OFDM系统技术的优势与劣势

　　摘要

现如今，在中国移动通信领域中，最为重要的技术之一，即为正交频分复用技术，简称OFDM技术。对于该技术而言，其具备相对较强的抗多径衰落能力，并且能够有效预防符号间存在的干扰现象，切实满足了无线信道内部高速传输的根本需求，故此，这项技术，受到诸多研发者的广泛青睐。实际上，由于OFDM技术中，涉及到正交多载波技术，故此，其具备相对较高的实际频谱利用率。在当其时期，已经广泛运用于无线局域网、数字音频广播及其相应的数字视频广播等多样化系统之中，OFDM在4GLTE技术中也已经得到了使用，是LTE三大关键技术之一，并且很有希望在5G中作为主要的调制方式。

本篇论文，基于多载波调制理论，并且辅以数量性的应用研究，针对OFDM系统于AWGN信道亦或是多径瑞利衰落信道中，所表现出的多样化性能，进行了更深层次的细致研究。与此同时，基于Simulink仿真平台，成功构建出相对完善的OFDM数字基带传输模型。除此之外，针对MDPSK、MPSK及其MQAM等诸多调制映射方式，是否会对OFDM系统中存在的实际误码率，产生一系列影响的实际问题，进行了相对细致的分析与阐述。

　　关键词：正交频分复用；调制；误码率

　　引言

本篇论文，重点阐述了正交频分复用数字传输系统的实际应用。实际上，该系统的本质为关键的多载波传输方案，能够切实满足无线信道内部高速传输的根本需求，并且伴随着相对良好的抗频率选择性衰落及其相应的窄带干扰等诸多性能。对于此类系统而言，其基本特点在于能够促进多样化子载波彼此之间的相互正交，从而切实降低其中涉及到的互相干扰现象。此外，由于已经完成调制的相关子载波频谱，有可能存在局部重叠现象，故此，将会有效提升实际频谱利用率。鉴于该项技术的实用性和重要性，通过理论理解和仿真分析的方式，建立起对OFDM技术清晰、明确的概念，具有一定的研究价值和实际应用意义。

近年来，在中国无线移动通信领域中，研究者致力于发掘OFDM的实用性，并试图将其与其他多样化多址技术有机结合，力求获得相对良好的成效。因此，在本课题中，将在OFDM技术理论的基础上利用Simulink仿真平台搭建OFDM系统模型，在MPSK、MDPSK、MQAM等不同的信源调制方式下，针对OFDM系统涉及到的多样化特性，进行进一步的细致比较与分析。

　　第1章绪论

　　1.1概述

当今社会，无线通信技术占有十分重要的地位。随着社会的发展，传统的通信技术已经无法适应和容纳日益庞大的用户群。现如今，研发者的目光，都逐渐聚焦于第五代移动通信系统，这是由于，该系统能够容纳更多的用户数量，并且能够针对既定的通信质量，进行良好的改进，从而实现高速传输。对于OFDM而言，由于其具备相对较高的频谱利用率，并且无需耗费高昂的经济成本，故此，受到研发者的广泛青睐。在当前时期，人们对于通信领域，提出了较为严苛的多样化需求，不断推进国家逐步实现宽带化及其定制化。在此背景下，OFDM技术的关键性不言而喻。

　　1.2OFDM技术发展背景

1.2.1OFDM技术发展的历史及现状

对于正交频分复用数字传输系统而言，其本质为关键的多载波传输方案。由于其具备相对良好的抗频率选择性衰落及其相应的窄带干扰等诸多性能，故此，受到了研究者的广泛青睐。正交频分复用（OFDM）技术，在20世纪50年代，就已经被学者提出，当其发展至20世纪60年代时，已经存在并行数据传输及其相应的频分复用等基本概念。值得一提的是，在1970年初，OFDM技术专利被正式授权。

事实上，对于早期既定的并行数据传输系统而言，会将综合的信号频段，细分成N个彼此独立的频率子信道。在所有子信道中，都能独立传输自身特有的调制符号，其次，将N个子信道结合起来，就能实现频率复用。对于这种方式来说，从表面上看，其虽然能够有效消除不同信道彼此之间存在的干扰现象，然而，却也同样会造成频谱资源的浪费。针对上述问题，有学者于20世纪60年代，提出将其通过覆盖的形式，将其与OFDM结合起来。在此过程中，所有子信道内部已经承载的相关信号，其实际传输速率必须满足bbit/s，与此同时，其实际频域距离必须满足bHz，才能有效规避运用到高速均衡功能。除此之外，还能在一定程度上，有效处理窄带脉冲噪声及其相应的多径衰落现象，并且能够切实提升频谱资源的实际利用率。

