OFDM - 技術概述及發展史

第四代移動通訊系統 被稱之為“第四代移動通訊技術”，其核心技術為OFDM。正交頻分複用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)是一種無線環境下的高速傳輸技術。主要是在頻域內將所給通道分成許多正交子通道，在每個子通道上使用一個子載波進行調製，且各個子載波並行傳輸。OFDM特別適合於存在多徑傳播和多普勒頻移的無線移動通道中傳輸高速資料。能有效對抗多徑效應，消除ISI，對抗頻率選擇性衰落，通道利用率高。OFDM可視為一種調變技術及一種多工技術，為多載波(Multicar-rier)的傳送方式。

OFDM由

多載波調製(MCM)發展而來。美國軍方早在上世紀

OFDM基帶收發機框圖

的50-60年代就建立了世界上第一個MCM系統，在1970年衍生出採用大規模子載波和頻率重疊技術的OFDM系統。但在以後相當長的一段時間，OFDM邁向實踐的腳步放緩。由於OFDM的各個子載波之間相互正交，採用FFT實現這種調製，但在實際應用中，實時傅立葉變換裝置的複雜度、發射機和接收機振盪器的穩定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素制約了OFDM技術的實現。經過大量研究，

在20世紀80年代，MCM獲得了突破性進展，大規模積體電路促進了FFT技術的實現，OFDM逐步進入高速Modem和數字行動通訊的領域。在有線通道的研究中，Hirosaki於1981年用DFT完成的OFDM調整技術，試驗成功了16QAM多路並行傳送19.2kbit/s的電話線MODEM. 

90年代，OFDM開始被歐洲和澳大利亞廣泛用於廣播通道的寬頻資料通訊，OFDM的應用又涉及到了利用移動調頻和單邊帶（SSB）通道進行高速資料通訊、陸地行動通訊，數字音訊廣播(DAB)、高清晰度數字電視(HDTV)和無線區域網(WLAN)。隨著DSP晶片技術的發展，格柵編碼技術、軟判決技術、通道自適應技術等成熟技術的應用，OFMD技術的實現和完善指日可待。

由於技術的可實現性，在二十世紀90年代，OFDM廣泛用幹各種數字傳輸和通訊中，如移動無線FM通道，高位元率數字使用者線系統(HDSL)，不對稱數字使用者線系統(ADSL)，甚高位元率數字使用者線系統HDSI〕，數字音訊廣播(DAB)系統，數字視訊廣播(

DVB)和HDTV地面傳播系統。1999年，IEEE802.lla通過了一個SGHz的無線區域網標準，其中OFDM調製技術被採用為物理層標準，使得傳輸速率可以達54MbPs。這樣，可提供25MbPs的無線ATM介面和10MbPs的乙太網無線幀結構介面，並支援語音、資料、影象業務。這樣的速率完全能滿足室內、室外的各種應用場合。歐洲電信組織(ETsl)的寬頻射頻接入網的區域網標準HiperiLAN2也把OFDM定為它的調製標準技術。 

2001年，IEEE802.16通過了無線區域網標準，該標準根據使用頻段的不同，具體可分為視距和非視距兩種。其中，使用2一11GHz許可和免許可頻段，由於在該頻段波長較長，適合非視距傳播，此時系統會存在較強的多徑效應，而在免許可頻段還存在干擾問題，所以系統採用了抵抗多徑效應、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上有明顯優勢的OFDM調製，多址方式為OFDMA。而後，IEEE802.16的標準每年都在發展，2006年2月，IEEE802.16e(移動寬頻無線都會網路接入空中介面標準)形成了最終的出版物。當然，採用的調製方式仍然是OFDM。 

2004年11月，根據眾多行動通訊運營商、製造商和研究機構的要求，3GPP通過被稱為LongTermEvolution(LTE)即“3G長期演進”的立項工作。專案以制定3G演進型系統技術規範作為目標。3GPP經過激烈的討論和艱苦的融合，終於在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術，即下行OFDM，上行SC(單載波關FDMA。OFDM由於技術的成熟性，被選用為下行標準很快就達成了共識。而上行技術的選擇上，由於OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些裝置商認為會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，一些則認為可以通過濾波，削峰等方法限制峰均比。不過，經過討論後，最後上行還是採用了SC一FDMA方式。擁有我國自主智慧財產權的3G標準一一TD-SCDMA在LTE演進計劃中也提出了TD一CDM一OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目標，並希望在2010年予以實現。B3G/4G的目標是在高速移動環境下支援高達100Mb/S的下行資料傳輸速率，在室內和靜止環境下支援高達IGb/S的下行資料傳輸速率。而OFDM技術也將扮演重要的角色^[1]。

