OFDM技术应用现状分析

丁凌琦，穆道生，蒋太杰

(1. 中国人民解放军装备学院 信息与通信工程，北京 101416)

OFDM技术应用现状分析

丁凌琦1，穆道生1，蒋太杰1

(1. 中国人民解放军装备学院 信息与通信工程，北京 101416)

以其频谱利用率高、有效抗多径干扰等优势成为第四代移动通信系统关键技术的OFDM技术，目前已得到广泛研究与发展。通过对OFDM技术的基本原理及特性进行阐述，分析了数字广播系统、蜂窝移动通信系统、电力线载波通信系统、光纤通信系统等领域OFDM技术的实际应用情况，能够有效为未来OFDM技术在通信领域的应用发展提供参考借鉴。

正交频分复用；调制技术；通信系统

0 引言

随着通信系统中信息传输速率的不断提高，传输带宽也越来越宽，如何充分高效地利用有限的频带成为移动通信技术发展中亟需解决的问题。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术作为4G移动通信系统的核心技术在近几年来得到了充分的发展和研究。OFDM技术采用多个相互正交且频谱相互重叠的子载波进行业务传输，大大提高了系统的频谱利用率。同时，该技术能有效抵抗无线信道多径时延引起的衰落，其使用的每路子载波均可采用不同的多进制调制方式进行调制，具有较强的灵活性，OFDM技术的众多优点使其广泛应用于各类通信系统。

1 OFDM技术

1.1 OFDM技术的基本原理

OFDM技术是一种特殊的多载波传输方式，其基本原理是将串行的高速二进制数据流经过串/并变换转换成N路并行的低速任意进制数据流，并利用N路并行数据对N路频率上等间隔且相互正交的子载波进行调制，从而实现N路数据的并行传输[1]。通过该系统输出的OFDM信号的表达式为

式中：Bk为第k路子载波的振幅，受基带码元调制；fk为第k路子载波的频率，且满足式(fk+1-fk)min=1BT，BT为码元持续时间；kφ为第k路子载波的初始相位。式（1）的复数形式如下[2]：

式中：kB为第k路子信道中的复输入数据。

OFDM技术调制解调原理如图1所示：

如图1所示，OFDM系统中输入的串行二进制信号经过分帧、分组、串/并变换后，由原来每帧F个串行码元变为N路并行码元iB，对码元iB进行编码映射后得到N路复数码元iB，由于式（2）形式与逆离散傅里叶变换（IDFT）式相似，所以运用计算IDFT的方法进行OFDM调制，再经过并/串变换、D/A变换以及上变频得到OFDM信号。接收端的解调过程即是调制的逆过程。

图1 OFDM技术调制解调原理

1.2 OFDM技术的优势

基于上述OFDM技术的基本原理，该技术具有以下优点[3]：

（1）提高信号的抗多径能力

无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散会造成信号的失真和码间串扰。采用多载波进行调制，将信道划分为多个子信道，在子信道带宽足够小的情况下，可以有效的克服多径效应。OFDM技术在此基础上又通过添加循环前缀的方法，在相邻码元间增加一定的保护隔离，使保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，相邻码元分离，大大减小了码间串扰（ISI）和载波间干扰（ICI）。

（2）具有较高的频率利用率[4]

采用频分复用（FDM）的方式对信号进行多路传输时，每路子信道相互不重叠且各路子信道之间必定留有未被使用的防护频段进行分隔，频带未被充分的利用。OFDM技术中各路子载波频谱相互正交重叠，最小子载频间隔Δfmin=1TB，且子信道间不需要保护频带进行隔离，极大程度的提高了频带利用率。

（3）抗频率选择性衰落

信号带宽大于相干带宽时，会产生频率选择性衰落，该衰落的强弱随着载波频率的变化而变化。为了提高信号传输速率而增加信号带宽时，频率选择性衰落的影响会增强。OFDM技术运用传输速率较低的子载波传送信息，每路子载波信号的带宽小于相干带宽，有效的克服信道的频率选择性衰落。

（4）具有较强的灵活性

OFDM技术中每路子载波的调制方式可以根据各载波所处频段的信道特性采用不同的调制方式，并且可以自适应地改变调制方式以适应信道特性的改变，具有较强的灵活性。

（5）具有较好的可扩展性

OFDM技术能与其他多种多址方式相结合，例如，OFDM系统能够与FDMA技术相结合构成OFDMA系统，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息传输。同时，由于OFDM技术传输的信号带宽由其使用的子载波数决定，信号带宽的改变只要对IDFT尺寸进行调整即可，系统扩展较为容易。

