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1、OFDM在移动通信抗衰落中的应用摘要：针对移动通信信道的衰落，人们提出了许多解决方法。OFDM 是其中比较好的一种，文章简要论述了一下 OFDM 的基 本原理，求出子载频正交的条件，并考察了 OFDM在频域中的特 点。最后论述了 OFDM 在应用中的优缺点。关键词：抗衰落 OFDM 原理 优缺点移动通信信道是一个非常恶劣的通信环境，其中既有噪声、 干扰也存在衰落，这三个方面的因素对移动通信系统的性能都会 产生一定的负面影响，而其中衰落时我们最为关注的因素，因为 衰落时移动信道的基本特性，信号在传输过程中会有信号的反射、 折射、绕射、散射和吸收等现象，导致信号产生衰落，从而降低 了信号的传输质量
2、。移动通信要得以实现也必须有相应的技术来 克服这些因素的影响。一般而言，提高移动通信系统性能的技术有：分集、均衡和 信道编码。分集是抗衰落的主要技术，均衡可以补偿时分信道中 由于多径效应而产生的码间干扰，如果调制带宽超过了无线信道 的相干带宽，将会产生码间干扰，并且调制信号将会展宽。而接 收机内的均衡器可以对信道中幅度和延迟进行补偿。若信道不理想，在已调信号频带上很那保持理想传输特性时， 会造成信号的严重失真和码间串扰。为了解决这个问题，除了采 用均衡器外，途径之一就是采用多个载波，将信道分成许多子信 道。将基带马援均匀分散地对每个子信道的载波调制。假设有10 个子信道，若每个载波的调制码元速
3、率将降低至 1/10，每个子信 道的带宽也随之减小为 1/10。若子信道的带宽足够小，则可以认 为信道特性接近理想信道特性，码间串扰可以得到有效的克服。随着要求传输的码元速率不断提高，传输带宽也越来越宽， 今日多媒体通信的信息传输速率已经到达若干Mb/s，并且移动通 信的传输信道可能是在大城市中多径衰落严重的无线信道。为了 解决这个问题，并行调制的体制再次受到重视，正交频分复用（OFDM）就是在这种形势下得到发展的。OFDM也是一类多载 波并行调制的体制。为了提高频率利用率和增大传输速率，各路 子载波的已调信号频谱有部分重叠。各路已调信号是严格正交的， 以便接收端能完全分离各路信号，每路子载波
4、的调制是多进制调 制，每路子载波的调制制度可以不同，根据各个子载波处信道特 性的优劣不同采用不同的体制。OFDM信号是一种多频率的频分 调制体制。它具有优良的抗多径衰落能力，和对信道变化的自适 应能力，使用于衰落严重的无线信道中。设在一个 OFDM 系统中有 N 个子信道，每个子信道采用的 子载波为 x (t)二 B cos(2pift + 申)k=0,l,2N-1(1)k k k k式中：B为第k路子载波的振幅，它受基带码元的调制；f为第 kkk路子载波的频率；申为第k路子载波的初始相位。则在此系统 k中的N路信号之和可以表示为s(t)=艺x (t)=艺B cos(2pif t + 申)(2
5、)k k k kk =0k=0为了使这N路子信道信号在接收时能够完全分离，要求它们满足正交条件。在码元持续时间T内任意两个在载波都正交的条s件是：Fcos(2pif t + p )cos(2pif +p )dt = 0(3)kki i0式(3)可以用三角公式改写成 cos(2 pif t + 申)cos(2 pift + 申)dt = 0.5 J cos(2 pi (f - f )t + 申一申)dtkkiik ik i00+ 0.5J cos(2pi(f + f )t + 申 + 申)dt = 0k ik i0( 4 ) 它的积分结果为sin2pi(f + f )T +P +P 丄 sin2
6、pi(f 一 f )T +P -P kiski +ki sk2 pi( fk+f2 pi( fk 一 fsin(p +p )sin(p -p ) = ok i k i = 02pi( f + f )2pi( f - f )k ik i令式(5)等于0的条件是：(f + f )T = m 和(f - f )T = n(6)k i sk i s其中m和n均为整数，并且p和p可以取任意值由(6)解出，要求f 二(m + n)/2T即要求子载频满足f 二(m n)/2Tis/广 k /2Ts式中 k 为整数。且要求子载频间隔8)纣二 f f =n/Tkis故要求的最小子载频间隔为纣二 1/Tm i n
7、 s上面提出了子载频正交的条件，现在来考察 OFDM 在频域 中的特点。设在一个信道中子载频的频率为f、码元持续时间为T , k在 OFDM 中，各相邻子载频的频率间隔等于最小容许间隔纣二 1/T(10)s故各子载波的重叠在一起，虽然各路子载波的频谱重叠，但是实 际上在一个码元持续时间内它们是正交的，如(3)。故在接收端 很容易利用此正交特性将各路子载波分离开。采用这样密集的子 载频，并且在子信道间不需要保护频带间隔，因此能够充分而利 用频带。这是 OFDM 的一大优点。在子载频受调制后，若采用的 是 BPSK、 QPSK、 4QSK、 64QAM 等类调制，则其各路频谱的位 置和形状没有变化
