OFDM技术的应用分析

高小梅，胡长岭

(西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065)

随着现代通信技术的不断发展，传输速率的不断提高，同时传输带宽也越来越宽，因此，如何高效充分的利用有限的带宽成为现代通信系统中主要解决的问题。OFDM是一种特殊的多载波传输方式，其高速，高质量传输信息以及抗干扰强的特性使其在各类通信系统中有广泛应用。

1 OFDM技术

1.1 OFDM技术的发展状况

20世纪50年代OFDM传输思想的提出一直到20世纪六七十年代美国军方的应用。再到20世纪80年代大量的集成电路的运用，OFDM技术在不断的成长。20世纪90年代被欧洲国家和澳大利亚最先应用于广播信道通信系统和数字电视及无线局域网。直到21世纪，OFDM技术被应用于各个领域。

1.2 OFDM技术的工作原理

OFDM是一种多载波并行传输方法，其基本原理便是将高速串行的数据流转换成低速并行的数据流，在N多个子载波上同时进行数据流的传输，符号不间断的传输，每个数据符号的频谱可占据全部可利用的带宽。这些子载波又是有正交性的，虽然相互重叠，但不会出现子载波之间的干扰，从而提高了频带利用率。

2 OFDM技术的优缺点

2.1 OFDM技术的优点

1) 系统结构简单：把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而有效减少由于无线信道的时间弥散所带来的ISI，减少了接收机内均衡的复杂度。

2) 频谱资源利用率高：传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来并行传输数据流，各个子信道之间保留足够的保护频带。但是，OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，所以与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。

3) 可以灵活采用不同调制解调方式：各个子信道的正交调制与解调可以通过采用离散傅里叶变换和离散傅里叶反变换来实现。在子载波很大的系统中，可以通过采用快速傅里叶变换来实现。而随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，快速傅里叶变换与FFT都是容易实现的。

4) 实现非对称传输：无线数据业务存在非对称性，即下行链路的数据传输量大于上行链路中的数据传输量。OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

5) OFDM易于和其他多种接入方法结合使用：其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM及OFDM-TDMA等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息传输[1]。

2.2 OFDM技术的缺陷

1) 对频谱偏差敏感：无线信道的时变性，在传输过程中出现的无线信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频谱偏差，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。

2) 存在较高的峰值平均功率比：多载波系统的输出是多个子信道的叠加，如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的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。这就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求[2]。

3 OFDM技术的应用

3.1 OFDM技术在光纤通信中的应用

3.1.1 直接检测光OFDM系统

直接检测光OFDM系统可以分为两种不同的系统分别为线性映射DDO-OFDM系统和非线性DDO-OFDM系统，这是由其光OFDM信号的生成方式不同决定的。将基带OFDM频谱直接的复制在光OFDM频谱上就认为是线性映射DDO-OFDM系统，相反的不是直接将基带OFDM频谱复制到光OFDM频谱上就是非线性映射DDO-OFDM系统。同时，在系统中不同的色散系数对传输距离有影响，所以需要在系统中对电域或光域的色散进行补偿。并且在频带利用率与误码率的要求下需要对载波的数目进行选择，这样可以避免不同的载波数目对DDO-OFDM系统带来的影响。

3.1.2 相干检测光OFDM系统

光强度信息能够在直接检测光OFDM系统中被光检测器检测出，而其他的光载波的相位和频率是不能够被检测出的，所以导致不能够将初始数字信号有效的被系统恢复出来。然而，相干检测光OFDM系统能够检测出光载波的相位和频率，很好的弥补了直接检测光OFDM的这一不足之处。合适的子载波数目对于CO-OFDM系统性能的发挥是非常重要的，当子载波数过于大时会造成信道干扰，而过于小时又会造成频带利用率下降。同时，不同的调制方式会对系统产生不同的影响，比如系统的光纤色散容限、非线性效应及光信噪比等，所以为了要平衡好误码率小、频谱利用率高、传输容量大以及传输距离长这些条件，选择合适的调制方式也是十分必要的。还需要注意的是，差分群延时(DGD)对系统性能也会产生影响，当DGD越来越大性能越来越好，但是超过某个值之后，受偏振模色散的影响，系统性能开始下降。

