【正文】 CSCDMA,GSM/DCS1900,US TDMA IS136CDMA2000,WCDMA,TDSCDMA在通信傳輸體制中，并行傳輸與串行傳輸一直是兩種重要的傳輸方式。早期由于種種技術原因的制約，限制了并行傳輸技術在實際中的應用。串行方式一直占據(jù)著主導地位，串行在嚴重的碼間干擾或信道衰落下，高速率的串行方式傳輸將變得非常困難。而并行傳輸體制則帶來了一種新的、高效的調(diào)制解調(diào)技術。他將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分解成若干個比特流，使得每一個子數(shù)據(jù)流具有低得多的比特傳輸速率，從而使抗碼間干擾或信道衰落的能力增強。傳統(tǒng)的頻分復用（FDM）的優(yōu)點是簡單、直接。但是頻譜的利用率低，子信道之間要留有保護頻帶，而且在頻分路數(shù)N較大時多個濾波器的實現(xiàn)使系統(tǒng)復雜化。帶寬在移動通信中是稀缺的資源，所以必須采用先進的技術有效利用頻率資源，同時要克服在無線信道下的多徑衰落，降低噪聲和多徑干擾，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正是在這一背景下被提出來的。 OFDM的發(fā)展過程OFDM的歷史要追溯到20世紀60年代中期，當時R．w．Chang發(fā)表了關于帶限信號多信道傳輸合成的論文。他描述了發(fā)送信息可同時經(jīng)過一個線性帶限信道而不受信道間干擾(ICI)和符號間干擾（ISI)的原理。此后不久，Saltzberg完成了性能分析。他提出“設計一個有效并行系統(tǒng)的策略應該是集中在減少相鄰信道的交叉干擾(crosstalk)而不是完成單個信道，因為前者的影響是決定性的。”1970年，OFDM的專利發(fā)表，其基本思想就是通過采用允許子信道頻譜重疊，但又相互間不影響的頻分復用(FDM)的方法來并行傳送數(shù)據(jù)，不僅無需高速均衡器，有很高的頻譜利用率，而且有較強的抗脈沖噪聲及多徑衰落的能力。OFDM早期的應用有ANIGSC1O(KATHRYN)高頻可變速率數(shù)傳調(diào)制解調(diào)器(Modem)。該Modem利用34路子信道并行傳送34路低速數(shù)據(jù)，每個子信道采用相移鍵控(PSK)調(diào)制，且各子信道載波相互正交，間隔為84 Hz。但是在早期的OFDM系統(tǒng)中，發(fā)信機和相關接收機所需的副載波陣列是由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的，且在相關接收時各副載波需要準確地同步，因此當子信道數(shù)很大時，系統(tǒng)就顯得非常復雜和昂貴。對OFDM做主要貢獻的是Weinstein和Ebert在1971年的論文，Weinstein和Ebert提出使用離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)，實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)中的全部調(diào)制和解調(diào)功能的建議。因而簡化了振蕩器陣列以及相關接收機中本地載波之間的嚴格同步的問題，為實現(xiàn)OFDM的全數(shù)字化方案作了理論上的準備。用離散傅里葉變換(DFT)完成基帶調(diào)制和解調(diào)，這項工作不是集中在單個信道，而是旨在引入消除子載波間干擾的處理方法。為了抗ISI和ICI，他們在時域的符號和升余弦窗之間用了保護時間，但在一個時間彌散信道上的子載波間不能保證良好的正交性。 另一個主要貢獻是Peled和Ruiz在1980年的論文，他引入了循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)的概念，解決了正交性的問題。他們不用空保護間隔，而是用OFDM符號的循環(huán)擴展來填充，這可有效地模擬一個信道完成循環(huán)卷積，這意味著當CP大于信道的脈沖響應時就能保證子載波間的正交性，但有一個問題就是能量損失。 隨著VLSI的迅速發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了高速大階數(shù)的FFT專用芯片及可用軟件快速實現(xiàn)FFT的數(shù)字信號處理(DSP)的通用芯片，且價格低廉，使利用FFT來實現(xiàn)OFDM的技術成為可能。1981年Hirosaki用DFT完成的OFDM調(diào)制技術， kb/s的電話線Modem。而在無線移動信道中，盡管存在著多徑傳播及多普勒頻移所引起的頻率選擇性衰落和瑞利衰落，但OFDM調(diào)制還是能夠減輕瑞利衰落的影響。