8、，仅幅度和相位有变化，故仍保持其正交性，因为p和p可以取任意值而不影响正交性，各路子载波的调制制 ki度可以不同，按照各个子载波所处频段的信道特性采用不同的调 制制度，并且可以随信道特性的变化而变化，具有很大的灵活性。 这是 OFDM 的又一个重大优点。设一 OFDM 系统中共有 N 路子载波，子信道码元持续时间为T ,每路子载波均采用M进制的调制，则它占用的频带宽度等s11)B =匕1 （Hz）OFDM Ts频带利用率为单位带宽传输的比特率:“b/OFDM1N= l o g M (b / s - Hz)B N +12OFDM(12)13)当 N 很大时，u l o g M (b / s -
9、Hz)b / OFDM2若用单个载波的 M 进制码元传输，为了得到相同的传输速率，则 码元持续时间应缩短为T /N，而占用带宽等于2N/T ,故频带ss利用率为2S15)Nl o gM T 1“ b / m = 2N = 2logM (b / s -Hz)比较（13）和（14）可见，并行的OFDM体制和串行的单载波体 制相比，频带利用率大约可以增至 2 倍因此OFDM存在很多技术优点：在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分 开至少1000个数字信号，而且在干扰信号周围可以安全运行的能 力将直接威胁到目前市场上开始流行的 CDMA 技术进一步发展 壮大的态势，正是由于有了这种特殊
10、的信号“穿透能力”使得 OFDM 技术深受欧洲通信运营商的喜爱和欢迎。OFDM 技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的变 化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM 能动态和它相适应，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。该技术可以自动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使指定频率下 的载波进行成功通信。OFDM 技术特别适合使用在高层建筑、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。OFDM 技术的最大优点是对抗频率性衰落或窄带干扰。在单
11、载波系统中，单个衰落或干扰能导致整个通信链路失败，但是在 多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信 道还可以采用纠错码来进行纠错。可以有效的对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落 信道中高速数据传输，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携带的信息收影响， 其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好很多。通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力OFDM 技术本身已经利用了信道的频率分集，如果不是衰落特别严重， 就没有必要再加时域均衡器。通过各个信道联合编码，则可以使 系统性能得到提高。OFDM 技术抗窄带干扰性很强，因为这些
12、干扰仅仅影响到很 小一部分的子信道。可以选用基于 IFFT/FFT 的 OFDM 实现方法，信道利用率很 高。虽然 OFDM 有上述优点，但是其信号调制机制使得 OFDM 信号在传输过程中存在一些劣势：对相位噪声和载波频偏十分敏感，这是OFDM技术的一个缺 点，整个 OFDM 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，引起误差。峰均比过大，OFDM信号由多个子载波组成，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， OFDM 调制存在一个很高的峰值因子，因此 OFDM 信号是很多 个小信号的总和，这些小信号的相位是有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 而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大，将会增加 A/D 和 D/A 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OFDM 频段内和相邻频段之间产生干扰。所需线性范围宽，由于OFDM系统峰值平均功率比大，对非 线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的 线性范围要求更高。
