【正文】 第三章 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 同步技術(shù) 同步技術(shù)簡(jiǎn)介 在通信系統(tǒng)中，特別是在數(shù)字通信系統(tǒng)中，同步是一個(gè)非常重要的問題。粗同步和細(xì)同步之間有幾點(diǎn)不同之 處，簡(jiǎn)述如下：首先是用產(chǎn)生相關(guān)信號(hào)的結(jié)構(gòu)不同；其次是產(chǎn)生相關(guān)信號(hào)的關(guān)系式和序列有所不同。 同步偏移對(duì) OFDM 系統(tǒng)性能的影響 (1)載波頻率偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)性能的影響：頻率偏差可以分解為兩個(gè)部分：小數(shù)部分和整數(shù)部分。雖然原理上是符號(hào)定時(shí)的起始點(diǎn)在保護(hù)間隔內(nèi)可以任意變化，但其變化會(huì)對(duì) OFDM 系統(tǒng)的性能產(chǎn)生一定的影響，比如會(huì)增加 其 對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的敏感程度，所以需要盡量減小符號(hào)定時(shí)同步的偏差。陰影衰落的統(tǒng)計(jì)特性通常符合正態(tài)分布，其是以較大空間尺度來(lái)衡量的。 無(wú)線信 道信道估計(jì) OFDM 系統(tǒng)的接收既可以采用相干檢測(cè)也可以采用非相干檢測(cè)。由于這種訓(xùn)練序列包括所有的子載波，不需要在接收端進(jìn)行頻域內(nèi)的插值，因此其對(duì)頻率選擇性不是很敏感。由于限幅是一個(gè)非線性的過程，因此會(huì)給 OFDM 系統(tǒng)帶來(lái)一些弊端：第一會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成自身干擾，這是由于對(duì) OFDM 符號(hào)幅度進(jìn)行了畸變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的 BER 性能下降；第二是 OFDM 信號(hào)的非線性畸變會(huì)導(dǎo)致其帶外輻射功率值變大，其產(chǎn)生的原因在于限幅操作，它可以看作是矩形窗函數(shù)與 OFDM 采樣符號(hào)相乘，若門限值大于 OFDM 符 號(hào)的幅值，此時(shí)矩形函數(shù)的幅值為 1；但若符號(hào)幅值需要限幅時(shí)，則矩形窗函數(shù)的幅值應(yīng)小于 1。 (3)非畸變技術(shù)減小峰均功率比方法 在 OFDM 系統(tǒng)中出現(xiàn)較大的峰值功率信號(hào)的原因在于多個(gè)子載波信號(hào)的疊加，若可以用多個(gè)序列來(lái)表示同一組信息的傳輸，則可以在給定的峰均功率比門限的條件下，從中選擇一組用于傳輸，這樣會(huì)減小大峰值功率信號(hào)出現(xiàn)的概率。 表 糾正 t個(gè)符號(hào)錯(cuò)誤的 RS碼的參數(shù) 參數(shù) 符號(hào) 數(shù) /個(gè) 比特?cái)?shù) /bit 碼長(zhǎng) ? 2m1 (2m1)m 信息段 K km 監(jiān)督段 nk=2t (nk)m 最小碼距 2t+1 (2t+1)m 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 22頁(yè) (2)伽羅華域 伽羅華域是指由 2m 個(gè)符號(hào)以及相應(yīng)的乘法、加法運(yùn)算 (這里的乘法、加法運(yùn)算為模二加和模二乘 )所組成的域，記為 GF(2m)，這個(gè)域里，通過任何運(yùn)算得到的結(jié)果仍然是這個(gè)域的元素。 GF 元 素 相 加 結(jié) 果 GF 元 素 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 24頁(yè) 圖 RS(7,5)編碼電路方框圖 圖 中 D 為一個(gè)碼字的移存器， K1表示閉合前 5 個(gè)碼字，斷開后兩個(gè)碼字。如果 S1,S2 均為零，則表示沒有發(fā)生錯(cuò)誤；如果 S1,S2 不為零，則表示有誤碼。 交織技術(shù) 信道編碼和交織技術(shù)是提高系統(tǒng)性能的普遍方法，其中交織技術(shù)是一種很實(shí)用也很常用的構(gòu)造碼的方法，可以與其他信道編碼方式配合使用，既可以糾隨機(jī)錯(cuò)誤，也可以糾正突發(fā)錯(cuò)誤。此時(shí)，可以使用均衡技術(shù)以適當(dāng)減小循環(huán)前綴的長(zhǎng)度，也就是通過增加系統(tǒng)的復(fù)雜性來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)頻帶的利用率。 