高小梅，胡長嶺

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，傳輸速率的不斷提高，同時傳輸帶寬也越來越寬，因此，如何高效充分的利用有限的帶寬成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中主要解決的問題。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方式，其高速，高質(zhì)量傳輸信息以及抗干擾強的特性使其在各類通信系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。

1 OFDM技術(shù)

1.1 OFDM技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)50年代OFDM傳輸思想的提出一直到20世紀(jì)六七十年代美國軍方的應(yīng)用。再到20世紀(jì)80年代大量的集成電路的運用，OFDM技術(shù)在不斷的成長。20世紀(jì)90年代被歐洲國家和澳大利亞最先應(yīng)用于廣播信道通信系統(tǒng)和數(shù)字電視及無線局域網(wǎng)。直到21世紀(jì)，OFDM技術(shù)被應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

1.2 OFDM技術(shù)的工作原理

OFDM是一種多載波并行傳輸方法，其基本原理便是將高速串行的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成低速并行的數(shù)據(jù)流，在N多個子載波上同時進行數(shù)據(jù)流的傳輸，符號不間斷的傳輸，每個數(shù)據(jù)符號的頻譜可占據(jù)全部可利用的帶寬。這些子載波又是有正交性的，雖然相互重疊，但不會出現(xiàn)子載波之間的干擾，從而提高了頻帶利用率。

2 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點

2.1 OFDM技術(shù)的優(yōu)點

1) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單：把高速率數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，從而有效減少由于無線信道的時間彌散所帶來的ISI，減少了接收機內(nèi)均衡的復(fù)雜度。

2) 頻譜資源利用率高：傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶分為若干個不相交的子頻帶來并行傳輸數(shù)據(jù)流，各個子信道之間保留足夠的保護頻帶。但是，OFDM系統(tǒng)由于各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，所以與常規(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。

3) 可以靈活采用不同調(diào)制解調(diào)方式：各個子信道的正交調(diào)制與解調(diào)可以通過采用離散傅里葉變換和離散傅里葉反變換來實現(xiàn)。在子載波很大的系統(tǒng)中，可以通過采用快速傅里葉變換來實現(xiàn)。而隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與DSP技術(shù)的發(fā)展，快速傅里葉變換與FFT都是容易實現(xiàn)的。

4) 實現(xiàn)非對稱傳輸：無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)存在非對稱性，即下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸量大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量。OFDM系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

5) OFDM易于和其他多種接入方法結(jié)合使用：其中包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM及OFDM-TDMA等，使得多個用戶可以同時利用OFDM技術(shù)進行信息傳輸[1]。

2.2 OFDM技術(shù)的缺陷

1) 對頻譜偏差敏感：無線信道的時變性，在傳輸過程中出現(xiàn)的無線信號頻譜偏移或發(fā)射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻譜偏差，都會使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致子信道間干擾。

2) 存在較高的峰值平均功率比：多載波系統(tǒng)的輸出是多個子信道的疊加，如果多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比。這就對發(fā)射機內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求[2]。

3 OFDM技術(shù)的應(yīng)用

3.1 OFDM技術(shù)在光纖通信中的應(yīng)用

3.1.1 直接檢測光OFDM系統(tǒng)

直接檢測光OFDM系統(tǒng)可以分為兩種不同的系統(tǒng)分別為線性映射DDO-OFDM系統(tǒng)和非線性DDO-OFDM系統(tǒng)，這是由其光OFDM信號的生成方式不同決定的。將基帶OFDM頻譜直接的復(fù)制在光OFDM頻譜上就認(rèn)為是線性映射DDO-OFDM系統(tǒng)，相反的不是直接將基帶OFDM頻譜復(fù)制到光OFDM頻譜上就是非線性映射DDO-OFDM系統(tǒng)。同時，在系統(tǒng)中不同的色散系數(shù)對傳輸距離有影響，所以需要在系統(tǒng)中對電域或光域的色散進行補償。并且在頻帶利用率與誤碼率的要求下需要對載波的數(shù)目進行選擇，這樣可以避免不同的載波數(shù)目對DDO-OFDM系統(tǒng)帶來的影響。

3.1.2 相干檢測光OFDM系統(tǒng)

光強度信息能夠在直接檢測光OFDM系統(tǒng)中被光檢測器檢測出，而其他的光載波的相位和頻率是不能夠被檢測出的，所以導(dǎo)致不能夠?qū)⒊跏紨?shù)字信號有效的被系統(tǒng)恢復(fù)出來。然而，相干檢測光OFDM系統(tǒng)能夠檢測出光載波的相位和頻率，很好的彌補了直接檢測光OFDM的這一不足之處。合適的子載波數(shù)目對于CO-OFDM系統(tǒng)性能的發(fā)揮是非常重要的，當(dāng)子載波數(shù)過于大時會造成信道干擾，而過于小時又會造成頻帶利用率下降。同時，不同的調(diào)制方式會對系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響，比如系統(tǒng)的光纖色散容限、非線性效應(yīng)及光信噪比等，所以為了要平衡好誤碼率小、頻譜利用率高、傳輸容量大以及傳輸距離長這些條件，選擇合適的調(diào)制方式也是十分必要的。還需要注意的是，差分群延時(DGD)對系統(tǒng)性能也會產(chǎn)生影響，當(dāng)DGD越來越大性能越來越好，但是超過某個值之后，受偏振模色散的影響，系統(tǒng)性能開始下降。

3.1.3 偏振復(fù)用CO-OFDM系統(tǒng)