OFDM - 原理和基本模型

OFDM基帶訊號處理原理圖

正交頻分複用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)是一種多載波調製方式，通過減小和消除碼間串擾的影響來克服通道的頻率選擇性衰落。它的基本原理是將訊號分割為N個子訊號，然後用N個子訊號分別調製N個相互正交的子載波。由於子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。近幾年OFDM在無線通訊領域得到了廣泛的應用。

圖是OFDM基帶訊號處理原理圖。其中，（a）是發射機工作原理，（b）是接收機工作原理。 

當調製訊號通過無線通道到達接收端時，由於通道多徑效應帶來的碼間串擾的作用，子載波之間不再保持良好的正交狀態，因而傳送前需要在碼元間插入保護間隔。如果保護間隔大於最大時延擴充套件，則所有時延小於保護間隔的多徑訊號將不會延伸到下一個碼元期間，從而有效地消除了碼間串擾。當採用單載波調製時，為減小ISI的影響，需要採用多級均衡器，這會遇到收斂和複雜性高等問題。  

在發射端，首先對位元流進行QAM或QPSK調製，然後依次經過串並變換和IFFT變換，再將並行資料轉化為序列資料，加上保護間隔（又稱“迴圈字首”），形成OFDM碼元。在組幀時，須加入同步序列和通道估計序列，以便接收端進行突發檢測、同步和通道估計，最後輸出正交的基帶訊號。

當接收機檢測到訊號到達時，首先進行同步和通道估計。當完成時間同步、小數倍頻偏估計和糾正後，經過FFT變換，進行整數倍頻偏估計和糾正，此時得到的資料是QAM或QPSK的已調資料。對該資料進行相應的解調，就可得到位元流。

OFDM提高頻譜效率 FDM/FDMA（頻分複用/多址）技術其實是傳統的技術，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶（子載波）進行並行傳送是最樸素的實現寬頻傳輸的方法。但是為了避免各子載波之間的干擾，不得不在相鄰的子載波之間保留較大的間隔（如圖（a）所示），這大大降低了頻譜效率。因此，頻譜效率更高的TDM/TDMA（時分複用/多址）和CDM/CDMA技術成為了無線通訊的核心傳輸技術。但近幾年，由於數字調製技術FFT（快速傅麗葉變換）的發展，使FDM技術有了革命性的變化。FFT允許將FDM的各個子載波重疊排列，同時保持子載波之間的正交性（以避免子載波之間干擾）。如圖（b）所示，部分重疊的子載波排列可以大大提高頻譜效率，因為相同的頻寬內可以容納更多的子載波。

OFDM - 系統設計

1. 引數的設計

一個好的系統設計必須可以避免ISI和ICI，或者至少將他們抑制到可接受的程度。也就是說，要選擇一個足夠的CP以防止由頻率選擇性衰落而引起的ISI和ICI，同時要選擇適當的OFDM符號長度，使通道衝激響應（CIR）至少在一個OFDM符號期間是不變的。

由於OFDM系統對頻偏和相位噪聲敏感，因此OFDM子載波寬度必須仔細選定，既不能太大也不能太小。因為OFDM符號週期和子載波頻寬成反比，所以在一定的CP長度下，子載波寬度越小，則符號週期越大，頻譜效率也越高（因為每個OFDM符號前都要插入一個CP，CP是系統開銷，不傳輸有效資料）。但如果子載波寬度過小，則對頻偏過於敏感，難以支援高速移動的終端。

CP長度的選擇與無線通道的時延擴充套件和小區的半徑大小息息相關，時延擴充套件和小區半徑越大，需要的CP也越長。另外，在巨集分集（Macrodiversity）廣播系統中，由於終端收到各基站同時發出的訊號，為了避免由於傳輸延遲差造成的干擾，需要額外加長CP。

優化設計對OFDM系統來說是非常重要的，實際系統需要處理各種不同的環境（通道引數很不同）。一個解決問題的辦法是根據最差的情況（巨集小區高速移動使用者）優化引數，另一個可選的方法是根據各種不同的環境（室內、室外、巨集小區、微小區、微微小區等）優化引數，但這就需要設計高度靈活的收發信機。 