均衡技術(shù) 通常在多徑衰落的環(huán)境下，想要改善 OFDM 系統(tǒng) 的性能，均衡技術(shù)不是 最 有效的方 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 26頁(yè) 法。) 39。 (2 是極大最小距離可分碼，簡(jiǎn)稱 MDS 碼。 表 為伽羅華域元素的二進(jìn)制表示，仍以 m=3 為例。 RS 碼即以組為單位進(jìn)行校正的分組校正碼，是具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力的多進(jìn)制 BHC碼 (BHC 碼適用于隨機(jī)差錯(cuò)的循環(huán)檢驗(yàn)碼 )。因此這樣做會(huì)給 OFDM 系統(tǒng)帶來(lái)一些問題，首先會(huì)使信號(hào)的功率值與功率放大器的非線性變化區(qū)域更加接近，因而造成信號(hào)的失真；其次會(huì)使系統(tǒng)的平均發(fā)射功率增加。為了避免上述這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，要求功率放大器 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 20頁(yè) 工作在大功率補(bǔ)償?shù)那闆r下，但是這樣會(huì)降低其放大效率并使發(fā)射機(jī)的成本變得很高。 盲估計(jì)算法不需要訓(xùn)練序列，它是通過利用傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)在數(shù)學(xué)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與基于訓(xùn)練序列的算法相比，它可以 節(jié)約帶寬，提高系統(tǒng)的效率，所以其在無(wú)線通信中的應(yīng)用受到重視；但其運(yùn)算量太大，靈活性較差，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用因此受到了限制。 多普勒效應(yīng)是由信道路徑中物體的運(yùn)動(dòng)或是接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的。根據(jù)電磁波的特征分別為大尺度衰落和小尺度衰落?，F(xiàn)階段 OFDM 系統(tǒng)經(jīng)常采用的載波跟蹤方法是盲估計(jì)方法和輔助數(shù)據(jù)法。若在樣值定時(shí)中存在偏差，則會(huì)出現(xiàn)兩方面的影響：第一，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)過抽樣的子載波之間不再保持正交性，這是因?yàn)闃又?頻率的偏差會(huì)引起 FFT 周期的偏差，從而產(chǎn)生 ICI；第二，產(chǎn)生時(shí)變的定時(shí)偏差，導(dǎo)致接收機(jī)必須跟蹤時(shí)變的相位變化。在多載波系統(tǒng)中，載波的頻率偏移會(huì)產(chǎn)生子信道間的干擾，尤其是在移動(dòng)通信中，信道環(huán)境特別惡劣，會(huì)造成通信質(zhì)量急劇下降 ，所以 OFDM 系統(tǒng)要求較高的同步精度。從圖中可以得出，隨著滾降系數(shù)的增大，時(shí)域響應(yīng)波形的拖尾減小且衰減加快，頻域曲線下降緩慢，帶寬 增加，當(dāng)滾降系數(shù)為零時(shí)，頻域曲線為矩形，但會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，這是由于時(shí)域截?cái)嘁鸬摹? 圖 加入保護(hù)間隔的 OFDM 符號(hào) 第二子載波對(duì)第一子載波的干擾 FFT 積分時(shí)間 保護(hù)間隔 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 12頁(yè) 加窗技術(shù) 根據(jù)本章第一小節(jié)的式 (21),假定 Ts=0，可以得到如式 (27)所示的功率歸一化的OFDM 信號(hào)的復(fù) 包絡(luò) , 101( ) ( ) e x p ( 2 )2N iiiTs t d r e c t t i f tN ?????? (27) 式中iciffT??， 1N是功率歸一化因子， N 為子載波數(shù)。通過在 OFDM 符號(hào)間插入保護(hù)間隔 (Guard Interval ,GI), 可以在很大程度上消除符號(hào)間干擾 (Inter Symbol Interference， ISI),一般無(wú)線信道最大時(shí)延要小于保護(hù)間隔的長(zhǎng)度，經(jīng)過這樣的處理后，前一個(gè)信號(hào)的多徑 分量便不會(huì)對(duì)后一個(gè)信號(hào)造成干擾，這段 保護(hù)間隔，可以是一段空白的傳輸時(shí)段，即不插入任何符號(hào)。