图2.6 时延扩展为10
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图2.7 时延扩展为10
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2.3 OFDM系统发展
OFDM属于多载波传输技术的一种，其历史[4]可以追溯到上个世纪60年代，当时R. W. Chang写了一篇关于将带限信号综合用于多信道传输的文章。在文章中，他提出了一种在带限信道上同时传输多路信息，能同时避免信道间干扰（ICI: Inter-channel Interference）和符号间干扰（ISI: Inter-symbol Interference）的方法。
1967年，B. R. Saltzberg对Chang提出的方法进行了性能分析，得出了一个重要的结论，即在并行传输系统中，相邻信道间的串扰将是信道畸变的主要原因，因此系统设计的重点应在于尽量减少相邻信道间的串扰，而不是完善每一个单独的信道。这一时期，OFDM己经被使用在如ANDEFT, KINEPLEX等一些高频率的军事通信系统中。但在此时的OFDM系统中，发射机和相干接收机所需的子载波序列是由正弦信号发生器产生的，且在相干接收时各子载波需要准确地同步，因此当子信道数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。为了简化正弦发生器阵列，1971年，Weinstein和Ebert提出了使用DFT （Discrete Fourier Transform:离散傅立叶变换）实现OFDM系统中的全部调制和解调功能的建议，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备。为了防止ISI和ICI，他们在OFDM符号间引入了保护间隔，同时在时域使用了升余弦窗。虽然此系统在弥散信道中不能保持很好的正交性，但DFT的引入对OFDM技术仍是一个重要的贡献。
OFDM发展过程中的另一个重要贡献归功于Peled和Ruiz，他们在1980年提出了CP （Cyclic Prefix:循环前缀）的概念，用于解决子载波的正交问题。与通常在符号间插入空的保护间隔来防止ISI的做法不同，他们将OFDM符号进行循环扩展。当CP比信道脉冲响应的持续时间长时，这种方法能很好地保证子信道间的正交性。进入90年代后，随着DSP芯片技术与大规模集成电路的发展，OFDM技术日益成熟并被多种标准和系统所采用，如无线局域网（WLAN ）标准IEEE802.11a，ETSI的HiperLAN/2，宽带无线接入标准IEEE 802.l6a，固定有线网络中的高速数字用户环路（HDSL），非对称数字用户环路（ADSL），数字音频广播（DAB）及陆地移动通信和电力线通信等系统。
2.4 OFDM系统优缺点
近年来，OFDM系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于OFDM系统存在如下的主要优点：
（1）高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，
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从而可以有效地减少无线信道的时间弥散所带来的ISI，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。
（2）传统的频分多路传输方法中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行的数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道，这种方法的优点是简单直接，缺点是频谱的利用率低，子信道之间要留有足够的保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源，如图2.6所示。
(a) 传统的频分复用技术（FDM）
(b)多载波调制技术
图2.6 传统的频分复用技术与多载波调制技术频谱
（3）各个子信道间的正交调制和解调可以采用IDFT和DFT方法实现。对于N很大的系统，我们可以通过采用快速傅里叶变换（FFT）来实现。随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT和FFT都是非常容易实现的。
（4）无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输数据量要远远大于上行链路中的数据传输，如Internet业务中的网页浏览，FTP下载等。另一方面，终端功率一般小于1W，在大蜂窝环境下传输速率低于10kbit/s-100kbit/s，而基站发送功率可以较大，有可能提供1Mbit/s以上的传输速率。因此无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。
（5）由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的
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子信道，从而提高系统的性能。而且对于多用户系统来说，对一个用户不适用的子信道对其他用户来说，可能是性能比较好的子信道，因此除非一个子信道对所有用户来说都不适用，该子信道才会被关闭，但发生这种情况的概率非常小。
OFDM系统可以容易与其他多种接入方法相结合使用，构成OFDMA系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA，跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传递。因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。
但是OFDM系统内由于存在有多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点：
（1）易受频率偏差的影响
由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现信号的频率偏差，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰（ICI），这种对频率偏差敏感是OFDM系统的主要缺点之一。
（2）存在较高的峰值平均功率比
与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比（PAR）。这样就对发射机内放大器的线性度提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化[5]。
2.5 OFDM系统关键技术
（1）同步技术
OFDM系统中的同步包括载波同步、样值同步和符号同步三部分。载波同步是为了实现接收信号的相干解调，而符号同步是为了区分每个OFDM符号块的边界。OFDM系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在OFDM系统中引起ISI和ICI。
（2）信道估计
加入循环前缀后的OFDM系统可等效为N个独立的并行子信道。如果不考虑信道噪声，N
SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraSelec
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个子信道上的接收信号等于各自子信道上的发送信号与信道的频谱特性的频率乘积。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。信道估计的方法很多，在无线通信中，一般采用插入导频的方法进行信道估计。如何设计导频图案和性能好、复杂度低的信道估计算法是OFDM系统中的一项重要研究内容。
（3）信道编码
信道编码可显著的提高数字通信的抗干扰能力。在OFDM系统中，可使用任意传统的信道编码，如分组码、卷积码、网格编码调制（TCM）以及Turbo码等，现在的发展方向是在OFDM系统中结合多天线技术使用空时编码，即所谓的MIMO-OFDM技术，这项技术可显著的提高OFDM的性能，将成为下一代无线通信系统的热点技术。
（4）降低峰均功率比
由于OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值点相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）的OFDM信号，发送端对高功率放大器（HPA）的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号编码技术、符号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统的PAPR方法。
（5）信道时变性的影响
信道时变性引起接收信号的多普勒扩展，使OFDM信号的正交性遭到破坏，引起子载波之间的干扰，造成系统性能下降。克服多普勒扩展的传统方法是采用信道编码加交织技术来抵抗信道性能的下降。最近的发展是利用多普勒分集技术将多普勒扩展变害为利，从而提高系统的性能。
（6）自适应技术
采用OFDM技术的好处是可以根据信道的频率选择性衰落情况动态的调整每个子载波上的信息比特数和发送功率，从而优化系统性能，称为自适应比特和功率分配（也称为自适应调制技术），在多用户情况下，如何为每个用户最优的分配系统资源，从而使系统的发送功率最低或者使系统的传输速率最高，是一个非常复杂的问题。在OFDM系统中使用自适应技术，还应该考虑频率分组、时间间隔、信道总延迟和信道估计误差等因素，其中信道估计误差对性能的影响较大。
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