1. 引言
在21世紀，移動通信技術和市場飛速發(fā)展，在新技術、市場需求的共同作用下，出現(xiàn)了第三代移動通信系統(tǒng)-3G,3G中采用碼分多址（CDMA）技術來處理多徑問題，以獲得多徑分集增益。
然而在該體制中，多徑干擾和多用戶干擾始終并存，在用戶數(shù)較多的情況下，實現(xiàn)多用戶檢測是非常困難的。并且CDMA本身是一個自擾系統(tǒng)，所有的移動用戶都占用相同的帶寬和頻率，所以在系統(tǒng)容量有限的情況下，用戶數(shù)越多就越難達到較高的通信速率，因此3G系統(tǒng)所提供的2Mb/s帶寬是共享式的，當多個用戶同時使用時，平均每個用戶可使用的帶寬遠低于2Mb/s,而這樣的帶寬并不能滿足移動用戶對一些多媒體業(yè)務的需求。
不同領域技術的綜合與協(xié)作，伴隨著全新無線寬帶技術的智能化，以及定位于用戶的新業(yè)務，這一切必將繁衍出新一代移動通信系統(tǒng)4G。相比于3G,4G可以提供高達100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持從語音到數(shù)據(jù)的多媒體業(yè)務，并且能達到更高的頻譜利用率以及更低的成本。
為了達到以上目標，4G中必須采用其他相對于3G中的CDMA這樣的突破性技術，尤其是要研究在移動環(huán)境和有限頻譜資源條件下，如何穩(wěn)定、可靠、高效地支持高數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)傳輸。因此，在4G移動通信系統(tǒng)中采用了OFDM技術作為其核心技術，它可以在有效提高傳輸速率的同時，增加系統(tǒng)容量、避免高速引起的各種干擾，并具有良好的抗噪聲性能、抗多徑信道干擾和頻譜利用率高等優(yōu)點。
本文將對OFDM的基本原理以及其調制/解調技術的實現(xiàn)和循環(huán)前綴技術進行介紹，并在三個主要方面將OFDM與CDMA技術進行對比分析。
2 OFDM技術分析
2.1 OFDM基本原理
正交頻分復用的基本原理可以概述如下：把一路高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干子信道中進行傳輸。在頻域內將信道劃分為若干相互正交的子信道，每個子信道均擁有自己的載波分別進行調制，信號通過各個子信道獨立地進行傳輸。
由于多徑傳播效應會造成接收信號相互重疊，產生信號波形間的相互干擾，形成符號間干擾，如果每個子信道的帶寬被劃分的足夠窄，每個子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的。如圖1所示。
因此，每個子信道都可看作無符號間干擾的理想信道。這樣，在接收端不需要使用復雜的信道均衡技術即可對接收信號可靠地進行解調。在OFDM系統(tǒng)中，通過在OFDM符號之間插入保護間隔來保證頻域子信道之間的正交性，以及消除由于多徑傳播效應所引起的OFDM符號間的干擾。因此，OFDM特別適合于在存在多徑衰落的移動無線信道中高速傳輸數(shù)據(jù)。OFDM的原理框圖如2所示。
如圖2所示，原始高速率比特流經過串/并變換后變?yōu)槿舾山M低速率的比特流d（M），這些d（M）經過調制后變成了對應的頻域信號，然后經過加循環(huán)前綴、D/A變換，通過RF發(fā)送出去；經過無線信道的傳播后，在接收機以與發(fā)送機相反的順序接收解調下來，從而得到原發(fā)送信號。
圖2中d（M）為第M個調制碼元；圖中的OFDM已調制信號D（t）的表達式為：
式（1）中：T為碼元周期加保護時間；fn為各子載波的頻率，可表示為：
式（2）中：f0為最低子載波頻率；Ts為碼元周期。