如圖 所示，其中包含了 OFDM 信號(hào)頻譜中各子信道的頻譜，由其函數(shù)特點(diǎn)可以看出，是 sinc 函數(shù)，其零點(diǎn)出現(xiàn)在頻率為 1/T 的整數(shù)倍的位置上，在每個(gè)子載波譜的最大值處，其它子載波的頻譜為零。然而在很多文獻(xiàn)中，通常采用復(fù)等效基帶信號(hào)形式來(lái)描述 OFDM信號(hào)，如式 (22)所示 。當(dāng)信道帶寬小于相干帶寬時(shí)，可以認(rèn)為該信道是非頻率選擇性信道，其所經(jīng)歷的衰落是平坦性衰落；而如果信號(hào)的持續(xù)時(shí)間小于相干時(shí)間時(shí)，則可以將信道看成線性時(shí)不變系統(tǒng)。 發(fā)射機(jī)子載波頻率的偏差會(huì)使 OFDM 系統(tǒng)子載波間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致不同子信道的信號(hào)相互干擾 [24]。 (3) 頻譜利用率高 由于 OFDM 技術(shù)應(yīng)用了快速傅里葉變換 (FFT),使各個(gè)子載波可以部分重疊，在理論 上可接近奈奎斯特極限 ,并且其子信道上采用頻譜效率較高的多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)，例如QPSK,QAM 等 ，這樣進(jìn)一步提高了頻譜利用率。 (2)Simulink 仿真平臺(tái)： Simulink 是 Matlab 中一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和仿真結(jié)果分析的軟件包，是一個(gè)建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級(jí)的系統(tǒng)仿真環(huán) 境。 2020 年 11 月， OFDM 論壇的固定無(wú)線接入工作組提議 城域網(wǎng)的物理層標(biāo)準(zhǔn)采用 OFDM 技 術(shù)，并向 的無(wú)線城域網(wǎng)委員會(huì)遞交了一份建議書。除此之外，還引入了多種加窗技術(shù)來(lái)對(duì)抗符號(hào)間干擾 (Inter Symbol Interference, ISI)及子信道間干擾 (InterChannel Interference,ICI)。 與前三代移動(dòng)通系統(tǒng)相比，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的通信系統(tǒng)，但同時(shí)它具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如其具有更高的數(shù)據(jù)速率、更高的網(wǎng)絡(luò)頻譜、更高的智能性、安全性和靈活性、更平滑的兼容性能、更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量以及更高的傳輸質(zhì)量 。 19世紀(jì) 70 年代末，美國(guó)電話電報(bào)公司 (ATamp。 分析研究表明，在信噪比較小時(shí)， RS 編碼對(duì) OFDM 系統(tǒng)的差錯(cuò)性能有明顯改善，但當(dāng)信噪比達(dá)到一定值時(shí)，經(jīng)過 RS 編碼后的系統(tǒng)性能急劇下降，說(shuō)明 RS 編碼對(duì)系統(tǒng)誤碼性能的改善程度是有限的；另外，當(dāng)信噪比 相同時(shí)，隨著多普勒頻移的不斷增大，OFDM 系統(tǒng)的誤碼率也不斷變大，說(shuō)明多普勒頻移對(duì)系統(tǒng)的差錯(cuò)性能有一定的負(fù)面影響。 本文主要介紹了 OFDM 系統(tǒng)的基本原理以及 其優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)闡述了 RS 編碼技術(shù)，并簡(jiǎn)單敘述了各種關(guān)鍵技術(shù)。到目前為止，移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)了三個(gè)主要發(fā)展階段，每個(gè)階段的發(fā)展都是技術(shù)的突破和觀念的創(chuàng)新，不僅集中了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的許多成就；也集中了有線通信、無(wú)線通信的最新技術(shù)成果。在這個(gè)階段，歐洲率先提出了全球移動(dòng)通信系統(tǒng) (Global System for Mobile， GSM)，而窄帶碼分多址 (CodeDivision Multiple Access,CDMA)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)緊隨其后由美國(guó)高通公司提出，這是移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展中的具有重要意義的事件。