【正文】 (正交頻分復(fù)用 )為核心技術(shù)提供增值服務(wù)，它在寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的潛力。 課題內(nèi)容及安排 本畢業(yè)設(shè)計主要 敘述了正交頻分復(fù)用技術(shù)的基本原理和 OFDM系統(tǒng)的實現(xiàn)方法， 通過一些通俗易懂的圖形，對正交頻分復(fù)用 （ OFDM）的基本原 理及其在移動通信中的應(yīng)用進行了闡述。 第二章： 介紹 OFDM 的產(chǎn)生背景及其發(fā)展過程 。目前，移動通信已從模擬通信發(fā)展到了數(shù)字移動通信階段，并且正朝著個人通信這一更高級階段發(fā)展。這一階段的特點是蜂窩移動通信網(wǎng)成為實用系統(tǒng)，并在世界各地迅速發(fā)展 ,這個系統(tǒng)一般被當(dāng)作是第一代移動通信系統(tǒng)。隨后美國和日本也相繼指定了各自的數(shù)字移動通信體制。 第二代移動通信系統(tǒng)主要是為支持話音和低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而設(shè)計的。目前，人們已經(jīng)把目光越來越多得投向超三代（ beyong 3G）的移動通信系統(tǒng)中，使其可以容納市場龐大的用戶數(shù)、改善現(xiàn)有通信品質(zhì)不良，以及達到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。對于窄?CDMA 來說，其主要問題在于擴頻增益與高速數(shù)據(jù)流之間的矛盾。 移動通信系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r如表 21 所示。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(shù)。 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(shù)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。他提出 “ 設(shè)計一個有效并行系統(tǒng)的策略應(yīng)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。但是在早期的 OFDM 系統(tǒng)中，發(fā)信機和相關(guān)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(guān)接收時各副載波需要準(zhǔn)確地同步，因此當(dāng)子信道數(shù)很大時，系統(tǒng)就顯得非常復(fù)雜和昂貴。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。 1981 年 Hirosaki 用 DFT 完成的 OFDM 調(diào)制技術(shù)，試驗成功 了 16QAM 多 路并行傳送 kb/s 的電話線 Modem。另外對于多徑傳播引起的碼間串?dāng)_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?dāng)_就可以完全避免。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。后來經(jīng)過大量研究，終于在 20 世紀(jì) 80 年代， MCM 獲得了突破性進展，大規(guī)模集成電路讓 FFT 技術(shù)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(lǐng)域。隨著 DSP 芯片技術(shù)的發(fā)展，格柵編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)等成熟技術(shù)的應(yīng)用。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。按照這種設(shè)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 。而頻帶的重構(gòu)是由快速傅立葉反變換 (IFFT)完成的 。該技術(shù)的一個優(yōu)異特性是易于改用其它帶寬。 圖 31 在 OFDM 系統(tǒng)中，可用帶寬分割成許多子載波 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。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。 因此我們說， OFDM 既可以當(dāng)作調(diào)制技術(shù)，也可以當(dāng)作復(fù)用技術(shù)。像這 樣用并行數(shù)據(jù)傳送和頻分復(fù)用的思路早在 20 世紀(jì) 60 年代的中期就被提出來了。如前所述，傳統(tǒng)的頻分復(fù)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。 