综上所述，对于多载波技术而言，传统与新型的技术之间，存在着极为明显的差异性。如果选择重叠多载波调制技术，则能够有效节约近一半的实际带宽。故此，若想实现新型的多载波技术，就应该切实降低不同子信道彼此之间存在的干扰现象，从而保持相对良好的正交性。

1971年度，学者Weinstein及其学者Ebert，曾经将离散傅里叶变换技术，运用到上述系统中，作为调制和解调过程的一部分。这样就不再利用带通滤波器，而是利用基带，进行相对细致的处理，就能实现OFDM技术。在此过程中，无需运用到子载波振荡器组及其相应的相干解调器，只需要基于离散傅里叶变换技术所涉及到的相关硬件，即可完成实施。

20世纪60年代，OFDM技术广泛运用于各国的军事领域，用于研发出多样化类型的高频军事系统，最为典型的即为KINEPLEX和KNTHRYN系统。例如：在KNTHRYN系统中，涉及到的数据调制解调器，能够同时存在34个并行低速调相子信道，与此同时，不同子信道彼此之间存在的间隔，仅仅为82Hz。

事实上，对于OFDM技术而言，其在20世纪80年代，才得以盛行于数字音频广播方案中。自此以后，这项技术开始逐渐进入研发者的视野，并通过数字视频广播等形式表现出来。

对于DAB技术而言，其主要基于AM模拟广播及其FM模拟广播，才得以实现蓬勃发展。1995年度，ETSI协会为其制定了相对完善的DAB标准，这是第一个使用OFDM的标准。1997年度，DVB标准也应运而生。在ADSL应用中，OFDM主要应用于离散多音调制，并在有线环境中如鱼得水，能够于1MHz的带宽内部，实现8Mbit/s的实际数据传输速率。1998年度，通过反复整改，IEEE802.11标准组决定选择OFDM作为WLAN（工作于5GHz波段)的最终物理层接入方案，目标是提供6Mbit/s–54Mbit/s数据速率，实际上，这成为了OFDM技术的里程碑，是其首次运用于分组业务通信，而且此后，ETSI、BRAN及其相应的MMAC技术，都逐渐选择OFDM，将其作为自身物理层的最终标准。

除此之外，OFDM技术能够有效结合空时编码及其干扰(包括码间干扰即ISI和载波间干扰即ICI)或者为智能天线等多样化技术，从而切实提升物理层信息在实际传输过程中的可靠性。如果再结合自适应调制及其相应的动态子载波分配等诸多技术，则将会使其涉及到的诸多性能，得到持续优化。

1.2.2OFDM系统的主要优缺点

现如今，OFDM系统已经得到了诸多研究者的广泛青睐，这是由于，该系统具备下述多样化实际优势：

（1）对于高速数据流而言，当其经由串/并联的实际转换，能够有效提升全部子载波所涉及到的数据符号长度，从而切实降低由于无线信道内部存在的时间弥散，而造成的ISI，这就大幅度简化了接收机的内部均衡，甚至于在某些情况下，能够放弃均衡器，只需要选择插入循环前缀的具体方法，就能预防码间干扰现象。

（2）在OFDM系统中，由于多样化子载波彼此之间，存在相对良好的正交性，故此，其能够切实提升频谱资源的实际利用率。

（3）如果在某些系统中，N的数值相对较大，则能够运用快速傅里叶变换，简称FFT的技术，来进行实现。

（4）通常情况下，无线信道将会具备一定的频率选择性，在此情况下，基于动态比特分配及其相应的动态子信道分配等具体方式，能够针对信噪比相对较高的特定用户信道，实现相对良好的利用，以此来切实提升系统自身具备的多样化性能。

（5）OFDM系统能够与多元化接入方法，进行紧密结合，从而实现共同使用，以此来构成OFDM系统，其中，主要涉及到多载波码分多址方法MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，有助于相关用户能够基于OFDM技术，在同一时间内，实现不同信息彼此之间的传递。

（6）由于窄带干扰只会对局部的户载波，产生一定的影响，故此，对于OFDM系统而言，其能够适度抵抗此类窄带干扰。

然而，对于OFDM系统而言，其内部存在诸多的正交子载波，与此同时，其所涉及到的输出信号，主要为不同子信道信号之间的相互叠加，故此，其相较于单载波系统而言，主要存在下述劣势：

