【LTE基礎(chǔ)知識(shí)】OFDM之基礎(chǔ)介紹與優(yōu)缺點(diǎn)

    在傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，整個(gè)信號(hào)頻段被劃分為N個(gè)相互不重疊的頻率子信道。每個(gè)子信道傳輸獨(dú)立的調(diào)制符號(hào)，然后再將N個(gè)子信道進(jìn)行頻率復(fù)用。這種避免信道頻譜重疊看起來(lái)有利于消除信道間的干擾，但是這樣又不能有效利用頻譜資源。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用，是一種能夠充分利用頻譜資源的多載波傳輸方式。常規(guī)頻分復(fù)用與OFDM的信道分配情況如下圖所示。可以看出OFDM至少能夠節(jié)約二分之一的頻譜資源。

    OFDM的主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，如下圖所示：

    OFDM利用快速傅立葉反變換（IFFT）和快速傅立葉變換（FFT）來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，如下圖所示：

    OFDM的調(diào)制解調(diào)流程如下：

1.  發(fā)射機(jī)在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為低速并行，利用正交的多個(gè)子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

2.  各個(gè)子載波使用獨(dú)立的調(diào)制器和解調(diào)器；

3.  各個(gè)子載波之間要求完全正交、各個(gè)子載波收發(fā)完全同步；

4.  發(fā)射機(jī)和接收機(jī)要精確同頻、同步，準(zhǔn)確進(jìn)行位采樣；

5.  接收機(jī)在解調(diào)器的后端進(jìn)行同步采樣，獲得數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)為高速串行。

    在向B3G/4G演進(jìn)的過(guò)程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集，時(shí)空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度的提高系統(tǒng)性能。

    20世紀(jì)50年代OFDM的概念就已經(jīng)被提出，但是受限于上面的步驟2、3，傳統(tǒng)的模擬技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)正交的子載波，因此早期沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，S.B.Weinstein和P.M.Ebert等人提出采用FFT實(shí)現(xiàn)正交載波調(diào)制的方法，為OFDM的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此后，為了克服通道多徑效應(yīng)和定時(shí)誤差引起的ISI符號(hào)間干擾，A.Peled和A.Ruizt提出了添加循環(huán)前綴的思想。

OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)

    OFDM系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注，其原因在于OFDM系統(tǒng)存在如下主要優(yōu)點(diǎn)：

  把高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)增加，從而可以有效地減小無(wú)線信道的時(shí)間彌散所帶愛(ài)的ISI，這樣就減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，有時(shí)甚至可以不采用均衡器，僅通過(guò)采用插入循環(huán)前綴的方法消除ISI的不利影響。

  OFDM系統(tǒng)由于各個(gè)子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。

  各個(gè)子信道中這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用快速傅立葉變換（FFT）和快速傅立葉反變換（IFF）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

  無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對(duì)稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，如Internet業(yè)務(wù)中的網(wǎng)頁(yè)瀏覽、FTP下載等。另一方面，移動(dòng)終端功率一般小于1W，在大蜂窩環(huán)境下傳輸速率低于10kbit/s～100kbit/s；而基站發(fā)送功率可以較大，有可能提供1Mbit/s以上的傳輸速率。因此無(wú)論從用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的使用需求，還是從移動(dòng)通信系統(tǒng)自身的要求考慮，都希望物理層支持非對(duì)稱高速數(shù)據(jù)傳輸，而OFDM系統(tǒng)可以很容易地通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

  由于無(wú)線信道存在頻率選擇性，不可能所有的子載波都同時(shí)處于比較深的衰落情況中，因此可以通過(guò)動(dòng)態(tài)比特分配以及動(dòng)態(tài)子信道的分配方法，充分利用信噪比較高的子信道，從而提高系統(tǒng)的性能。

  OFDM系統(tǒng)可以容易與其他多種接入方法相結(jié)合使用，構(gòu)成OFDMA系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多個(gè)用戶可以同時(shí)利用OFDM技術(shù)進(jìn)行信息的傳遞。

  因?yàn)檎瓗Ц蓴_只能影響一小部分的子載波，因此OFDM系統(tǒng)可以在某種程度上抵抗這種窄帶干擾。

但是OFDM系統(tǒng)內(nèi)由于存在多個(gè)正交子載波，而去其輸出信號(hào)是多個(gè)子信道的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在如下主要缺點(diǎn)：

  易受頻率偏差的影響：由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對(duì)它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求，然而由于無(wú)線信道存在時(shí)變性，在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的頻率偏移，例如多普勒頻移，或者由于發(fā)射機(jī)載波頻率與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)使得OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，從而導(dǎo)致子信道間的信號(hào)相互干擾，這種對(duì)頻率偏差敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。

  存在較高的峰值平均功率比：與單載波系統(tǒng)相比，由于多載波調(diào)制系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此如果多個(gè)信號(hào)的香味一致時(shí)，所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比（PAPR）。這就對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求，如果放大器的動(dòng)態(tài)范圍不能滿足信號(hào)的變化，則會(huì)為信號(hào)帶來(lái)畸變，使疊加信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個(gè)子信道信號(hào)之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生相互干擾，使系統(tǒng)性能惡化。