2 OFDM技术在各领域中的应用

自1971年Weistein和Ebert提出完整的OFDM系统以来，随着数字信号处理（DSP）技术、半导体技术的飞速发展以及大规模集成电路（CPLD）的应用，OFDM技术逐渐从高频军事化系统向实用化阶段迈进。

2.1 数字广播系统与无线局域网系统

90年代以来，随着可有效弥补OFDM技术固有缺陷的新技术出现，OFDM技术作为一种以频分多路复用（FDM）技术为基础的多路传输技术，在高速率传输系统中得到了广泛的应用，尤其是数字音频广播（DAB）系统、数字视频广播（DVB）系统以及无线局域网（WLAN）系统等民用通信系统。

数字音频广播（DAB）标准是第一个应用OFDM技术的民用通信标准[5]。在DAB系统中，OFDM技术主要用于保证在移动、便携和固定条件下信号的完整稳定传输，减小通信环境中严重电磁干扰对信号传输质量的影响，不仅令DAB系统具备95db以上的信噪比以及192Kbps以上的编码率，还使得该系统在移动速度为200km/h的情况下完成信号的良好接收，实现车载广播的实用化。同时，OFDM技术较强的抗干扰能力有效地解决了多基站间的同频干扰现象，实现DAB系统的单频组网，多个不同位置的发射机发射荷载多路节目的同一频率信号，不同的覆盖区域不需要分配不同的载波频率，不仅减少了整个广播网占用的频带宽度，也提高了用户体验。

在数字视频广播（DVB）三类标准中，DVB-T（Digital Video Broadcasting-Terrestrial）标准作为地面数字广播电视标准，采用码分正交频分复用（COFDM）调制方式进行信号调制，并将COFDM技术与纠错能力较好的纠错码结合应用，在提高频谱利用率、有效抵抗多径干扰的前提下，保证信号在地面恶劣信道环境中传输的可靠性。COFDM技术可提供不同子载波数量、调制方式和保护间隔，在保护间隔的作用下，单频网得以有效运行。

无线局域网IEEE802.11协议标准体系[6]中，IEEE802.11a和IEEE802.11g均采用OFDM技术作为物理层接入标准。IEEE802.11a标准工作频段为5GHz，经OFDM技术调制，可实现54Mbps的最高数据传输速率，并可为用户提供25Mbps的无线ATM接口、10Mbps的以太网无线帧结构接口以及TDD/TDMA的空中接口。但因该标准的工作频段并未在全球范围内均批准使用，无法广泛推广，同时，IEEE802.11a不能与利用补码键控（CCK）调制技术的IEEE802.11b兼容，因此，IEEE802.11g标准得以提出并获批应用。IEEE802.11g在2.4GHz频段上应用OFDM技术，不仅将数据传输速率提高至20Mbps，也可与IEEE802.11b兼容，提高了网络的吞吐量。

欧洲电信组织(ETSI)的宽带射频接入网局域网标准HiperiLAN2也将OFDM技术作为其调制技术。若要满足无线局域网发展中多媒体业务的需求，仍需要进一步提高数据传输速率并降低OFDM技术缺陷对系统的影响。

2.2 蜂窝移动通信系统

正交频分复用（OFDM）技术因作为第四代蜂窝移动通信系统的关键技术使得该技术的众多优势被广泛关注和研究应用，而超3G（B3G）移动通信系统则早于4G通信系统将OFDM技术的优势利用起来[7]。以IPv6互联网作为依托的B3G移动通信系统应用多天线技术以及OFDM技术，有效提升了传统的移动蜂窝网的网络性能。通过OFDM的技术要求以及具备的数据传输速率较高、能够对动态频域进行资源分配等优势，B3G通信系统建立了高速下行分组接入网络，并能够较好的降低多径效应对信号质量的影响，使得该系统比3G移动通信系统拥有更好的用户体验以及更加合理的系统规划。

4G移动通信系统利用OFDM技术将高速串行数据分解为低速并行数据再进行传输的特点，有效的解决以往移动通信系统中出现的数据传输延时较长的问题，为用户提供高达100Mbps的数据传输速率；实现了与各种网络、通信主机以及各类媒体之间进行“无缝连接”；OFDM技术对于频谱的合理利用也使得4G移动通信系统更加灵活的运用资源进行网络服务；同时，由于OFDM技术信号带宽的增加或减少仅通过改变子载波数量即可，系统复杂度不会明显的提高，令4G移动通信系统具有良好的可扩展性。