這是因為在高速串行傳送碼元時，深衰落會導致鄰近的一串碼元被嚴重破壞，造成突發(fā)性誤碼。而與串行方式不同，OFDM能將高速串行碼流轉(zhuǎn)變成許多低速的碼流進行并行傳送，使得碼元周期很長，即遠大于深衰落的持續(xù)時間，因而當出現(xiàn)深衰落時，并行的碼元只是輕微的受損，經(jīng)過糾錯就可以恢復。另外對于多徑傳播引起的碼間串擾問題，其解決的方案是在碼元間插入保護間隙，只要保護間隙大于最大的傳播時延時間，碼間串擾就可以完全避免。正基于此，1984年，Cimini提出了一種適于無線信道傳送數(shù)據(jù)的OFDM方案。其特點是調(diào)制器發(fā)送的子信道副載波調(diào)制的碼型是方波，并在碼元間插入了保護間隙。雖然各子信道的頻譜為sin x/x形，但由于碼元周期很長，單路子信道所占的頻帶很窄，因而位于信道頻率邊緣的子信道的拖尾，對整個信道帶寬影響不大，可以避免多徑傳播引起的碼間串擾。同時由于省去了升余弦濾波器，使實現(xiàn)的方案非常簡單，因此后來的大多數(shù)OFDM方案都是以此為原形實現(xiàn)的。 美國軍方早在上世紀的50、60年代就創(chuàng)建了世界上第一個MCM系統(tǒng)，在1970年衍生出采用大規(guī)模子載波和頻率重疊技術的OFDM系統(tǒng)。但在以后相當長的一段時間，OFDM理論邁向?qū)嵺`的腳步放緩了。由于OFDM的各個子載波之間相互正交，采用FFT實現(xiàn)這種調(diào)制，但在實際應用中，實時傅立葉變換設備的復雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素都成為OFDM技術實現(xiàn)的制約條件。后來經(jīng)過大量研究，終于在20世紀80年代，MCM獲得了突破性進展，大規(guī)模集成電路讓FFT技術的實現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實現(xiàn)的困難也都得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺，逐步邁入高速Modem和數(shù)字移動通信的領域。20世紀90年代, OFDM的應用又涉及到了利用移動調(diào)頻(FM)和單邊帶(SSB)信道進行高速數(shù)據(jù)通信、陸地移動通信、高速數(shù)字用戶環(huán)路(HDSL)、非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、超高速數(shù)字用戶環(huán)路(VHDSL)、數(shù)字音頻廣播(DAB)及高清晰度數(shù)字電視(HDTV)和陸地廣播等各種通信系統(tǒng)。1991年，Casas提出了OFDM/FM的方案，可利用現(xiàn)有的調(diào)頻系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸。OFDM開始被歐洲和澳大利亞廣泛用于廣播信道的寬帶數(shù)據(jù)通信，數(shù)字音頻廣播（DAB）、高清晰度數(shù)字電視(HDTV)和無線局域網(wǎng)（WLAN）。隨著DSP芯片技術的發(fā)展，格柵編碼技術、軟判決技術、信道自適應技術等成熟技術的應用。盡管OFDM在實現(xiàn)技術上比其他的數(shù)字調(diào)制方式復雜，但由于其高頻帶利用率和抗多徑干擾的突出優(yōu)點，成為某些特殊場合的首選方案，尤其在第三代固定無線通信領域，包括無線LAN和MAN，以及移動通信領域，OFDM巨大的潛在技術和市場威力，已經(jīng)吸引著許多世界級的電信設備制造商的興趣和認可，OFDM在不久的將來，必將在高速數(shù)字無線通信領域得到廣泛地應用。第3章 OFDM的基本原理 OFDM簡介在傳統(tǒng)的多載波通信系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)頻帶被劃分為若干個互相分離的子信道（載波）。載波之間有一定的保護間隔，接收端通過濾波器把各個子信道分離之后接收所需信息。這樣雖然可以避免不同信道互相干擾，但卻以犧牲頻率利用率為代價。而且當子信道數(shù)量很大的時候，大量分離各子信道信號的濾波器的設置就成了幾乎不可能的事情。 上個世紀中期，人們提出了頻帶混疊的多載波通信方案，選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，也就是我們所說的OFDM。這種“正交”表示的是載波頻率間精確的數(shù)學關系。