的计算的复杂度。
在IEEE 802.11a标准中，系统的传输方式为具有64个子载波的OFDM，可以处理的信道最大时延扩展长度为250 ns。当系统的信息传输速率为24 Mbit/s时，如果采用单载波的GMSK调制解调器来实现以上的信息传输速率，需要具有20个前馈抽头和20个反馈抽头的判决反馈均衡器来克服信道上的符号间干扰。考虑到GMSK信号的解调仅需要复数运算的实数部分，则单载波系统每秒需要进行的实数运算次数为2×20×24×106=960×106在OFDM系统中，每个符号周期T=4μs内需要进行64点的FFT运算，如果采用基4的算法，64点的FFT将需要96次复数乘法，因此OFDM系统每秒需要进行96×106次实数运算。由此可知，单载波系统的实现复杂度是OFDM系统实现复杂度的10倍，而且这种复杂度的差异将随着带宽和时延扩展乘积的增加而显著增加。（待续）
收稿日期：2002-11-15
参考文献：
[1] Nee R V, Prasad R. OFDM wireless multimedia communications [R]. Artech House Publishers, 2000.
[2] 佟学俭. 正交频分复用(OFDM)通信系统内若干关键技术的研究[D]. 北京邮电大学博士学位论文, 2001.
[3] 罗涛. 空时编码理论及其在OFDM移动通信系统中应用的研究[D]. 北京邮电大学博士学位论文, 2002.
[4] 尹长川. 离散多载波调制理论及其应用研究[D]. 北京邮电大学博士学位论文, 1997.
作者简介：
尹长川，北京邮电大学电信工程学院副教授，工学博士，主要研究领域为OFDM技术及其在下一代蜂窝移动通信系统中的应用。现主持国家自然科学基金重大研究计划项目“基于正交频分复用的高速蜂窝因特网理论及关键技术研究”。
罗涛，北京邮电大学电信工程学院讲师，工学博士，主要研究领域为空时编码、OFDM技术以及下一代蜂窝网络技术。
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术, 该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度, 提高了抗多径衰落的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的, 需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器, 这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时, 为了减小各个子载波间的相互串扰, 各子载波间必须保持足够的频率间隔, 这样会降低系统的频率利用率。而现代OFDM系统采用数字信号处理技术, 各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成, 极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率, 使各子载波上的频谱相互重叠 (如图1所示) , 但这些频谱在整个符号周期内满足正交性, 从而保证接收端能够不失真地复原信号。
当传输信道中出现多径传播时, 接收子载波间的正交性就会被破坏, 使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为解决这个问题, 在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔, 它是由OFDM信号进行周期扩展得到的。只要多径时延不超过保护间隔, 子载波间的正交性就不会被破坏。
2 OFDM系统的实现
由上面的原理分析可知, 若要实现OFDM, 需要利用一组正交的信号作为子载波。我们再以码元周期为T的不归零方波作为基带码型, 经调制器调制后送入信道传输。
OFDM调制器如图2所示。要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了M个复数序列, 此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为T的M路并行码, 码型选用不归零方波。用这M路并行码调制M个子载波来实现频分复用。
在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调, 恢复出原始信号。OFDM解调器如图3所示。
然而上述方法所需设备非常复杂, 当M很大时, 需要大量的正弦波发生器, 滤波器, 调制器和解调器等设备, 因此系统非常昂贵。为了降低OFDM系统的复杂度和成本, 我们考虑用离散傅立叶变换 (DFT) 和反变换 (IDFT) 来实现上述功能。如果在发送端对D (m) 做IDFT, 把结果经信道发送到接收端, 然后对接收到的信号再做DFT, 取其实部, 则可以不失真地恢复出原始信号D (m) 。这样就可以利用离散傅立叶变换来实现OFDM信号的调制和解调。实现框图如图4和图5所示。用DFT和IDFT实现的OFDM系统, 大大降低了系统的复杂度, 减小了系统成本, 为OFDM的广泛应用奠定了基础。
3 OFDM的优点
3.1 频谱利用率较高
OFDM技术可以被看作是一种调制技术, 也可以被当作一种复用技术。传统的频分复用 (FDM) 多载波调制技术 (如图6 (a) 所示) 中各个子载波的频谱是互不重叠的, 同时, 为了减少各子载波之间的相互干扰, 子载波之间需要保留足够的频率间隔, 频谱利用率较低;而OFDM多载波调制技术 (如图6 (b) 所示) 中各子载波的频谱是互相重叠的, 并且在整个符号周期内满足正交性, 不但减小了子载波间的相互干扰, 还大大减少了保护带宽, 提高了频谱利用率。
3.2 抗码间干扰 (ISI, Inter-Symbol Interference) 能力强
码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰, 它与加性的噪声干扰不同, 是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多, 实际上, 只要传输信道的频带是有限的, 就会造成一定的码间干扰。OFDM通过在传输的数据块之间插入一个大于信道脉冲响应时间的保护间隔, 消除了由于多径时延扩展引起的符号间干扰。
3.3 抗频率选择性衰落和窄带干扰能力强