其一，容易受到频率偏差带来的实际影响

对于子信道而言，由于其多样化频谱之间，存在相互覆盖的现象，故此，子信道必须具备相对良好的正交性。然而，对于无线信道而言，其通常都会存在一定的时变性，当进行实际传输时，其可能会存在信号的频率偏移现象，从而切实降低OFDM系统中不同子载波彼此之间存在的正交性，进而造成对应的信号相互干扰现象。

其二，其具备相对较高的实际峰值平均功率

一般情况下，相较于单载波系统而言，新型的多载波调制系统，在进行实际输出的过程中，表现为多样化子信道信号彼此之间的相互叠加。故此，假设多样化信号所涉及到的相位完全相同，则最终获得的叠加信号，表现出的瞬时功率，将会高于其所对应的平均功率，从而造成峰值平均功率比的大幅度提升。在此情况下，发射机内放大器必须具备相对较高的线性，才能切实满足一系列实际需求，假设该构件的线性不足，则将会直接造成信号畸变，从而影响到叠加信号表现出的频谱，进而造成多样化子信道信号彼此之间涉及到的正交性破坏，严重威胁到系统的性能体现。

对于OFDM调制技术而言，通常情况下，其可以有效抑制多径信道内部存在的频率选择性衰落，当切实提升频带的实际利用率，并且实现自适应分配数据流的情况下，即能实现最佳的高速数据通信。实际上，对于OFDM而言，其主要是将处于高速运行情况下的串行数据，通过相应的转化，转化为处于低速运行情况下的并行数据，从而将其调制为等频率间隔，并且能够实现彼此之间相互正交的子载波表面，实现良好的并行传输。唯有如此，才能将整体的总信道带宽，通过细分，形成诸多表现为等带宽形式的子信道，这就能够有效降低由于频率选择性衰减而带来的实际影响。除此之外，将邻近的OFDM符号彼此之间，融于合理的循环前缀，将能切实降低多径信道内部存在的扩展时延现象，从而尽可能规避符号间干扰及其相应子信道间干扰情况的发生。与此同时，OFDM系统中涉及到的正交调制功能及其解调功能，能够基于IFFT/FFT算法而轻易实现。

1.2.3OFDM的关键技术

OFDM的几个关键技术就是要克服OFDM的主要缺点，即如何更好的消除频偏的影响(同步技术)，如何降低峰均比及如何进行信道均衡(信道估计技术)，这些就是OFDM三个关键技术。

1、同步技术

对于OFDM系统而言，其内部涉及到下述方面的实际要求：

(1)载波同步：通常情况下，处于接收端的实际振荡频率，必须和发送载波之间，实现同频率同相位；

(2)样值同步：一般情况下，处于接收端的实际抽样频率，必须和处于发射端的实际抽样频率，保持完全一致；

(3)符号同步：对于IFFT而言，其与FFT之间涉及到的起止时刻，必须保持完全一致。

2、峰值平均功率比

相较于单载波系统而言，新型的多载波调制系统，在进行实际输出的过程中，表现为多样化子信道信号彼此之间的相互叠加。故此，假设多样化信号所涉及到的相位完全相同，则最终获得的叠加信号，表现出的瞬时功率，将会高于其所对应的平均功率，从而造成峰值平均功率比的大幅度提升。在此情况下，发射机内放大器必须具备相对较高的线性，才能切实满足一系列实际需求，假设该构件的线性不足，则将会直接造成信号畸变，从而影响到叠加信号表现出的频谱，进而造成多样化子信道信号彼此之间涉及到的正交性破坏，严重威胁到系统的性能体现。

已经提出的几种相应的能够切实降低PAR的具体方法如下：

(1)利用信号预畸变技术减小PAR。对于相关信号而言，其必须通过相应的非线性处理，才能被传送至放大器，在此过程中，通过运用信号预畸变技术，能够保证放大器持续保持在一定的动态范围内，从而切实规避高数值PAR的产生。最常用的信号预畸变技术，不仅包含限幅技术[1]，与此同时，包含压缩扩张技术[2,3]。

(2)利用编码方法减小PAR[4,5,6,7]。通常情况下，应该基于下述方面，进行综合考虑：其一，找出能够通用于全部子载波个数及其阶数调制方案的特殊组码字；其二，在其中挑选可以进行编码及其译码的特定码组；其三，再次挑选出具备相对良好纠错能力的码组。在当前时期，最为典型的即为Golay序列，称为格雷互补序列。