按照這種設想，OFDM既能充分利用信道帶寬，也可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯。 OFDM不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速傅立葉變換（FFT）來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。OFDM是一種特殊的多載波傳送方案，單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流（100 Hz～ 50 kHz），每個碼流都用一條載波發(fā)送。在OFDM中，采用快速傅立葉變換(FFT)將可用帶寬分成數(shù)學上正交的許多小帶寬。而頻帶的重構(gòu)是由快速傅立葉反變換(IFFT)完成的。FFT和IFFT都是定義得很完善的算法，當大小為2的整數(shù)倍時，可被非常高效地實現(xiàn)。OFDM系統(tǒng)的典型FFT大小是511024和2048，而較小的128和256也是可能的?？芍С?0和20MHz帶寬。該技術的一個優(yōu)異特性是易于改用其它帶寬。即便整個可用帶寬改變了，較小的帶寬單元也可維持不變。例如：10MHz可分成1,024個小頻帶；而5MHz可分成512個小頻帶。這些典型大小為10kHz的小頻帶被稱為子載波，如圖31所示。帶寬頻率導頻子載波數(shù)據(jù)子載波2數(shù)據(jù)子載波1帶寬圖31 在OFDM系統(tǒng)中，可用帶寬分割成許多子載波頻率圖32 OFDM信號的頻譜OFDM棄用傳統(tǒng)的用帶通濾波器來分隔子載波頻譜的方式，改用跳頻方式選用那些即便頻譜混疊也能夠保持正交的波形，這種正交性還可以從頻域角度來解釋：每個OFDM符號在其周期T內(nèi)包括多個非零的子載波。因此其頻域可以看作是周期為T的矩形脈沖的頻譜與一組位于各個子載波頻域上的函數(shù)的卷積。矩形脈沖的頻譜幅值為的函數(shù)，這種函數(shù)的零點出現(xiàn)在頻率為1/T整數(shù)倍的位置上。這種現(xiàn)象可以參見圖32，圖中給出了相互覆蓋的各個子信道內(nèi)經(jīng)過矩形波形形成得到的符號的函數(shù)頻譜。在每個子載波頻率最大值處，所有其他子信道的頻譜值恰好為零。因此在對OFDM符號進行解調(diào)的過程中，需要計算這些點上所對應的每個子載波頻率的最大值，所以可以從多個相互重疊的子信道符號中提取每一個子信道符號，而不會受到其他子信道的干擾。 OFDM符號頻譜實際上可以滿足奈奎斯特準則，即多個子信道頻譜之間不存在相互干擾。因此這種一個子信道頻譜出現(xiàn)最大值而其他子信道頻譜為零點的特點可以避免載波間干擾(ICI)的出現(xiàn)。因此我們說，OFDM既可以當作調(diào)制技術，也可以當作復用技術。OFDM增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或者干擾可能導致整條鏈路不可用，但在多載波系統(tǒng)中，只會有一小部分載波受影響。糾錯碼的應用可以幫助其恢復一些易錯載波上的信息。像這樣用并行數(shù)據(jù)傳送和頻分復用的思路早在20世紀60年代的中期就被提出來了。 關于頻帶混疊的子信道方案，信息速率為a，并且每個信道之間距離也為a Hz，這樣可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯，同時可以充分利用信道帶寬,節(jié)省了50%。為了減少各個子信道間的干擾，我們希望各個載波間正交。這種“正交”表示的是載波的頻率間精確的數(shù)學關系。如前所述，傳統(tǒng)的頻分復用的載波頻率之間有一定的保護間隔，通過濾波器接收所需信息。在這樣的接收機下，保護頻帶分隔不同載波頻率，這樣就使頻譜的利用率低。OFDM不存在這個缺點，它允許各載波間頻率互相混疊，采用了基于載波頻率正交的FFT調(diào)制，由于各個載波的中心頻點處沒有其他載波的頻譜分量，所以能夠?qū)崿F(xiàn)各個載波的正交。盡管還是頻分復用，但已與過去的FDMA有了很大的不同：不再是通過很多帶通濾波器來實現(xiàn)，而是直接在基帶處理，這也是OFDM有別于其他系統(tǒng)的優(yōu)點之一。 OFDM的接收機實際上是一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻，然后 在一個碼元周期內(nèi)積分，其他載波由于與所積分的信號正交，因此不會 對這個積分結(jié)果產(chǎn)生影響。OFDM的高數(shù)據(jù)速率與子載波的數(shù)量有關，增加子載波數(shù)目就能提高數(shù)據(jù)的傳送速率。