在4G通信系统中，OFDM技术因只支持一种固定的配置参数而导致通信系统存在频率偏差敏感、频谱泄露高等缺陷。针对这些缺陷，有研究人员提出关于第五代移动通信系统[8]的技术构想，将F（filter）-OFDM技术——基于子带滤波的OFDM技术[9]应用于传统LTE系统中，划分的各个子带可根据实际业务场景配置不同参数，能够比较有效地满足有限频段内5G系统丰富的业务需求。

2.3 低压电力线载波通信

在电力线载波通信（Power Line Carrier Communication，PLC）中，信号以电力线作为传输通道，但该信道的传输特性并不理想。信道中存在随机脉冲噪声、工频同步/异步噪声等噪声干扰，严重影响信号的传输质量；同时，信号在传输中将产生严重衰减和错误，衰减可达80dB甚至更高[10]。

OFDM技术作为主要扩频通信方式应用于低压电力线载波通信中，利用其可对各个子信道采取不同调制方法、编码方式以及可控制某些子信道的使用或禁止的优势，克服电力线信道传输信号时产生的一系列影响，使得数据传输速率至少在512 Kbps ~10 Mbps之间，满足电力线载波通信的应用要求。

首先，利用OFDM技术允许各个子载波调制方式不同的特性可以有效地消除信道上随机脉冲噪声引起的噪声干扰，同时，OFDM技术通过使用交织编码、卷积码等纠错编码对信号进行编码消除信号在传输中出现的突发误码情况；其次，通过OFDM技术采用的频率分集复用技术对电力线信道上普遍存在的多径干扰予以克服，令子信道上调制后信号的码元宽度足够宽不对携带信息的有用信号造成码间干扰；除此之外，OFDM技术采用的多载波技术为信道自适应均衡技术提供了有利的实现条件，从而有效的克服了信号在电力线信道传输过程中出现的衰减。

OFDM技术的诸多优势令低压电力线载波通信的实际应用成为了可能。自我国2001年实现了利用低压电力线将宽带接入Internet后，低压电力线载波通信得到了不断的发展和广泛的应用，基于船舶电力线的高速通信、利用宽带接入电网服务于电力行业等成为研究热点。

2.4 光纤通信

光纤通信作为现代通信中的重要通信方式具有通信容量大、损耗小、保密性好以及抗电磁干扰性能强等优势，并由于其丰富的原料来源得到了迅速发展。但因辐射、吸收和散射作用产生的功率损耗、因光纤色散现象产生的码间串扰以及因非线性效应产生的噪声和串扰的存在使得光纤通信有待进一步完善。

OFDM技术具备的抗干扰优势能够有效地抵抗光纤色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）对信号的影响，使其成为光纤通信领域的研究热点，主要体现在以下四类系统[11]：

（1）基于多模光纤（MMF）的短距离光纤通信系统中应用OFDM技术，不仅能够实现MMF较窄3dB频响带宽的充分利用，利于系统传输速率升级，还可克服MMF高频区域内的频谱选择性衰落，并且该技术对色散较好的容忍性使得在MMF系统的接收端无需再采用昂贵的电色散补偿技术，具有较好的实用性。

（2）对于无源光纤网络（PON）系统，在顺应发展需求的前提下采用传统信号调制技术的NGPON1系统可大大提高传输速率达到10 Gbps[12]，但同时产生了巨大的成本问题，OFDM技术的应用则可有效地解决此类问题，同时可对PON系统收发机的灵活性和重构性有显著提高，并保持系统在时频域同时提供混合的动态带宽分配。

（3）对于长途高速骨干光纤通信系统来说，利用波分复用（WDM）技术和传统的光调制技术提高系统容量存在抑制CD、PMD和光纤非线性效应程度不足等问题。将OFDM技术较高频谱利用率和抗干扰的优势应用于该系统中，发展了基于直接检测的光OFDM（DD-OOFDM）系统和相干检测光OFDM（CO-OFDM）系统两类系统，分别在系统结构优化、建设维修成本低廉和频谱效率、接收机灵敏度提高方面具有明显优势。同时，在CO-OFDM系统中引入偏振复用（PDM）技术，形成偏振复用相干光正交频分复用（PDM-CO-OFDM）系统，可使得光OFDM系统数据传输速率加倍、抗色散能力更强，成为实现超高速光纤通信系统的首选方案。