(3)非畸变减少PAR的方法，有选择映射(SLM)法[8,9]以及部分传输序列(PTS)方法减小PAR。对于映射法而言，其能够通过融入相对较小的冗余，来切实提升PAR具备的统计特性。后者是将输入信号进行分割形成分组，然后对这些分组进行合并，以减少PAR。不同的分割方法PAR性能也不同。通常情况下，分割方法大致细分为三种，其中，主要涉及到相邻分割方法及其交织分割方法，与此同时，包含随机分割方法。

3、信道估计技术

相干检测需要用到信道的信息，故此，应该首先于接收端，进行细致的信道估计。在多载波系统中，如果选择运用差分调制方案，则对于接收端而言，将能实时进行非相干解调，如欧洲DAB就已经选择了DPSK调制，然而，这种方式，主要适用于相对较低数据速率的情况下。

图1.1正交频分复用系统具体流程示意图

4、自适应技术

对于OFDM技术而言，其所具备的主要优势，在于能够基于信道内部存在的频率选择性衰弱情况，针对多样化子载波涉及到的信息比特数及其相应的发送功率，进行实时调整，从而达到不断优化系统诸多性能的根本目的。这种技术一般被称之为自适应调制技术。当存在数量性用户的状态下，通过运用自适应技术，能够切实保障系统的实际传输速率。然而，在实际运用的过程中，需要考虑到频率分组及其信道估计误差等诸多因素的综合影响。其中，以信道估计误差方面，对于系统性能造成的实际影响最为直接。

5、信道时变性的影响

在信道中存在的时变性，将很有可能造成接收信道内部，产生多普勒扩展现象，从而影响到OFDM信号具备的正交性，进而间接影响到系统的整体性能。在此情况下，最佳的应对方式，就是选择信道编码加交织技术，来解决这一问题，以此来有效提升系统具备的整体性能。

6、其他相关技术

综上所述，需要根据系统的真实情况，进行差别对待。例如：基于蜂窝移动通信系统而言，应该综合考虑多址接入方法等诸多方面。

　　结论

无线通信技术在当今社会占有十分重要的地位，现如今，各种类型的多媒体业务，获得了相对稳定的蓬勃发展，在未来的通信系统中，不但要支持语音传输等低速率业务，而且对视频及其图像等多样化宽带数据业务的实际需求，将会与日俱增。然而当今的移动通信技术无法满足日益增长的通信需求，而在第五代（5G）移动通信技术中又以OFDM技术最受瞩目。

本篇论文，重点针对OFDM数字基带传输系统，进行了更深层次的细致研究，并积极构建了相对应的Simulink仿真模型。与此同时，基于多样化调制映射方式，也许会对该系统含有的实际误码性能，而造成的实际影响，进行了深入的探讨。得出了一些十分有意义的结论。在第二章节中，主要阐述了研究中的相关理论，详细分析和阐述了OFDM技术的理论，其中包括单载波与多载波传输系统、各调制解调方式的载波信号频谱比较、OFDM子载波间隔的选择、OFDM的IFFT/FFT实现以及保护间隔和循环前缀的插入。第三章主要介绍了OFDM传输系统的Simulink仿真实现，包括Simulink仿真平台介绍、系统参数的确定，重点介绍了OFDM可视化模型各组成模块的原理和功能。第四章作为全文的结束，是对整个仿真结果的分析和总结，分析了MDPSK、MPSK、MQAM等调制方式对于OFDM系统误码性能的影响以及OFDM系统的抗噪声能力。

本文的主要对各调制映射方式对OFDM系统误码性能的影响作了详尽的研究，并提出了OFDM传输系统的Simulink实现方法。同时，由于时间仓促等原因，研究中仍然存在以下的不足或者需要改进的地方：

（1）对于OFDM系统而言，只分析、研究了常用的MPDK、MDPSK、MQAM等调制方式对系统误码性能的影响。而在实际的应用中还会用到许多其他的调制方式。

（2）在仿真模型中，实际上，主要将多径瑞利衰弱信道内部存在的Doppler频移，保持为恒定的数值。但在现实的移动通信系统中，信道内部存在的Doppler频移，原则上是不断变化的。而Doppler频移与系统误码性能有着十分重要的关系。

（3）对于多径衰弱信道信的路径数目在OFDM传输系统中的影响，文中未给予研究，只是将瑞利信道路径数设为6径。然而，相对于系统而言，该参数是尤为关键的。