首次提出了 OFDM 理論，并在 1970 年成功獲得專利。 19 世紀(jì) 90年代末 通過了一個(gè)5GHz 的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中它的物理層標(biāo)準(zhǔn)采用的是 OFDM 技術(shù) 。目前常用的仿真技術(shù)主要有： (1)Matlab 仿真平臺(tái)。此外， OFDM 系統(tǒng)采用的加載算法使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。 (2)峰值平均功率比較高 由于 OFDM 系統(tǒng)中各子載波相互獨(dú)立，峰值功率與均值功率比相對(duì)較大，且隨子載波數(shù)目的增加而增加。 第五章為總結(jié)和展望，對(duì)本論文進(jìn)行概括總結(jié) ,并對(duì) OFDM 技術(shù)的未來(lái)發(fā)展作出展望。 信號(hào)的表達(dá)式及其正交性 OFDM 的根本思想是通過串并變換把串行的高速數(shù)據(jù)流變成并行的低速數(shù)據(jù)流，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就在于保證各個(gè)子載波之間的正交性，這也是 OFDM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 8頁(yè) 圖 OFDM 基帶傳輸系統(tǒng)的框圖 [6] 比如可以對(duì)式 (22)中的第 j 個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，并在時(shí)間 T 內(nèi)進(jìn)行積分，如式 (24)所示： 1^0101 e xp( 2 ( ) ) e xp( 2 ( ) )1 e xp( 2 ( ) )ssNtTi s i stiNsjijjd j t t d j t t dtT T Tiji t t dt dTT????????? ? ? ??? ? ???? (24) 由此以及積分的知識(shí)可以得出，只有對(duì)第 j 個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出原始信號(hào)，而對(duì)于其他子載波進(jìn)行解調(diào)積分，結(jié)果 均為零，這是由于由于在積分區(qū)間 T 內(nèi)，頻率差別產(chǎn)生了整數(shù)倍個(gè)周期。通過離散傅里葉反變換，把頻域數(shù)據(jù)di變成時(shí)域的數(shù)據(jù) S(k)，經(jīng)過射頻載波調(diào)制后，發(fā)送到無(wú)線信道中。具體實(shí)現(xiàn)方法是將每個(gè)符號(hào)的后Tg 時(shí)間中的樣點(diǎn)復(fù)制到該 OFDM 符號(hào)的最前面，從而形成前綴，但在交接點(diǎn)處沒有出現(xiàn)任何間斷。然后將 IFFT 輸出的尾部 Tprefix個(gè)樣值插入 OFDM 符 子載波為 256 子載波為 512 子載波為1024 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 14頁(yè) 號(hào)的頭部，將 OFDM 符號(hào)頭部的 Tpostfix個(gè)樣值插入 OFDM 符號(hào)的尾部。所謂同步就是要求首發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致，它是 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。符號(hào)同步的具體實(shí)施方法是首先由相關(guān)運(yùn)算獲得同步信號(hào)，然后通過一定的檢測(cè)方法來(lái)得到符號(hào)的起始位置。如果頻率偏差是子載波間隔的整數(shù)倍，即為所謂的整數(shù)部分；而當(dāng)載波偏差不是子載波間隔的整數(shù)倍時(shí)，即所謂的小數(shù)部分，也稱分?jǐn)?shù)頻偏，此時(shí)會(huì)造成子信道間的干擾，而整數(shù)部分僅僅使信息符號(hào)在信道上平移。 信道估計(jì)技術(shù) 無(wú)線通信信道 在介紹 OFDM 系統(tǒng)的信道估計(jì)技術(shù)之前，首先要了解 OFDM 系統(tǒng)中信號(hào)傳播信道的性能。 路徑損耗是指當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的距離在較大尺度上發(fā)生變化，此時(shí)所接收到的信號(hào)的平均功率值與信號(hào)傳輸距離的 n 次方具有反比例關(guān)系， n 即 為路徑損耗指數(shù)。采用差