CO-OFDM系統(tǒng)中引入了偏振復(fù)用技術(shù)，從而在提高了需要的系統(tǒng)容量的同時CO-OFDM系統(tǒng)能夠有效的估計和補償光纖中的偏振模色散，這樣既滿足了系統(tǒng)各個元器件的基本需求，又可以更好的提高系統(tǒng)的運行速率。將來在解決系統(tǒng)容量超大、超高速率、超長距離這些問題時偏振復(fù)用CO-OFDM系統(tǒng)會提供一種有效的方法。同時，單模光纖一般情況下具有兩種偏振模式而且偏振相關(guān)損耗(PDL)、偏振模色散(PMD)和色散(CD)效應(yīng)都會對光信號的傳輸產(chǎn)生影響。因為系統(tǒng)的運行性能，同時受到調(diào)制方式和子載波數(shù)目的影響，所以為了極大的提高系統(tǒng)性能相關(guān)工作人員在設(shè)定偏振復(fù)用CO-OFDM仿真系統(tǒng)時，要特別注意選擇調(diào)制方式和子載波數(shù)目。

3.2 OFDM技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著時代的發(fā)展，移動通信技術(shù)的不斷成熟，人們對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高，需要更大的信道容量和寬帶來滿足不同業(yè)務(wù)和不同終端的需求。而OFDM技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于第四代移動通信中，首先OFDM技術(shù)極強的抗多徑干擾和頻率選擇性衰落的能力縮短了多徑衰落帶來的影響。其次，在現(xiàn)如今OFDM技術(shù)與MIMO多輸入多輸出技術(shù)相融合，能夠提高系統(tǒng)容量，并且保證了多路徑傳輸信號的穩(wěn)定性。同時，降低了系統(tǒng)本身和外界的噪聲干擾。也使得OFDM技術(shù)帶寬有限的問題和MIMO技術(shù)過于復(fù)雜的檢測，以及MIMO技術(shù)頻帶選擇性衰落的問題都得到了有效的解決。另外，OFDM技術(shù)能夠在利用FFT/IFFT快速高效的實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)的同時，能夠充分利用信道的特性自適應(yīng)分配子載波的功率，并且選擇合適的調(diào)制方式,子信道可以被合理的利用，以提高系統(tǒng)性能。

在OFDM技術(shù)充分應(yīng)用于LTE中的同時，面對現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，解決不同場景下的差異化性能指標(biāo)，滿足不同終端的業(yè)務(wù)服務(wù)，5G時代將到來，已有測試表明第五代移動通信將采用UF-OFDM技術(shù)，UF-OFDM技術(shù)在繼承了CP-OFDM技術(shù)優(yōu)點的基礎(chǔ)上，采用濾波技術(shù)大幅減少帶外泄漏，可有效支持相鄰子帶的異步傳輸，同時UF-OFDM技術(shù)可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)對于不同波形參數(shù)的不同需求，在統(tǒng)一的物理平臺上進行動態(tài)的選擇和配置，滿足不同場景下產(chǎn)異化技術(shù)[3]。

3.3 OFDM技術(shù)在船舶載波通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著船舶智能化設(shè)備和對航海信息的精準(zhǔn)掌握，對通信系統(tǒng)的要求越來越嚴(yán)格，要求越來越高。現(xiàn)代船舶通信已經(jīng)不僅僅依賴于衛(wèi)星通信，其成本高，數(shù)據(jù)帶寬有限，已經(jīng)無法滿足通信需求。然而，OFDM技術(shù)是將高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成幾個低速通道并行傳輸，從而提高了傳輸速率的同時，合理的利用了傳輸頻帶，這對船舶的安全性有了極大的保障。

船載通信系統(tǒng)是將發(fā)射端的串行數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，輸送到混頻器中進行處理，經(jīng)過互相的正交調(diào)制，得到了N個載波，形成了發(fā)射信號，其中包括多個載波信息。接收端在分頻處理后，由于每個載波的正交性，得到了互不干擾的子載波信號[4]。這樣，傳播設(shè)備直接形成了高速互聯(lián)，對傳播設(shè)備有了極大的改善，同時增大了對航運的安全性。

3.4 OFDM技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

OFDM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，在數(shù)字廣播、局域網(wǎng)、飛行器、航海甚至衛(wèi)星通信中都起著關(guān)鍵的作用。不論是有線通信還是無線通信都有信號在信道中傳輸，會存在多徑效應(yīng)、噪聲干擾及信號衰減的問題，而OFDM技術(shù)以其抗干擾能力強，頻譜利用率高，適合高速率傳輸?shù)葍?yōu)點發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)語

OFDM技術(shù)以其眾多的優(yōu)點已被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括數(shù)字廣播、無線局域網(wǎng)、第四代移動通信、光纖通信等。但是仍然存在著其自身的缺陷，如對相位噪聲和頻率偏移敏感的問題以及較高的峰值平均功率比，如何克服這些缺陷，使得OFDM技術(shù)能夠更好的更廣泛的更有效的應(yīng)用于各個通信領(lǐng)域，使我們的通信技術(shù)更上一層樓，是我們接下來要研究的方向。

[1] 王文博，鄭侃.寬帶無線通信OFDM技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[2] 彭木根，王文博.下一代寬帶無線通信系統(tǒng)OFDM與WIMAX[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 劉海靜，汪勇剛，王河.5G新型多載波UF-OFDM技術(shù)及檢測[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2016(11):5-9.

[4] 賈瀛.OFDM技術(shù)在船舶載波通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].船舶科學(xué)技術(shù)，2017(7A):103-105.