在单载波系统中, 一次衰落或者干扰会导致整个链路失效, 但是在多载波系统中, 某一时刻只会有少部分的子信道受到深衰落的影响。OFDM把信息通过多个子载波传输, 在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍, 使OFDM对脉冲噪声和信道快速衰落的抵抗力更强。同时, 通过子载波的联合编码, 达到了子信道间的频率分集的作用, 也增强了对脉冲噪声和信道快速衰落的抵抗力。OFDM还可以根据每个子载波的信噪比来优化分配每个子载波上传送的信息比特, 自动控制各个子载波的使用, 有效避开噪声干扰以及频率选择性对数据传输可靠性的影响, 实现对信道的自适应性。通过软件编程, OFDM可以有效地屏蔽某些子载波, 实现对民用或军用重要频点的保护。在电力线通信中, OFDM通过把电力线分为许多窄带子信道, 使得各个子信道呈现相对性和平坦特性, 不仅消除了由于电力线的低通效应和传递函数的剧烈波动而引起的失真, 而且无须复杂的信道均衡系统, 实现比较简单, 成本比较低廉。
4 OFDM的缺点
由于OFDM系统存在多个正交的子载波, 而且其输出信号是多个子信道的叠加, 因此与单载波系统相比, 存在如下缺点:
4.1 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。在传输过程中出现的信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在频率偏差, 都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏, 导致子信道间干扰 (ICI, Inter-Channel Interference) , 这种对频率偏差的敏感性是OFDM系统的主要缺点之一。
4.2 存在较高的峰值平均功率比
多载波系统的输出式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高于信号的平均功率, 导致较大的峰值平均功率比 (PAPR, Peak-to-Average Power Ratio) 。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求, 因此可能带来信号畸变, 使信号的频谱发生变化, 从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏, 产生干扰, 使系统的性能恶化。
5 OFDM的关键技术
5.1 时域和频域同步
OFDM块是由保护间隔和有用数据信息组成, 因此OFDM中的定时同步就是要确定OFDM块有用数据信息的开始时刻, 也可以叫做确定FFT窗的开始时刻。定时的偏移会引起子载波相位的旋转, 而且相位旋转角度与子载波的频率有关, 频率越高, 旋转角度越大。如果定时的偏移量与最大时延扩展的长度之和大于循环前缀的长度, 这时一部分数据信息丢失了, 而且最为严重的是子载波之间的正交性被破坏了, 由此带来了ISI和ICI, 这是影响系统性能的关键问题之一。
频率偏移是由收发设备的本地载频之间的偏差、信道的多普勒频移等引起的, 由子载波间隔的整数倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移构成。频率偏移破坏了子载波间的正交性, 导致子载波之间产生干扰。
OFDM中的同步算法有很多种, 目前, OFDM系统中的定时同步主要解决方法有循环前缀法、PN前缀法和特殊训练符号法等, 频偏估计的方法有最大似然估计法等。
5.2 降低峰值平均功率比
由于OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加, 当这N个信号恰好均以峰值相加时, OFDM信号也将产生最大峰值 (如图7所示) , 该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低, 但为了不失真地传输这些高峰值平均功率比 (PAPR) 的OFDM信号, 发送端对高功率放大器 (HPA) 的线性度要求很高, 从而导致发送效率极低, 接收端对前端放大器以及A/D转换器的线性度要求也很高。因此, 高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。目前, 已有很多文献讨论了OFDM的降低PAPR的算法, 这些方法主要有3类:信号畸变技术、编码方法 (包括分组码、格雷互补码和多相互补序列等) 和基于信号空间扩展的方法。
5.3 信道的编码和交织
在OFDM系统中, 依赖了多径传播中的多条路径得到接收信号, 衰落信道本身体现了内在的分集特性。如果信道衰落不是太深, 均衡无法再利用信道的分集特性来改善系统性能了。但是, OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会。通过子载波间的联合编码和交织, 可以进一步利用信道分集特性来改善整个系统的性能。由于使用软判决译码可以实现很高的附加信噪比增益, 而卷积码译码常采用的维特比算法可以很容易地进行软判决误, 在编码后要对数据进行交织, 使得突发性错误在经过解交织后扩展开来, 成为独立的错误, 以便于利用纠错码进行纠错。
6 结束语
正交频分复用技术 (OFDM) 的应用已有近40年的历史, 第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展, 该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。OFDM由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求, OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。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, 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。
摘要：OFDM的全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 意为正交频分复用。OFDM通信技术是多载波传输技术的典型代表。OFDM是多载波传输方案的实现方式之一, 利用快速傅里叶逆变换 (IFFT, Inverse Fast Fourier Transform) 和快速傅里叶变换 (FFT, Fast Fourier Transform) 来分别实现调制和解调, 是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。本文介绍了OFDM通信技术基本原理和实现, 分析了其优缺点, 并对关键技术进行了分析。
关键词：OFDM,正交频分复用,多载波,快速傅里叶变换 (FFT)
参考文献
[1]佟学俭, 罗涛, 编.OFDM移动通信技术原理与应用.人民邮电出版社, 2003-6-1.
[2]曹志刚, 等.现代通信原理.清华大学出版社, 1992.