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 是一種特殊的 多載波調(diào)制 技術(shù)，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(shù)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。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。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(yīng)調(diào)制協(xié)調(diào)工作的技術(shù)。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。 當(dāng)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(dǎo)致某幾組子載波受到相當(dāng)大的衰減，從而引起比特錯誤。 這可以通過把每個連續(xù)的數(shù)據(jù)比特隨機地分配到各個子載波上來實現(xiàn)。 表 31 列出了單載波和多載波傳輸方式在符號時間，速率，頻帶帶寬和對 ISI 敏感度等幾方面的比較。 若用單載波實現(xiàn)，則符號周期 Tsymb,SC= μs，τmax=25Tsymb， SC，也就是符號間干擾會持續(xù) 25 個符號。 圖 33 傳統(tǒng)的頻分復(fù)用多載波技術(shù) f 圖 圖圖 34 OFDM 多載波調(diào)制技術(shù) 正交頻分復(fù)用（ OFDM） OFDM 是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，其基本思想是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。 OFDM 最簡單 的調(diào)制和解調(diào)結(jié)構(gòu)如圖 35， 圖 36 所示。 設(shè) Fn(t)為第 n 個 OFDM 幀， Ts 是符號周期，則有： ( ) ( )nnS t F t????? ? （ ） 因此 Fn(t)對應(yīng)于符號組 Cn,k(k=O， 1， … ， N1)，每個都是在相應(yīng)子載波 fk 上調(diào)制發(fā)送。 串 并 轉(zhuǎn)換（ s / p ）并 串 轉(zhuǎn)換（ P / S ）插 入 循環(huán) 前 綴（ C P )快 速 傅 里葉 反 變 換（ I F F T )信 號 映射（ a） 發(fā)射端 去 除 循環(huán) 前 綴（ C P ）串 并 轉(zhuǎn)換（ s / p ）快 速 傅 里葉 變 換（ I F F T )信 號 逆映 射并 串 轉(zhuǎn)換（ P / S ）（ b） 接收端 圖 37 基于 FFT 的 OFDM 通信系統(tǒng) 由于多徑時延和信道的線性失真，會在接收符號間產(chǎn)生符號間干擾（ ISI）。因此，延 長傳輸符號的周期可以有效地克服 ISI 的影響，這正是 OFDM 消除 ISI 的原理。 將符號周期延長 N 倍，從而提高了對 ISI 的抵抗能力。這樣，即使各載波上的信號頻譜間存在重疊，也能無失真地復(fù)原。此信號乘以實際載波就可將OFDM 信號搬移到所需的頻帶上。大多數(shù)信號處理使 用離散傅立葉 變換（ DFT）。 對于 N 比較大的系統(tǒng)來說， OFDM 復(fù)等效基帶信號可以采用離散傅立葉逆變換（ IDFT）方法來實現(xiàn)。其中每個 IDFT輸出的數(shù)據(jù)符號 ks 都是由所有子載波信號經(jīng)過疊加而生成的，即對連續(xù)的多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的疊加信號進行抽樣得到的。對于子載波數(shù)量非常大的 OFDM 系統(tǒng)來說，可以進一步采用 IFFT 算法來實施傅立葉變換。當(dāng)信號獨立于系統(tǒng)時， FFT 變換和 IFFT 變換可以被交替使用。 （ 2）交織：交織器用于降低在數(shù)據(jù)信道中的突發(fā)錯誤，交織后的數(shù)據(jù)通過一個串并行轉(zhuǎn)換器，將 IQ 映射到一個相應(yīng)的星座圖上。調(diào)制的方式可以有許多種，包括 BPSK、 QPSK、QAM 等。 OFDM 中的星座映射，其實只是一個數(shù)值代換的過程。因為從原來的一串?dāng)?shù)，現(xiàn)在變成了由實部和虛部組成的兩串?dāng)?shù)。 虛部 實 部 （ 4）插入導(dǎo)頻：為了能夠使接收穩(wěn)定，在每 48 個子載波中插入 4 個導(dǎo)頻信息。由此，用戶的原始輸入數(shù)據(jù)就被 OFDM 按照頻域數(shù)據(jù)進行了處理。 有意思的是，與 FDM中的使用頻率保護間隔類似，對于 OFDM這樣的頻率使用率高的系統(tǒng)來說，需要在時域上插入保護間隔。 一個數(shù)據(jù)包 接收器完成與發(fā)送器相反的操作。 清除循環(huán)前綴并沒有刪掉任何信息，循環(huán)前綴中的信息是冗余的，使用循環(huán)前綴是為了保證前面提到的卷積特性的成立。