2. 通道估計和導頻設計

OFDM系統的通道估計，從某種意義上講，比單載波複雜。需要考慮在獲得較高效能的同時儘可能減小開銷。因此導頻插入的方式（時分複用還是頻分複用）及導頻的密度都需要認真考慮。

（1）導頻插入方式

導頻插入方式 方式（a）：TDM插入方式。導頻在所有子載波上傳送，時域的最小單元是一個包含導頻資訊的OFDM符號，系統每隔若干個資料符號傳送一個導頻符號。這種插入方式適用於時域變化小的通道，如室內環境。

方式（b）：FDM插入方式。導頻資訊在時域上持續傳送，在頻域上只佔用少數特定的預留子載波，每隔若干子載波傳送一個導頻子載波。這種插入方式對移動性的支援較好，但需要在頻域上進行內插（interpolation）。

方式（c）：離散（Scattered）插入方式。這種插入方式是FDM和TDM方式的結合。在頻域上，每隔若干子載波插入一個導頻子載波。在時域上，每隔若干個符號插入一個導頻符號。這種插入方式可以充分利用頻域和時域上的相關性，用盡可能小的導頻開銷，支援高精度的通道估計，但這種方法需要同時在頻域和時域上做內插。

不同的導頻插入方式適用於不同的用途（如同步、相位噪聲補償、通道估計等），例如，採用專用的導頻子載波（即FDM插入方式）適合用於相位補償和載頻的微調；採用專用的導頻符號（即TDM插入方式）適合用於通道估計和時域/頻域的粗同步; 而離散的導頻插入可同時用於通道估計和載頻偏移的微調，從而有效地減少導頻的開銷。具體採用哪種插入方式，還要根據系統的實際需求選擇。

3. 鏈路自適應

由於可以在頻域劃分空口資源，AMC（自適應調製和編碼）和功率控制技術在OFDM系統中更容易使用。系統可以對某個子載波或子載波組獨立做AMC和功控，不同的子載波（組）可以採用不同的調製編碼速率和發射功率，大大增加AMC和功控的靈活性。

另外可以根據通道的頻率響應進行頻域排程，選用通道質量較高的子載波（組）進行傳輸。鏈路自適應如果設計的好，可以最大限度地實現OFDM系統的容量。

4. 控制資訊的分佈

OFDM控制通道插入方式 如何在時域和頻域插入控制通道，還是比較自由的。圖給出了一種控制通道插入方式。由於控制資訊通常以最低的調製階數進行調製，因此控制資訊還可以作為額外的導頻符號來提高通道估計的效能，並降低導頻的開銷。尤其是對高階調製的資料的解調可以起到較大的輔助作用。不過這樣一來，控制資訊的位置必須與導頻位置相對應，如果採用分散的導頻插入方式，控制通道也應採用分散的插入方式。另外，這種方法要求先解調/解碼控制通道，再開始資料的解調，因此增加了額外的處理時延。

5. 上行同步

在上行OFDM系統中，由於要保持各使用者之間的正交性，需要使多個使用者的訊號在基站“同步接收”，即各使用者的訊號需要同時到達基站，誤差在CP之內。由於各使用者距基站的距離不同，需要對各終端的發射時鐘進行調整，距離較遠的終端較早傳送，距離較近的終端較晚傳送，這種操作稱為“上行同步”或“時鐘控制”（Timing Control）。

6. 多小區多址和干擾抑制

OFDM系統雖然保證了小區內使用者間的正交性，但無法實現自然的小區間多址（CDMA則很容易實現）。如果不採取任何額外設計，系統將面臨嚴重的小區間干擾（某些寬頻無線接入系統就因缺乏這方面的考慮而可能為多小區組網帶來困難）。可能的解決方案包括：跳頻OFDMA、加擾、小區間頻域協調、干擾消除等。

OFDM - 硬體結構

OFDM調製解調與常規調製解調相比，所需的運算量大，尤其是當系統選用的子載波個數多時，僅在發射端的IFFT變換和接收端的FFT變換所需的時間就很長。通常使用FPGA和高速的DSP解決該問題。由於在接收端還要完成訊號突發檢測、同步和頻偏校正等數字訊號處理，所以接收端對實時性要求更高。在該系統中，使用FPGA完成訊號的突發檢測和定時，DSP完成FFT/IFFT變換和QAM/QPSK調製解調。