3.1.3 偏振复用CO-OFDM系统

CO-OFDM系统中引入了偏振复用技术，从而在提高了需要的系统容量的同时CO-OFDM系统能够有效的估计和补偿光纤中的偏振模色散，这样既满足了系统各个元器件的基本需求，又可以更好的提高系统的运行速率。将来在解决系统容量超大、超高速率、超长距离这些问题时偏振复用CO-OFDM系统会提供一种有效的方法。同时，单模光纤一般情况下具有两种偏振模式而且偏振相关损耗(PDL)、偏振模色散(PMD)和色散(CD)效应都会对光信号的传输产生影响。因为系统的运行性能，同时受到调制方式和子载波数目的影响，所以为了极大的提高系统性能相关工作人员在设定偏振复用CO-OFDM仿真系统时，要特别注意选择调制方式和子载波数目。

3.2 OFDM技术在移动通信系统中的应用

随着时代的发展，移动通信技术的不断成熟，人们对数据传输速率的要求越来越高，需要更大的信道容量和宽带来满足不同业务和不同终端的需求。而OFDM技术作为关键技术应用于第四代移动通信中，首先OFDM技术极强的抗多径干扰和频率选择性衰落的能力缩短了多径衰落带来的影响。其次，在现如今OFDM技术与MIMO多输入多输出技术相融合，能够提高系统容量，并且保证了多路径传输信号的稳定性。同时，降低了系统本身和外界的噪声干扰。也使得OFDM技术带宽有限的问题和MIMO技术过于复杂的检测，以及MIMO技术频带选择性衰落的问题都得到了有效的解决。另外，OFDM技术能够在利用FFT/IFFT快速高效的实现调制解调的同时，能够充分利用信道的特性自适应分配子载波的功率，并且选择合适的调制方式,子信道可以被合理的利用，以提高系统性能。

在OFDM技术充分应用于LTE中的同时，面对现在互联网、物联网技术的飞速发展，解决不同场景下的差异化性能指标，满足不同终端的业务服务，5G时代将到来，已有测试表明第五代移动通信将采用UF-OFDM技术，UF-OFDM技术在继承了CP-OFDM技术优点的基础上，采用滤波技术大幅减少带外泄漏，可有效支持相邻子带的异步传输，同时UF-OFDM技术可以根据不同业务对于不同波形参数的不同需求，在统一的物理平台上进行动态的选择和配置，满足不同场景下产异化技术[3]。

3.3 OFDM技术在船舶载波通信系统中的应用

随着船舶智能化设备和对航海信息的精准掌握，对通信系统的要求越来越严格，要求越来越高。现代船舶通信已经不仅仅依赖于卫星通信，其成本高，数据带宽有限，已经无法满足通信需求。然而，OFDM技术是将高速数据转换成几个低速通道并行传输，从而提高了传输速率的同时，合理的利用了传输频带，这对船舶的安全性有了极大的保障。

船载通信系统是将发射端的串行数据进行转换，输送到混频器中进行处理，经过互相的正交调制，得到了N个载波，形成了发射信号，其中包括多个载波信息。接收端在分频处理后，由于每个载波的正交性，得到了互不干扰的子载波信号[4]。这样，传播设备直接形成了高速互联，对传播设备有了极大的改善，同时增大了对航运的安全性。

3.4 OFDM技术在其他领域的应用

OFDM技术被广泛应用于不同的领域，在数字广播、局域网、飞行器、航海甚至卫星通信中都起着关键的作用。不论是有线通信还是无线通信都有信号在信道中传输，会存在多径效应、噪声干扰及信号衰减的问题，而OFDM技术以其抗干扰能力强，频谱利用率高，适合高速率传输等优点发挥着至关重要的作用。

4 结语

OFDM技术以其众多的优点已被应用于各个领域，包括数字广播、无线局域网、第四代移动通信、光纤通信等。但是仍然存在着其自身的缺陷，如对相位噪声和频率偏移敏感的问题以及较高的峰值平均功率比，如何克服这些缺陷，使得OFDM技术能够更好的更广泛的更有效的应用于各个通信领域，使我们的通信技术更上一层楼，是我们接下来要研究的方向。

[1] 王文博，郑侃.宽带无线通信OFDM技术[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[2] 彭木根，王文博.下一代宽带无线通信系统OFDM与WIMAX[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3] 刘海静，汪勇刚，王河.5G新型多载波UF-OFDM技术及检测[J].电信网技术，2016(11):5-9.

[4] 贾瀛.OFDM技术在船舶载波通信系统中的应用[J].船舶科学技术，2017(7A):103-105.