正交频分复用技术的发展与应用

正交频分复用技术的发展与应用
摘要：正交频分复用，英文缩写为OFDM，主要思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，然后调制到在每个子信道上进
行传输。

正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样做可以减少子信
道之间的相互干扰。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，从而可以消
除符号间的相互干扰。

本文分析了主要正交频分复用的原理及使用过程中发现的
优缺点，提出了自己的一些观点。

关键词：多载波调制正交频分复用信道估计
1、正交频分复用的发展史
正交频分复用并不是才发展起来的新技术，其应用已有40余年的历史，在
上个世纪60年代就已经有人提出了使用平行数据传输和频分复用的概念。

正交
频分复用是一种特殊的多载波传输方案，它应用离散傅里叶变换和离散傅里叶逆
变换的方法解决了产生多个互相正交的子载波以及从子载波中恢复原信号的问题。

这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题。

应用快速傅里叶变换和快速傅里
叶逆变换更是使多载波传输系统的复杂度大大降低。

从此正交频分复用技术开始
走向实用。

80年代，集成电路获得了突破性进展，大规模集成电路让快速傅里叶
变换和快速傅里叶逆变换的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困
难也都得到了解决，自此正交频分复用走上了通信的舞台，逐步迈向高速数字移
动通信的领域。

90年代，由于技术的可实现性，正交频分复用的应用涉及到了利
用移动调频和单边带信道进行高速数据通信，陆地移动通信，高速数字用户环路，非对称数字用户环路，高清晰度数字电视和陆地移动广播等各种通信系统。

1999年，国际电气与电子工程师协会通过了一个的无线局域网标准IEEE802.lla，其中
正交频分复用调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达54Mbps。

这样，可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，并支
持语音、数据、图像业务。

这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。

2、正交频分复用的工作原理
2.1时域和频域同步。

正交频分复用系统对定时和频率偏移敏感，特别是实
际应用中可能与频分多址、时分多址和码分多址等多址方式结合使用时，时域和
频率同步显得尤为重要。

与其它数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。

在下行链路中，基站向各个移动终端广播式的发同步信号，所以，下行链路
同步相对简单，较易实现。

在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到
达基站，才能保证子载波间的正交性。

基站根据各移动终端发来的子载波携带信
息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进
行同步。

具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时频域同时进行
同步了。

2.2信道估计。

在正交频分复用系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。

由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送。

二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能
力的信道估计器的设计。

在实际设计中，导频信息选择和最佳估计器的设计通常
又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。

2.3信道编码和交织。

为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常
采用的方法。

对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中
的突发错误，可以采用交织。

实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一
步改善整个系统的性能。

在正交频分复用系统中，如果信道衰落不是太深，均衡
是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为正交频分复用系统自身具
有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被正交频分复用这种调制
方式本身所利用了。

但是正交频分复用系统的结构却为在子载波间进行编码提供
了机会，形成编码正交频分复用。

编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，
卷积码的效果要比分组码好。

2.4降低峰均功率比。

由于正交频分复用信号时域上表现为N个正交子载波
信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值占相加时，正交频分复用信号也将产生
最大峰值，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均功率比的信号，发送端对高功率放大器的线性度要求
很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及模数转换器的线性度要求也很高。

因此，高的峰均功率比使得正交频分复用系统的性能大大下降甚至直接影响实际
应用。

为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于
信号空间扩展等降低正交频分复用系统峰均功率比的方法。

3、正交频分复用存在很多技术优点。

3.1在窄带带宽下也能够发出大量的数据。

正交频分复用技术能同时分开至
少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行，这种能力将直接威
胁到目前已经开始流行的码分多址技术的进一步发展和壮大，正是由于具有了这
种特殊的信号穿透能力使得正交频分复用技术深受欧洲通信营运商以及手机生产
商的喜爱和欢迎。

3.2 正交频分复用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，所以正交频分复用能动态地与
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。

3.3 正交频分复用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。

3.4 正交频分复用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。

3.5 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。

4、正交频分复用有待提高完善之处
4.1对相位噪声和载波频偏十分敏感。

在整个正交频分复用系统对各个子载
波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正
交性，引起符号间干扰，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从
而形成信道间干扰。

而单载波系统就没有这个问题.
4.2峰均比过大。

正交频分复用信号由多个子载波信号组成，这些子载波信
号由不同的调制符号独立调制。

同传统的恒包络的调制方法相比，正交频分复用
调制存在一个很高的峰值因子。

因为其信号是很多个小信号的总和，这些小信号
的相位是由要传输的数据序列决定的。

对某些数据，这些小信号可能同相，而在
幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。

而峰均比过大，将会增加模数
转换器和数模转换器的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。

同时，在发
射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在正交频分复用频段内和相邻频段之间产生干扰。

4.3所需线性范围宽。

由于正交频分复用系统峰值平均功率比大，对非线性放大更为敏感，故正交频分复用调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。