OFDM系統硬體結構

 本系統主要由4部分組成：DSP、FPGA、正交數字上變頻器（QuadratureDigitalUpconverter）、正交數字下變頻器（Quadrature Digital Downconverter）。系統硬體結構如圖2所示。圖中，D表示資料匯流排，A表示地址匯流排，C表示控制匯流排， L表示鏈路口資料線， 字母后面的數字表示匯流排的位數。50 MHz晶振為兩片DSP及FPGA提供時鐘訊號，32.768 MHz高穩定度晶振為AD9857和AD6654提供高質量的時鐘訊號。復位晶片MAX6708控制DSP、FPGA、AD9857、AD6654和ST16C550的復位。

DSP完成QAM或QPSK的調製解調和FFT/IFFT變換。系統所使用的DSP是ADI公司的TigersharcTS101。該DSP具有以下特性：最高工作頻率為300 MHz，3.3 ns指令週期；6 MB片內SRAM；2個計算模組，每個模組都有1個ALU、1個乘法器、1個移位暫存器和1個暫存器組；2個整型ALU，用來提供定址和指標操作；14個DMA控制器；1149.1 IEEE JTAG口。對於OFDM基帶處理，該DSP最大的特點是： 進行256點的複數FFT變換，僅需3.67 μs。

正交數字上變頻器採用ADI公司的AD9857。AD9857最高工作頻率為200MHz,輸出中頻頻率範圍為0~80MHz；內部整合半帶濾波器、CIC(CascadedIntegrator Comb)濾波器，反SINC濾波器和高速的14位數/模轉換器，其核心是一個相位連續的直接數字頻率合成器DDS (Direct Digital Synthesizer)。在該方案中，AD9857工作在正交調製模式，其32位頻率控制字使輸出頻率的最高精確度為：SYSCLK(系統時鐘)除以232。

正交數字下變頻器採用ADI公司的AD6654。AD6654內部集成了一個14位、92.16Msps的模/數轉換器和4/6通道的數字下變頻器。每個通道可獨立配置。數字下變頻內部集成了頻率變換器、可程式設計級聯梳狀濾波器（CIC）、2個濾波器組和數字自動增益控制。其中：頻率變換是通過32位數控振盪器實現的；CIC實現1~32倍的抽取；2個濾波器組包括FIR濾波器和2倍抽取的半帶濾波器。輸入的中頻模擬訊號經過ADC和頻率變換後，使用濾波器組進行濾波和抽取，最後並行輸出正交基帶數字訊號。輸入中頻訊號頻率最高可到200MHz，此時，使用欠取樣技術。

OFDM - 技術優勢

OFDM技術之所以成為新一代無線通訊核心技術的趨勢，是因為它具有如下的優點：

頻譜效率高

OFDM頻譜效率比較 由於FFT處理使各子載波可以部分重疊，理論上可以接近Nyquist極限。以OFDM為基礎的多址技術OFDMA(正交分頻多重進接)可以實現小區內各使用者之間的正交性，從而有效地避免了使用者間干擾。這使OFDM系統可以實現很高的小區容量。

頻寬擴充套件性強

由於OFDM系統的訊號頻寬取決於使用的子載波的數量，因此OFDM系統具有很好的頻寬擴充套件性。小到幾百kHz，大到幾百MHz，都很容易實現。尤其是隨著行動通訊寬頻化(將由￡5MHz增加到最大20MHz)，OFDM系統對大頻寬的有效支援，成為其相對於單載波技術(如CDMA)的“決定性優勢”。

抗多徑衰落

由於OFDM將寬頻傳輸轉化為很多子載波上的窄帶傳輸，每個子載波上的通道可以看作水平衰落通道，從而大大降低了接收機均衡器的複雜度。相反，單載波訊號的多徑均衡的複雜度隨著頻寬的增大而急劇增加，很難支援較大的頻寬(如20MHz)。

頻譜資源靈活分配

OFDM系統可以通過靈活的選擇適合的子載波進行傳輸，來實現動態的頻域資源分配，從而充分利用頻率分集和多使用者分集，以獲得最佳的系統性能。

實現MIMO技術較簡單

由於每個OFDM子載波內的通道可看作水平衰落通道，多天線(MIMO)系統帶來的額外複雜度可以控制在較低的水平(隨天線數量呈線性增加)。相反，單載波MIMO系統的複雜度與天線數量和多徑數量的乘積的冪成正比，很不利於MIMO技術的應用。  