為了最大限度的消除符號間干擾，還可以在每個 OFDM 符號之間插入保護間隔（ Guard Interval） ,而且該保護間隔長度 gT 一般要大于無線信道中的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。 由于每個 OFDM 符號中都包括所有的非零子載波信號，而且也可同時出現(xiàn)該 OFDM 符號的時延信號， 圖 311 給出了第一子載波和第二子載波的時延信號。例如在單載波 BPSK 調(diào)制模式下，符號速率就相當(dāng)于傳輸?shù)谋忍厮俾?，而?OFDM 中，系統(tǒng)帶寬由 N 個子載波占用，符號速率則 N 倍低于單載波傳輸模式。 第二子載波對第一子載波帶來的 ICI 干擾 圖 312 加入 保護間隔的 OFDM 符號 符號的總長度為 sT = gT ＋ FTT 其中 sT 為 OFDM 符號的總長度， gT 為采樣的保護間隔長度， FTT 為 FFT 變換產(chǎn)生的無保護間隔的 OFDM 符號長度，則在接收端采樣開始的時刻 T x 應(yīng)該滿足下式： gx TT ??m a x? （ ） 其中 max? 是信道的最大多徑時延擴展，當(dāng) 采樣 滿足該式時，由于前一個符號的干擾只會在存在于 max? ], 當(dāng)子載波個數(shù)比較大時，OFDM 的符號周期 sT 相對于信道的脈沖響應(yīng)長度 max? 很大，則符號間干擾（ ISI）的影響很小， 將會沒有符號間干擾（ ISI） ；而如果相鄰 OFDM符號之間的保護間隔 gT 滿足 gT ≧ max? 的要求，則可以完全克服 ISI 的影響。而在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中，由于升余弦濾波也會帶來信息速率（帶寬）的損失，這個損失與滾降系數(shù)有關(guān)。多徑信道的頻率選擇性 衰落會導(dǎo)致接收信號功率大幅下降，達到 30dB 之多，信噪比也大幅下降。但任何事物都有其兩面性，自適應(yīng)調(diào)制也不例外。功率控制與自適應(yīng)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(yīng)降低，可使用 QPSK。自適應(yīng)調(diào)制要求對信道的性能有充分的了解，如果在差的信道上使用較強的調(diào)制方式，那么就會產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統(tǒng)的可靠性。 （ 1）分組信道 最簡單的方法是將信道分組分配給每個用戶，這樣可以使由于失真、各信道能量的不均衡和頻偏所造成的用戶間的干擾最小。利用時間交織和前向糾錯可以恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，但是會降低系統(tǒng)容量 增加信號時延。初步研究表明，在頻率選擇性信道采用自適應(yīng)跳頻可以大幅提高信號接收功率，能夠達到 5~20dB，令人驚異。跳頻的開銷比特數(shù)量與用戶速率、用戶數(shù)量以及系統(tǒng)是全雙工還是半雙工有關(guān)。而時分半雙工系統(tǒng)可以減少開銷比特，只有 10%～ 15%。 OFDM 的關(guān)鍵技術(shù) 同步技術(shù) 在 OFDM 系統(tǒng)中， N 個符號的并行傳輸會使符號的延續(xù)時間更長，因此它對時間的偏差不敏感。 相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響，其次也會引入一定量的信道間干擾（ ICI），因為相位誤差導(dǎo)致子載波的間隔不再是精確的 1/T 了。多普勒展寬會導(dǎo)致頻率發(fā)生彌散，引起信號發(fā)生畸變。 由于同步是 OFDM 技術(shù)中的一個難點，因此，很多人也提出了很多OFDM 同步算法，主要是針對循環(huán)擴展和特殊的訓(xùn)練序列以及導(dǎo)頻信號來進行，其中較常用的有利用奇異值分解的 ESPRIT 同步算法和 ML 估計算法，其中 ESPRIT 算法雖然估計精度高，但計算復(fù)雜，計算量大，而 ML 算法利用 OFDM 信號的循環(huán)前綴，可以有效地對 OFDM 信號進行頻偏和時偏的聯(lián)合估計，而且與 ESPRIT 算法相比，其計算量要小得多。 PAPR（ PeaktoAveragePower Ratio） 是峰值功率與平均功率之比。這種現(xiàn)象在非線性限帶信道中是不希望出現(xiàn)的，經(jīng)非線性放大器后，包絡(luò)中的起伏雖然可以減弱或消除，但與此同時卻使信號頻譜擴展，其旁瓣將會干擾臨近頻道的信號。因此如果沒有改善 OFDM 對非線性的敏感性的措施， OFDM 技術(shù)將不能用于使用電池的傳輸系統(tǒng)，如手機等移動設(shè)備。 （ 2）編碼技術(shù)：分組編碼的方法既可以絕對地降低 PAPR，也具有一定的糾錯能力。 Golay 二進制序列（即 Complementary） 就是一種旁瓣小的序列。通過采用基于互余序列的分組碼，在 PAPR 的控制在 36dB 情況下，系統(tǒng)可以得到很大的編碼增益，并改善了 errorfloor 性能。尤其是在 OFDM 系 統(tǒng)中，系統(tǒng)對頻偏比較敏感，所以一般使