淺談OFDM技術(shù)的基本原理

　　在傳統(tǒng)的多載波通信系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)頻帶被劃分為若干個互相分離的子信道（載波）。載波之間有一定的保護(hù)間隔，接收端通過濾波器把各個子信道分離之后接收所需信息。這樣雖然可以避免不同信道互相干擾，但卻以犧牲頻率利用率為代價。而且當(dāng)子信道數(shù)量很大的時候，大量分離各子信道信號的濾波器的設(shè)置就成了幾乎不可能的事情。

　　上個世紀(jì)中期，人們提出了頻帶混疊的多載波通信方案，選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，也就是我們所說的OFDM。這種“正交”表示的是載波頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系。按照這種設(shè)想，OFDM既能充分利用信道帶寬，也可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯。OFDM是一種特殊的多載波通信方案，單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流，每個碼流都用一個子載波發(fā)送。OFDM不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速傅立葉變換（FFT）來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。

　　OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。

　　OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制（Multi－Car?rierModulation，MCM）技術(shù)。有些文獻(xiàn)上將OFDM和MCM混用，實(shí)際上不夠嚴(yán)密。 MCM與OFDM常用于無線信道，它們的區(qū)別在于：OFDM技術(shù)特指將信道劃分成正交的子信道，頻道利用率高；而MCM，可以是更多種信道劃分方法。

　　OFDM技術(shù)的推出其實(shí)是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進(jìn)對多載波的調(diào)制，它的特點(diǎn)是各子載波相互正交，使擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。在對每個載波完成調(diào)制以后，為了增加數(shù)據(jù)的吞吐量、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋植捎昧艘环N叫作HomePlug的處理技術(shù)，來對所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號位的載波進(jìn)行合并處理，把眾多的單個信號合并成一個獨(dú)立的傳輸信號進(jìn)行發(fā)送。另外OFDM之所以備受關(guān)注，其中一條重要的原因是它可以利用離散傅立葉反變換/離散傅立葉變換（IDFT/DFT）代替多載波調(diào)制和解調(diào)。

　　OFDM增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或者干擾可能導(dǎo)致整個鏈路不可用，但在多載波的OFDM系統(tǒng)中，只會有一小部分載波受影響。此外，糾錯碼的使用還可以幫助其恢復(fù)一些載波上的信息。通過合理地挑選子載波位置，可以使OFDM的頻譜波形保持平坦，同時保證了各載波之間的正交。

　　OFDM盡管還是一種頻分復(fù)用（FDM），但已完全不同于過去的FDM。OFDM的接收機(jī)實(shí)際上是通過FFT實(shí)現(xiàn)的一組解調(diào)器。它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期內(nèi)積分，其他載波信號由于與所積分的信號正交，因此不會對信息的提取產(chǎn)生影響。OFDM的數(shù)據(jù)傳輸速率也與子載波的數(shù)量有關(guān)。

　　OFDM每個載波所使用的調(diào)制方法可以不同。各個載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、 64QAM等等，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。我們通過選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式就可以獲得最大頻譜效率。無線多徑信道的頻率選擇性衰落會使接收信號功率大幅下降，經(jīng)常會達(dá)到30dB之多，信噪比也隨之大幅下降。為了提高頻譜利用率，應(yīng)該使用與信噪比相匹配的調(diào)制方式?？煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)正常運(yùn)行的基本考核指標(biāo)，所以很多通信系統(tǒng)都傾向于選擇BPSK或QPSK調(diào)制，以確保在信道最壞條件下的信噪比要求，但是這兩種調(diào)制方式的頻譜效率很低。OFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來選擇不同的調(diào)制方式。比如在終端靠近基站時，信道條件一般會比較好，調(diào)制方式就可以由 BPSK（頻譜效率1bit/s/Hz）轉(zhuǎn)化成16QAM－64QAM（頻譜效率4～6bit/s/Hz），整個系統(tǒng)的頻譜利用率就會得到大幅度的提高。自適應(yīng)調(diào)制能夠擴(kuò)大系統(tǒng)容量，但它要求信號必須包含一定的開銷比特，以告知接收端發(fā)射信號所應(yīng)采用的調(diào)制方式。終端還要定期更新調(diào)制信息，這也會增加更多的開銷比特。

　　OFDM還采用了功率控制和自適應(yīng)調(diào)制相協(xié)調(diào)工作方式。信道好的時候，發(fā)射功率不變，可以增強(qiáng)調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制方式（如QPSK）時降低發(fā)射功率。功率控制與自適應(yīng)調(diào)制要取得平衡。也就是說對于一個發(fā)射臺，如果它有良好的信道，在發(fā)送功率保持不變的情況下，可使用較高的調(diào)制方案如 64QAM；如果功率減小，調(diào)制方案也就可以相應(yīng)降低，使用QPSK方式等。

　　自適應(yīng)調(diào)制要求系統(tǒng)必須對信道的性能有及時和精確的了解，如果在差的信道上使用較強(qiáng)的調(diào)制方式，那么就會產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統(tǒng)的可用性。OFDM系統(tǒng)可以用導(dǎo)頻信號或參考碼字來測試信道的好壞。發(fā)送一個已知數(shù)據(jù)的碼字，測出每條信道的信噪比，根據(jù)這個信噪比來確定最適合的調(diào)制方式。

　　什么是OFDM

　　OFDM的英文全稱為Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing，中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)。這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟（HomePlug Powerline Alliance）工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。

　　其實(shí)，OFDM并不是如今發(fā)展起來的新技術(shù)，OFDM技術(shù)的應(yīng)用已有近40年的歷史，主要用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)。但是，一個OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，從而限制了其進(jìn)一步推廣。直到上世紀(jì)70年代，人們采用離散傅立葉變換來實(shí)現(xiàn)多個載波的調(diào)制，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)更趨于實(shí)用化。80 年代，人們研究如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM。進(jìn)入90年代以來，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)，主要的應(yīng)用包括：非對稱的數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等。