OFDM每個頻帶的調(diào)制方法可以不同，這增加了系統(tǒng)的靈活性，大多數(shù)通信系統(tǒng)都能提供兩種以上的業(yè)務來支持多個用戶，OFDM適用于多用戶的高靈活度、高利用率的通信系統(tǒng)。目前，OFDM已經(jīng)被國外的多個標準采用，（歐洲通信標準學會）的HiperLAN/2標準同樣采用OFDM作為調(diào)制方式，有線傳輸系統(tǒng)的應用也同樣采用了基于OFDM的調(diào)制復用技術，如在xDSL中的離散多音頻系統(tǒng)和有線調(diào)制器應用。OFDM是一種特殊的多載波調(diào)制技術，用戶的信息首先要經(jīng)過串行到并行的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成多個低速率的數(shù)據(jù)碼流，通過編碼之后，調(diào)制為射頻信號，傳統(tǒng)的調(diào)制技術在同一個時刻只能用一種頻率進行數(shù)據(jù)的傳送，而OFDM則可以在正交的頻率上同時發(fā)送多路信號，可以說是并行的傳送多路信號，這樣OFDM能夠充分地利用信道的帶寬。OFDM不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速傅立葉變換（FFT）來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。OFDM盡管還是一種頻分復用（FDM），但已完全不同于過去的FDM。OFDM的接收機實際上是通過FFT實現(xiàn)的一組解調(diào)器。它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期內(nèi)積分，其他載波信號由于與所積分的信號正交，因此不會對信息的提取產(chǎn)生影響。OFDM的數(shù)據(jù)傳輸速率也與子載波的數(shù)量有關。OFDM系統(tǒng)的子載波可以自適應地根據(jù)信道的情況選擇調(diào)制方式，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在各種調(diào)制方式之間的切換。選擇和切換的原則是頻譜利用率和誤碼率之間的平衡選擇。在通常的通信系統(tǒng)中，為了保持一定的可靠性，選擇通過采用功率控制和自適應調(diào)制協(xié)調(diào)工作的技術。信道好的時候，發(fā)射功率不變，可以增強調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制（如QPSK）時降低發(fā)射功率。功率控制與自適應調(diào)制要取得平衡，也就是說對于一個遠端發(fā)射臺，它有良好的信道，若發(fā)送功率保持不變，可使用較高的調(diào)制方案如64QAM；若功率可以減小，調(diào)制方案也相應降低，可使用QPSK。 多載波傳輸數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫托问绞谴袛?shù)據(jù)流，符號被連續(xù)傳輸，每一個數(shù)據(jù)符號的頻譜可占據(jù)整個可利用的帶寬。但在并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，許多符號被同時傳輸，減少了那些在串行系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題。在OFDM系統(tǒng)中，每個傳輸符號速率的大小大約在幾十bit/s到幾十kbit/s之間，所以必須進行串并變換，將輸入串行比特流轉(zhuǎn)換成可以傳輸?shù)腛FDM符號。由于調(diào)制模式可以自適應調(diào)節(jié)，所以每個子載波的調(diào)制模式是可以變化的，因而每個子載波可傳輸?shù)谋忍財?shù)也是可以變化的，所以串并變化需要分配給每個子載波數(shù)據(jù)段的長度不是一樣的。在接收端執(zhí)行相反的過程，從各個子載波處來的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換回原始的串行數(shù)據(jù)。當一個OFDM符號在多徑無線信道中傳輸時，頻率選擇性衰落會導致某幾組子載波受到相當大的衰減，從而引起比特錯誤。這些在信道頻率響應上的零點會造成在鄰近的子載波發(fā)射的信息受到破壞，導致在每個符號中出現(xiàn)一連串的比特錯誤。與一大串錯誤連續(xù)出現(xiàn)的情況相比較，大多數(shù)前向糾錯編碼（FEC）在錯誤分布均勻