OFDM系統(tǒng)子載波干擾分析及抑制探討

1、OFDM系統(tǒng)子載波間干擾分析及抑制討論【摘要】OFDM技術(shù)是一種在無線環(huán)境下的高速多載波傳輸技術(shù)。其抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾能力較強，同時又有很高的頻譜利用率，適合在多徑傳播的無線移動信道中傳輸高速數(shù)據(jù)。本文著重分析了OFDM技術(shù)的基本原理、OFDM系統(tǒng)的基本原理及實現(xiàn)方案，同時論述了其優(yōu)缺點。在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)子載波間干擾產(chǎn)生原因進行了較為詳細的分析，并對幾種常見的抑制方案進行了對比討論?！娟P(guān)鍵詞】OFDM 子載波間干擾 抑制方案1.引言隨著世界范圍內(nèi)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，如今的通信傳輸方式呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的特點，逐漸擺脫單一的傳輸方式，從最初的有線通信逐漸形成有線通信、無線通信、光纖通信

2、等多方式共存的局面。但是從實質(zhì)上來看，具有突破性的通信技術(shù)并不多，大多技術(shù)革新基本上都是將重心放在傳輸介質(zhì)和信道的改進。在為數(shù)不多有實質(zhì)改進的傳輸方式中，OFDM即正交頻分復(fù)用技術(shù)，因其頻譜利用率更高、調(diào)制方式更加靈活、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可擴展性較為理想和較強的抗多徑干擾能力，逐漸發(fā)展成為應(yīng)用非常廣泛且較為成熟的一種技術(shù)。2. OFDM系統(tǒng)簡介2.1 OFDM技術(shù)的基本原理OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制（Multi-Carrier Modulation，MCM）技術(shù)。其調(diào)制基本思想是：將信道劃分為若干個正交的子信道，同時在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣既能減少子信道間的相互干擾，又能提高頻譜利用率。

3、由于每個子信道上的信號帶寬要小于信道的相關(guān)帶寬，就會使每個子信道上的頻率選擇性衰落呈現(xiàn)平坦的狀態(tài)，進而大大消除了符號間干擾。保護間隔通常以插入循環(huán)前綴的方式實現(xiàn)，從而保證了子信道之間的正交性。相比于各子信道的頻譜完全分開的多載波調(diào)制系統(tǒng)而言，在OFDM系統(tǒng)中，各子信道采用的載波間的頻譜是相互重疊的，這樣有助于接收端借助載波間的正交性達到分離數(shù)據(jù)的目的。OFDM信號的頻譜如圖1所示。圖1 OFDM 信號的頻譜示意2.2 OFDM系統(tǒng)原理及實現(xiàn)框圖一個OFDM系統(tǒng)內(nèi)包含多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號，每個子信道中的載波都可以使用相移鍵控（PSK）或者正交幅度調(diào)制（QAM）進行調(diào)制。用N表示子信道的

4、個數(shù)，表示OFDM符號的周期，表示分配給每個子信道載波的符號，表示第0個載波的載波頻率， 表示矩形脈沖，則從時刻開始的OFDM符號在時域中的表達式為：（1）可以根據(jù)下圖2，構(gòu)建OFDM系統(tǒng)框圖：圖2 OFDM 系統(tǒng)框圖3. OFDM系統(tǒng)的優(yōu)缺點3.1 OFDM系統(tǒng)的優(yōu)點（1）頻譜利用率高頻譜利用率較高，這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中很重要。由于各個子信道的載波間存在著正交性，OFDM系統(tǒng)允許子信道的頻譜相互重疊，相比于其他常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)，OFDM系統(tǒng)可以大大提高了頻譜利用率，從而最大限度地利用頻譜資源。（2）抗多徑衰落能力強當(dāng)信號在信道中，由于多徑效應(yīng)導(dǎo)致頻率選擇性衰落時，頻帶凹處的子信

5、道載波及其攜帶的信息會受影響，造成丟失或者錯誤。通過各個子信道載波的聯(lián)合編碼，使其抗衰落能力大大提升，從而避免了其他的子信道載波受影響，故OFDM系統(tǒng)的總誤碼率低得多。還需要注意一點的是，OFDM技術(shù)利用了信道的頻率分集，在衰落不是特別嚴重的情況下，可以根據(jù)情況不再添加時域均衡器。OFDM系統(tǒng)能有效地減少載波間的干擾，這一優(yōu)勢使其在多徑環(huán)境中和衰落信道中也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。（3）易于實現(xiàn)在OFDM系統(tǒng)的各個子信道中，載波的正交調(diào)制和解調(diào)可以通過采用離散傅里葉變換(DFT ，Discrete Fourier Transform)和離散傅立葉反變換(IDFT，Inverse Discrete

6、Fourier Transform)的方法來實現(xiàn)。特別情況下，在子信道載波數(shù)目很大的OFDM系統(tǒng)中，通常采用快速傅里葉變換(FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform)來實現(xiàn)。當(dāng)然，隨著當(dāng)代DSP技術(shù)的進一步發(fā)展，OFDM技術(shù)在不斷革新。3.2 OFDM系統(tǒng)的缺點（1）與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)更加易受頻率偏差的影響，換言之，OFDM系統(tǒng)對頻率偏差表現(xiàn)更加敏感。無線信道通常具有時變性，而時變性非常容易造成的多普勒頻移，同時由于發(fā)射機和接收機與本地振蕩器之間的頻率偏差，都會破壞子信道載波的正交性，從而產(chǎn)生ICI（inter-carrier interference，子載波間干擾）。

