OFDM技术和CE-OFDM技术的研究

姜皓月 刘雨佳

摘要：无线通信技术的不断发展，给人类生活带来了极其深远的影响。OFDM技术是第四代移动通信的核心技术之一，本文介绍了OFDM技术和CE-OFDM技术的工作原理，并对其优缺点进行了对比和分析。

关键词：OFDM;CE-OFDM;4G

中图分类号：TN957.51 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）02-0013-02

随着通信服务种类的不断增加和数据传输速度的需求不断增加，无线通信技术在不断发展。在地面无线通信系统中，通信形式从2G时代的时分多址（TDMA）到3G时代的码分多址（CDMA）再到4G时代的正交频分多址（OFDMA），现在正向5G时代不断发展。OFDM技术作为第四代移动通信的核心技术，具有非常广阔的发展前景，也在不断地发展和演变。本文将介绍OFDM技术和CE-OFDM技术的工作原理及其优缺点的对比。

1 OFDM

正交頻分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），简称OFDM，是多载波调制的一种。首先将一串速率较高的比特流经过符号映射模块（QPSK）根据所采用不同的调制方式将其映射为一串数据符号。然后经过IFFT模块将数据符号调制到若干并行的正交子载波上，再由若干正交子信道进行分别传输，各子信道数据流速率较低。通过在接收端采用一定技术可以将正交信号分开，可以有效降低符号间串扰（ISI）。

实现OFDM的过程如图1所示，假设表示第个符号中第个子载波上的基带调制复数符号，则第个OFDM符号可以表示为：

（1）

（2）

其中，是子载波个数，是OFDM的符号周期。所以就是一组在时间上的延迟，在频域上位移的多个版本。

OFDM中采用的脉冲成型滤波器就是矩形脉冲，定义如下：

（3）

OFDM中的脉冲成型滤波器满足如下正交条件：

（4）

为了解决衰落信道带来的多径效应，OFDM需要在每个符号前插入CP，而且CP长度应该大于信道的最大时延。在OFDM的接收端，去掉CP之后的第个接收信号可以表示为：

（5）

其中代表循环卷积运算，表示第时刻上的信道冲激响应，为第时刻的加性高斯白噪声（AWGN）。通过解调可以得到：

（6）

其中和分别是信道冲激响应和加性高斯白噪声在频点的频域表达形式。接收端只需要对解调信号使用简单的单抽头频域均衡，也就是对解调信号乘就可以恢复出只含有AWGN的解调信号。

各子载波间存在正交关系，不同子载波在频域上的频谱由互相重叠的部分，但在任意子载波的中心频率上受其他子载波的干扰为零。因此经时频同步、信道均衡模块对载波频偏等非理想因素进行估计和补偿后，OFDM系统在接收端做FFT后得到的各子载波仍保持良好的正交性，易于分离各子信号。由于子载波间的重叠，OFDM系统比常规FDM系统节省近一半的带宽。

在实际传输中往往会存在多径效应，各路信号时延不同，不同路径信号叠加会造成码间串扰（ISI）和子载波间干扰（ICI）。若要彻底消除码间串扰，需要在相邻符号之间加上保护间隔，且保护间隔应大于最大时延扩展时间。但增加保护间隔无法消除ICI的干扰，因此要引入循环前缀（CP）。由于多径信道的影响，接收机接收到各路子载波的时间存在偏差，导致在FFT积分时间长度内子载波之间不再相差整数个周期，破坏了子载波间的正交性。将符号尾部与保护间隔时间相同的信号搬移到信号前方，使各路子载波在一次FFT积分长度内各子载波之间总相差一个周期，避免了信号间的干扰。

综上所述，OFDM具有频谱利用率高、实现复杂度低、抗衰落性能好等优点，但是OFDM系统对频偏和相位噪声敏感，由于各子载波相位相似，叠加信号受相同初始相位信号调制，产生较大的峰均比（PAPR）。OFDM系统的PAPR随子载波个数的增多而增大，降低了系统能量利用率。

2 CE-OFDM

由于OFDM信号具有较大的PAPR，OFDM系统对功率放大器等设备的要求较高。CE-OFDM技术将OFDM技术与恒包络调制技术结合起来，对OFDM信号进行恒包络调制，使得二次调制后的信号PAPR为0dB，彻底解决了OFDM系统的峰均比问题。

CE-OFDM技术通过相位调制和解调实现恒包络，将信号信息调制于相位之中。传统的OFDM技术采用幅度调制，难以避免产生信号峰值叠加，导致高PAPR。而CE-OFDM是对已调幅信号进行调相，得到恒包络信号。CE-OFDM信号变换过程如图2所示。

CE-OFDM信号处理框图如图3所示，图中阴影模块表示CE-OFDM比传统OFDM增加的模块。

CE-OFDM的具有明显的优点，解决了传统OFDM技术对峰均比敏感的问题，通过恒包络调制将系统的PAPR降至0dB。但是，CE-OFDM输入的OFDM信号应为实数信号，因此，为了构成共轭对称结构，一半的子载波承载了冗余信号，使得CE-OFDM的频谱效率大大降低，仅为OFDM的50%。

3 结语

OFDM技术作为第四代移动通信的核心技术，具有众多优点，但是其易产生较大峰均比。CE-OFDM技术正是针对该问题做出的改进，解决了传统OFDM技术对峰均比敏感的问题，提高了系统能量利用率。

参考文献

[1] 程国兵.OFDM/OQAM系统中的关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[2] 韩元元.恒包络OFDM的关键技术研究[D].南京：南京理工大学，2010.

[3] 王程.卫星移动通信系统多载波传输技术研究[D].北京：北京邮电大学，2017.

Research on OFDM Technology and CE-OFDM Technology

JIANG Hao-yue，LIU Yu-jia

（Shandong University of  Science and Technology， Jinan  Shandong  250031）

Abstract：The continuous development of wireless communication technology has brought about a profound impact on human life. OFDM technology is one of the core technologies of the fourth generation of mobile communication. This article introduces the working principles of OFDM technology and CE-OFDM technology， and compares and analyzes their advantages and disadvantages.

Key words：OFDM; CE-OFDM; 4G