在發(fā)射端，發(fā)射數(shù)據(jù)經過常規(guī)QAM調制形成基帶信號。然后經過串并變換成M個子信號，這些子信號再調制相互正交的M個子載波，其中/正交0表示的是載波頻率間精確的數(shù)學關系，其數(shù)學表示為QT0fx（t）fy（t）dt=0,最后相加成OFDM發(fā)射信號。實際的輸出信號可表示為：
在接收端，輸入信號分成M個支路，分別用M個子載波混頻和積分，恢復出子信號，再經過并串變換和常規(guī)QAM解調就可以恢復出數(shù)據(jù)。由于子載波的正交性，混頻和積分電路可以有效地分離各子載波信道，如下式所示：
式中dc（m）為接收端第m支路子信號。在整個OFDM的工作流程中OFDM與其他技術的主要區(qū)別在于其采用的調制/解調技術以及循環(huán)前綴的加入這兩個環(huán)節(jié)，下面將對其進行較為詳細的分析。
2.2 OFDM調制/解調技術的實現(xiàn)
OFDM系統(tǒng)的調制和解調可以采用離散逆傅立葉變換（IDFT）以及離散傅立葉變換（DFT）來實現(xiàn)，在實際應用中，可以采用更加方便快捷的逆快速傅立葉變換（IFFT）和快速傅立葉變換（FFT）技術來實現(xiàn)調制和解調，這是OFDM的技術優(yōu)勢之一。
首先不考慮保護時間，將式（2）代入式（1）可得到如下等式：
由上面的分析可以看出OFDM的調制可以由IDFT實現(xiàn)，而解調可由DFT實現(xiàn)。當系統(tǒng)中的子載波數(shù)很大時，可以采用快速傅立葉變換（FFT/IF2FT）來實現(xiàn)調制和解調，以顯著地降低運算復雜度，從而在數(shù)字信號處理器DSP上比較容易實現(xiàn)，因此能夠達到簡化4G通信系統(tǒng)中硬件實現(xiàn)的復雜度并減少設備成本的效果，現(xiàn)存的還有諸如矢量變換方式、基于小波變換的離散小波多音頻調制方式等，但這些方式與OFDM相比，實現(xiàn)復雜度相對較高，因而一般不會用于4G通信系統(tǒng)。
2.3 循環(huán)前綴基本原理
在OFDM系統(tǒng)中，為了最大限度地消除符號間干擾，在每個OFDM符號之間要插入保護間隔，該保護間隔長度Tg一般要大于無線信道的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。
在這段保護間隔內，可以不插入任何信號，即保護間隔是一段空閑的傳輸時段。然而在這種情況中，由于多徑傳播的影響，會產生信道間干擾，即子載波之間的正交性遭到破壞，使不同的子載波之間產生干擾。為了消除由于多徑傳播造成的信道間干擾，將原來寬度為T的OFDM符號進行周期擴展，用擴展信號來填充保護間隔，如下圖3所示：
將保護間隔內的信號稱為循環(huán)前綴（Cyclicprefix）。由圖3可以看出，循環(huán)前綴中的信號與OFDM符號尾部寬度為Tg的部分相同。在實際系統(tǒng)中，OFDM符號在送入信道之前，首先要加入循環(huán)前綴，然后送入信道進行傳送。接收端首先將接收符號開始的寬度為Tg的部分丟棄，將剩余的寬度為T的部分進行傅立葉變換，然后進行解調。
通過在OFDM符號內加入循環(huán)前綴可以保證在FFT周期內，OFDM符號的延時副本內所包含的波形的周期個數(shù)是整數(shù)。這樣，時延小于保護間隔Tg的時延信號就不會在解調的過程中產生信道間干擾。
通過對上述兩個技術環(huán)節(jié)的分析可以看出，OFDM的調制解調技術可以降低硬件實現(xiàn)的復雜度；循環(huán)前綴技術可以有效消除由于多徑傳播造成的信道間干擾影響。這些對于4G通信系統(tǒng)降低設備成本以及提高信號質量都是至關重要的。
3 OFDM與CDMA技術的比較分析
作為4G中的核心技術，4G通信系統(tǒng)在頻譜利用率、高速率多媒體服務的支持、調制方式的靈活性及抗多徑信道干擾等方面優(yōu)于3G通信系統(tǒng)。