（4）光载射频（ROF）通信系统[13]作为光纤通信与无线通信相结合的系统，充分利用两类通信技术的优势，成为最有发展前景的宽带无线接入系统，但同时ROF系统中的信号不仅要面临光纤通信中存在的色散问题还要受到无线通信中多径衰落的影响，将OFDM技术在抗色散以及抗多径传输方面的优势应用于该系统中，在提高信号质量的同时能够起到降低系统复杂度和设计成本的作用。

2.5 其他领域

无论有线通信系统还是无线通信系统，信号在经各类信道进行传输的过程中，多径效应、噪声干扰以及信号衰减等现象均严重影响接收端信号的质量，大大降低系统的可靠性。OFDM技术以其较高的频谱利用率、较强的抗码间串扰能力以及抗多径衰落能力在多种通信环境中均得到研究与应用。

在海上移动通信系统中使用OFDM技术，利用该技术将信号并行传输的特性，可令12MHz带宽下的信息速率达19Mbps[14]，大大提高了海上通信系统的传输速率；在水下声波通信系统中，由于水下信道自身存在时间频率选择性衰落的特性，致使进行远距离水下传输时产生较高的误码率，将OFDM技术应用于该系统中，利用其抗多径的优势，保证水下声波信号的可靠传输[15]；在飞行器测控系统中，接收机天线接收直射波和多束反射波合成的信号[16]，产生多径效应严重影响测控系统性能，利用OFDM技术特殊的调制结构以及抗多径优势，能够消除多径干扰带来的影响，实现飞行器测控系统实时侦查与打击的功能；OFDM技术也被有些学者引入到卫星通信系统[17]中，利用OFDM技术对频谱较高的利用率的优势，提高卫星系统的频谱利用率，同时有效保证了系统业务的可扩展性。

3 OFDM技术存在的缺陷

OFDM技术在多种通信系统中得到了广泛的应用，但仍存在有待进一步改善的地方：

（1）对相位噪声和频率偏移十分敏感

OFDM技术在接收端利用正交特性将各路子载波分离，从而实现解调，这就要求发送端子载波与接收端子载波完全一致，任何的频率偏移都会破坏载波间的正交性，导致子载频间干扰（ICI）。在实际系统中，由于本振产生的载波频率不够精确，且存在多普勒频移现象，接收端与发送端之间的频偏较大，信号的检测性能下降。同样，相位噪声导致的频率扩散也使得系统性能大大降低。对相位噪声和频率偏移十分敏感是OFDM技术一个非常致命的缺点。

（2）信号峰均比（PAPR）较大

OFDM信号是多个正交子载波信号的总和，这些子载波信号通过多个不同的调制符号独立调制，其相位由传输的数据序列决定。当某些子载波信号同相位时，时域中波形的叠加会使得峰值功率比信号的平均功率大很多，导致出现较高的峰均比，降低了射频功率放大器的效率，同时，峰均比过高使得系统对非线性放大更为敏感，所以OFDM调制系统比单载波调制系统对放大器的线性范围要求高。

4 结束语

正交频分复用（OFDM）技术已广泛应用于数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）以及无线局域网中，并作为第四代移动通信系统的核心技术逐渐被关注且广泛研究应用。在逐步深入的研究中，OFDM技术以其较高的频谱利用率、有效的抗多径衰落等优势成为多种通信系统抵抗多径衰落、提高系统的可靠传输的有效解决方案。针对OFDM技术中存在的系统同步不足、峰均比较大等技术难点，需要更加深入的探讨与研究，以保证OFDM技术在通信系统中发挥更大的作用。

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Analysis of Application Actuality of OFDM Technology

DING Ling-qi, MU Dao-sheng, JIANG Tai-jie, GAO Li-juan
(Information and Communication Engineering, Information and Communication Engineering, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

For the advantages of high spectrum efficiency and resistance to multipath interference effectively, OFDM technology has become the key technology of the fourth generation mobile communication system and has been researched and developed widely. With the presentation of basic principles and characterstics of OFDM technology, the paper analyzes the practical application of OFDM technology in many communication fields, such as digital broadcasting system, mobile communication system, power-line carrier communication system, optical communication system and so on, which can provide a reference for application development of OFDM technology in the field of communication in the future.

OFDM; Modulation technique; Communication system

TN919.1

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.10.030

丁凌琦，女，(1992-)，研究生，主要研究方向：信息与网络安全；穆道生，男，(1965-)，教授，主要研究方向：军事通信；蒋太杰，男，(1976-)，研究生，主要研究方向：信息与网络安全。

本文著录格式：丁凌琦，穆道生，蒋太杰. OFDM技术应用现状分析[J]. 软件，2016，37（10）：130-134