7、這種對頻率偏差的較強敏感性是OFDM系統(tǒng)的主要缺點之一。（2）存在較高的峰值平均功率比（峰均比）。多載波系統(tǒng)的輸出是由多個子信道載波信號進行的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，當(dāng)這些載波信號（假設(shè)N個）恰好同時都以峰值點相加后，OFDM信號也將產(chǎn)生最大的峰值。該峰值功率是平均功率的N倍，從而輸出的疊加信號的瞬時功率便會遠遠大于信號的平均功率，進而導(dǎo)致較大的峰值平均功率比(PAPR，Peak-to-Average power Ratio)。這種情況的出現(xiàn)，會對發(fā)射機內(nèi)置的放大器的線性相關(guān)度提出很高的要求。同時，為了不失真地傳輸這些較高的峰值平均功率比的OFDM信號，發(fā)送端對高功率放大器（HPA

8、）的線性度需要很高的要求，且發(fā)送效率非常的低，同時對接收端的前端放大器，以及A/D變換器的線性度要求也非常高。因此，較高的峰值平均功率比使得OFDM系統(tǒng)的性能，受到很大的負面影響甚至直接影響到實際應(yīng)用。4. OFDM系統(tǒng)子載波間干擾分析4.1子載波間干擾產(chǎn)生原因分析OFDM系統(tǒng)在運行過程中受到的主要干擾之一是子載波間干擾，它產(chǎn)生的主要原因包含以下幾個方面：（1）多普勒頻譜的開展引起的子載波間干擾。這種子載波間干擾通常是發(fā)生在用戶的移動時。用戶的無規(guī)律移動會造成信道的時變性，進而產(chǎn)生多普勒頻譜展開效應(yīng)，從而影響甚至破壞子載波的正交性，從而引起子載波間干擾。（2）子載波的同步誤差引起的子載波間干擾

9、。在OFDM系統(tǒng)中，接收端和發(fā)射端的晶振頻率通常無法保持絕對的同步，這種晶振頻率的不一致往往會導(dǎo)致的載波誤差，進而會引入干擾，造成子載波間干擾。但是這種子載波間干擾是可以進行補償或削弱，通過是采用同步偏差和信號補償來消除。（3）碼間干擾（ISI：Inter-Symbol Interference）引起的子載波間干擾。當(dāng)OFDM系統(tǒng)在多徑的環(huán)境下運行是，一旦多徑信道的最大時延超過了循環(huán)前綴，就會產(chǎn)生碼間干擾，而且傳輸速率也高，碼間干擾也更加嚴重。同樣的，這種碼間干擾也會破壞子載波間的正交性，從而引起子載波間干擾。不過，這種子載波間干擾也是削弱的，通常的解決辦法是降低數(shù)據(jù)的傳輸速率或者增加均衡模塊

10、。4.2 幾種常見的抑制子載波間干擾的算法討論（1）子載波間干擾的自消除算法在相鄰的子載波放置相反的符號數(shù)據(jù)信息，這樣的調(diào)制方式可以在一定程度起到抵消子載波間干擾的作用。在考慮到相鄰子載波頻點，會對其他載波頻點所產(chǎn)生的干擾存在很強的相關(guān)性的因素，如果在相鄰子載波上放置相反數(shù)據(jù)信息，可以相互抵消其他子載波頻率上受到的上述兩個相鄰子載波的干擾。但是考慮到頻譜利用率，需要將數(shù)據(jù)調(diào)制的階數(shù)提高一倍。所以，這種方法的缺陷是在信噪比較高的時候性能改善比較緩慢。（2）時域中加窗的方案時域中加窗的方案是在發(fā)送端將需要傳輸?shù)臅r域信號與特定的窗函數(shù)進行乘運算，利用時域下窗函數(shù)的特性來改善信號的頻域特性，從而抑制子

11、載波頻譜旁瓣的泄露，進而減小子載波間干擾的能量，達到抑制子載波間干擾的作用。但是時域中加窗的方案也有缺陷，因其往往是以犧牲OFDM系統(tǒng)抗時延擴展能力作為代價。（3）均衡方案均衡算法的基本思想就是使接收信號與均衡算子進行乘運算來獲得干擾消除，通過迫零法或者最小均方誤差的方法將子載波間干擾降到最低，但是這種方法往往需要構(gòu)建規(guī)模很大的矩陣逆，算法較為復(fù)雜，而且對噪聲有一定的放大作用，降低了信噪比。5.結(jié)束語OFDM技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景，并且逐步成熟與完善。目前，OFDM結(jié)合時空編碼、分集、干擾和鄰道干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度地提高了物理層的可靠性。結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼以及動態(tài)子載波分配和動態(tài)比特分配算法等技術(shù)，可以使其性能進一步優(yōu)化?？?/p>