OFDM - 存在缺點

(1) OFDM對系統定時和頻率偏移敏感

OFDM頻率偏差錯誤 定時偏差會引起子載波相位的旋轉，如圖8所示，而且相位旋轉角度與子載波的頻率有關，頻率越高，旋轉角度越大，如果定時的偏移量與最大時延擴充套件的長度之和仍小於迴圈字首的長度，此時子載波之間的正交性仍然成立，沒有ISI和ICI（通道間干擾），對解調出來的資料資訊符號的影響只是一個相位的旋轉。如果定時的偏移量與最大時延擴充套件的長度之和大於迴圈字首的長度，這時一部分資料資訊丟失了，而且最為嚴重的是子載波之間的正交性破壞了，由此帶來了ISI和ICI，這是影響系統性能的關鍵問題之一。

頻率偏差是由收發裝置的本地載頻之間的偏差、通道的多普勒頻移等引起的，由子載波間隔的整數倍和子載波間隔的小數倍偏移構成。子載波間隔整數倍不會引起ICI，但是解調出來的資訊符號的錯誤率為50％，子載波間隔的小數倍的偏移由於抽樣點不在頂點，如圖9所示，破壞了子載波之間的正交性由此引起了ICI。

(2)存在較高的峰值平均功率比

較高的峰值平均功率比 多載波系統的輸出是多個子通道訊號的疊加，因此如果多個訊號相位一致時，所得的疊加訊號的瞬時功率會遠遠高於訊號的平均功率，如圖10所示。因此可能帶來訊號畸變，使訊號的頻譜發生變化，子通道間正交性遭到破壞，產生干擾。

OFDM - 實現中的問題

雖然OFDM已成為新一代無線通訊最有競爭力的技術，但這種技術也存在一些內在的侷限和設計中必須注意的問題：

子載波的排列和分配

OFDM子載波可以按兩種方式排列：集中式(Locolized)和分散式(Distributed)。

集中式即將若干連續子載波分配給一個使用者，這種方式下系統可以通過頻域排程(scheduling)選擇較優的子載波組(使用者)進行傳輸，從而獲得多使用者分集增益。

另外，集中方式也可以降低通道估計的難度。但這種方式獲得的頻率分集增益較小，使用者平均效能略差。

分散式系統將分配給一個使用者的子載波分散到整個頻寬，從而獲得頻率分集增益。但這種方式下通道估計較為複雜，也無法採用頻域排程。設計中應根據實際情況在上述兩種方式中靈活進行選擇。

PAPR問題

OFDM系統由於傳送頻域訊號，峰平比(PAPR)較高，從而會增加了發射機功放的成本和耗電量，不利於在上行鏈路實現(終端成本和耗電量受到限制)。在未來的上行移動通訊系統中，很可能將採用改進型的OFDM技術，如DFT-S(離散傅麗葉變換擴充套件)-OFDM或帶有降PAPR技術(子載波保留、削波)的OFDM。

頻偏問題和相位噪聲

OFDM系統由於子載波寬度較窄，對頻偏和相位噪聲敏感(導致子載波間正交性惡化)。因此OFDM子載波寬度必須仔細選定，既不能太大(頻譜效率較低)，也不能太小(難以支援高速移動)。

OFDM的小區間干擾 通道估計和導頻設計

OFDM系統的通道估計，從某種意義上講，比單載波複雜。需要考慮在獲得較高效能的同時儘可能減小開銷。因此導頻插入的方式(時分複用還是頻分複用)及導頻的密度都需要認真考慮。

多小區多址和干擾抑制

OFDM系統雖然保證了小區內使用者間的正交性，但無法實現自然的小區間多址(CDMA則很容易實現)。

如果不採取任何額外設計，系統將面臨嚴重的小區間干擾(WiMAX系統就因缺乏這方面的考慮而可能為多小區組網帶來困難)。可能的解決方案包括：跳頻OFDMA、小區間頻域協調、干擾消除等。

OFDM - OFDMA

隨著OFDM技術的發展，也出現了一系列改進的OFDM技術，以解決OFDM本身的一些問題。下面對最主要的幾個技術進行介紹。首先，OFDM本身不具有多址能力，需要和其他的多址技術，如TDMA、CDMA、FDMA等結合實現多址，包括OFDMA（正交頻分複用）、MC（多載波）-CDMA、MC-DS（直接序列擴頻）-CDMA、VSF-OFCDM（可變擴頻因子正交頻碼分複用）等技術。

相關推薦