這主要緣于4G采用的OFDM技術與3G中采用的CDMA技術在其技術特點上存在著差異。下面就從抗多徑干擾、調制技術以及峰均功率比這三個方面對OFDM與CDMA的技術特點進行對比分析。
3.1 抗多徑干擾
無線信道中，由于信道傳輸特性不理想容易產生多徑傳播效應，多徑傳播效應會造成接收信號相互重疊，產生信號波形間的相互干擾，使接收端判斷錯誤，從而嚴重地影響信號傳輸?shù)馁|量，易造成符號間干擾。
CDMA系統(tǒng)中，為了減小多徑干擾，CDMA接收機采用了分離多徑（RAKE）分集接收技術來區(qū)分和綁定多路信號能量。為了減少干擾源，RAKE接收機提供一些分集增益。然而由于多路信號能量不相等，試驗證明，如果路徑數(shù)超過7或8條，這種信號能量的分散將使得信道估計精確度降低，RAKE的接收性能下降就會很快。
OFDM將高速率的信號轉換成低速率的信號，從而擴展了信號的周期，減弱了多徑傳播的影響，同時通過加循環(huán)前綴的方式，使各子載波之間相互正交，減少了ISI和各信道間的干擾，在4G的多媒體通信中能夠提高通信質量。
3.2 調制技術
CDMA系統(tǒng)中，下行鏈路采用了多載波調制技術，但每條鏈路上的調制方式相同，上行鏈路不支持多載波調制，這使得CDMA系統(tǒng)喪失了一定的靈活性；同時，由于此鏈路的非正交性，使得不同調制方式的用戶會產生很大的噪聲干擾。
OFDM的上、下行鏈路都采用多載波調制技術，并且每條鏈路中的調制方式也可以根據(jù)實際信道的狀況/自適應調制0,從而更加靈活。在信噪比（SNR）滿足一定要求的前提下，對質量好的信道可以采用高階調制技術（16QAM等）；在信道質量差的情況下，可以采用低階調制技術（QPSK等），從而使系統(tǒng)可以在頻譜利用率和誤碼率之間得到最佳配置。
3.3 峰均功率比
峰均功率比就是峰值與均值的功率比，定義為信號的最大峰值功率和同一信號平均功率之比，簡稱峰均比。
在實際應用中這是一個不容忽視的重要因素。因為較高的PAPR將導致發(fā)送端對功率放大器的線性要求也較高，這意味著要設備的功耗將增大，因此就要提供額外功率、電池備份和擴大設備的尺寸，從而導致設備成本的提高。
CDMA系統(tǒng)的PAPR一般在5-11dB,并會隨著數(shù)據(jù)速率和使用碼數(shù)的增加而增加。OFDM信號是由多個獨立的經過調制的正交子載波信號疊加而成，這種合成信號有可能產生比較大的峰值功率，從而帶來較大的PAPR。目前，用來控制OFDM的PAPR的技術主要有以下兩種：
（1）信號失真技術
采用修剪技術、峰值窗口去除技術或峰值刪除技術使峰值振幅值簡單地線性去除。
（2）擾碼技術
采用擾碼技術，使生成的OFDM的互相關性盡量為0,從而使OFDM的PAPR減少。具體的實現(xiàn)技術包括：編碼、局部擾碼、部分發(fā)送序列。
綜上所述，在抗多徑干擾、調制技術方面，OFDM的性能優(yōu)于CDMA技術，并且可以通過其他技術來降低其峰均功率比。與第三代移動通信系統(tǒng)相比，OFDM以其更加靈活的調制方式、更強的抗多徑干擾的能力以及更高的頻譜利用率，全面提高了4G通信系統(tǒng)的性能，改善了4G移動業(yè)務的服務質量，并且大幅度降低了4G通信系統(tǒng)的成本，因而成為4G中不可或缺的核心技術。
4 結語
OFDM通過頻域劃分互相正交的子信道使其頻譜效率與傳統(tǒng)的頻分復用技術相比有顯著提高，同時由于子信道可以劃分得很窄因而每一個子信道都很平坦，避免了使用復雜的均衡器。通過使用循環(huán)前綴，一方面消除了OFDM符號間干擾，另一方面保證了子載波之間的正交性，這對于頻率選擇性衰落信道克服多徑干擾尤其有效。但是，OFDM還不是盡善盡美并存在許多問題需要解決。日后在4G的深入研究中應考慮將OFDM與其他技術進行結合（OFDM-CDMA等），從而達到更好的通信質量。