【文章內(nèi)容簡介】 功率譜 在 OFDM 系統(tǒng)中，通過合理的子載波設(shè)計(jì)，可以使得各個(gè)子載波占用的帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，從而各個(gè)子載波的信號可以看作經(jīng)歷了平坦衰落。 OFDM 系統(tǒng)采用復(fù)雜度較低的信道均衡措施就可以很好地消除各子載波上的平坦衰落，而得到較好的傳輸性能。 圖 13 OFDM 信道的功率譜 OFDM 技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn) OFDM 技術(shù)的應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 60 年代，主要用在軍事通信中，但是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了進(jìn)一步推廣。 70 年代，人們提出采用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制，使 OFDM 技術(shù)開始走向?qū)嵱没?。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和高速器件的發(fā)展， OFDM在 ADSL、VDSL、 DVB、 DAB 和 HDTV 等系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。由于具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)， OFDM 技術(shù)已經(jīng)越來越成為未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 （ 1） 抗多徑效應(yīng)和頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。由于 OFDM 系統(tǒng)把高速數(shù)據(jù)通過串并轉(zhuǎn)換分散到正交子載波上，可以大大降低各個(gè)子載波的符號速率 ，同時(shí)采用加循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔的方法，可以有效地減小無線信道的時(shí)間彌散所帶來的符號間串?dāng)_，大大減小了接收機(jī)內(nèi)均衡器的復(fù)雜度。 （ 2） 頻譜利用率很高。如圖 13 所示。 OFDM 系統(tǒng)允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比， OFDM 系統(tǒng)可以最大限度地利用有限的頻譜資源。 （ 3） 在實(shí)際的 OFDM 系統(tǒng)中，信號的調(diào)制解調(diào)可以分別用 IDFT 和 DFT 來實(shí)現(xiàn)。而 IDFT 和 DFT 都有相應(yīng)的快速算法（ IFFT/FFT）。這使得 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)很容易在 DSP 或者專用集成芯片 ASIC 等上實(shí)現(xiàn)。 （ 4） 采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)能提高系統(tǒng)性能。在平均功率以及所有子載波的符號錯(cuò) 誤概率相等的約束條件下，通過各子載波間的最佳功率分配的設(shè)計(jì)以及對每個(gè)子載波中每個(gè)符號的比特?cái)?shù)（ QAM 信號星座圖的大?。┳罴堰x擇的設(shè)計(jì)，可以得到最大的總比特率。 （ 5） 滿足無線業(yè)務(wù)的非對稱性要求。在移動(dòng)通信業(yè)務(wù)中，下行鏈路的數(shù)據(jù)速率通常要 比上行鏈路高得多。 OFDM 系統(tǒng)可以很容易地采用不用數(shù)量的子信道來實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路不同的傳輸速率，從而支持移動(dòng)通信的非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸。 信號模型 經(jīng)調(diào)制后的 OFDM 符號 時(shí)域表達(dá)式為： 假設(shè)頻域信號 X(k)是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，當(dāng)子載波數(shù) N很大時(shí)，根據(jù)中心極限定理，時(shí)域輸出信號 r(n )近似服從復(fù)高斯分布，其幅度服從瑞利分布。 為抑制 OFDM 信號的峰均比，通常對發(fā)送信號進(jìn)行限幅濾波。 為描述限幅濾波對信號的影響，定義峰均比抑制率為 2/ {| ( ) | }r A E X k? ，即輸出幅度與輸入功率的均方根之比。從功率角度，定義輸出峰均比 PAPR 2 2 2A /E { | X (k ) | } = r。 根據(jù) Bussgang 定理，高斯輸入的非線性系統(tǒng)的輸出可以表示為： ( ) ( ) ( )gx n ax n d n?? (3) 式中： a為常數(shù)，取決于抑制率 y， x(n)與 d（ n）是不相關(guān)的。 21 1 0 .5 * * ( )g yx x x xa R R e y e rfc y???? ? ? ? （ 4） 限幅濾波造成的非線性失真包含帶外輻射和帶內(nèi)干擾兩部分。帶外輻射可以通過低通濾器濾除。而帶內(nèi)干擾對有用信 號的影響體現(xiàn)在幅度衰落 a和非線性加性噪聲干擾 d( n)兩個(gè)方面。傳統(tǒng)的接收機(jī)不能補(bǔ)償由于該非線性噪聲干擾造成的性能下降。 信道模型 受多普勒效應(yīng)的影響，無線信道一般為時(shí)變的多徑瑞利信道 州。為便于信道估計(jì)和均衡，通常認(rèn)為單個(gè) OFDM 符號周期內(nèi)信道是非時(shí)變的，而 OFDM 符號之間的信道是時(shí)變的。同時(shí)假設(shè) OFDM 系統(tǒng)是完全同步的，且不受符號間干擾 (ISI)影響。經(jīng)限幅濾波的信號通過多徑信道后，接收到的信號為： ()Y diag aX D H Z? ? ? （ 5） 式中： a為限幅造成的信號幅度衰落； X為待傳輸數(shù)據(jù)； D為系統(tǒng)限幅造成的非線性失真； H為一個(gè)符號周期內(nèi)的多徑信道頻域響應(yīng)； Z為加性高斯白噪聲。 X與 D 是不相關(guān)的。 第 3 章 OFDM 系統(tǒng)中的信道估計(jì) OFDM 系統(tǒng)的基本原理 信道估計(jì)從大的角度可以分為非盲估計(jì)和盲估計(jì)以及在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的半盲估計(jì)。非盲估計(jì)一般指的是基于導(dǎo)頻插入的信道估計(jì)方法，首先利用導(dǎo)頻獲得導(dǎo)頻處的信道信息，然后通過插值的辦法獲得所有子載波處的信道信息。但是顯然，導(dǎo)頻信息占用了信息比特，降低了信 道傳輸?shù)挠行?，浪費(fèi)了帶寬。 盲估計(jì)是指不使用導(dǎo)頻信息，通過使用相應(yīng)信息處理技術(shù)獲得信道的估計(jì)值，與傳統(tǒng)的非盲信道估計(jì)技術(shù)相比，盲信道估計(jì)技術(shù)使得系統(tǒng)的傳輸效率大大提高，然而由于盲信道估計(jì)算法運(yùn)算量太大，收斂速度較慢，靈活性差，這阻礙了它在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。基于上述理由，有人提出了半盲信道估計(jì)，它在數(shù)據(jù)傳輸效率和收斂速度上做一個(gè)折衷，即采用較少的訓(xùn)練序列來獲得信道的信息。 此外，還有面向判決反饋的信道估計(jì)方法具有較高的有效信息傳輸速率，對于慢時(shí)變信道有較好的跟蹤性能，但對于快時(shí)變信道，因?yàn)樾诺赖目熳?造成面向判決信道估計(jì)具有較大的殘余誤差，所以跟蹤性能大大下降。 在基于 OFDM 的新一代無線由于傳輸速率較高，并且需要使用相干檢測技術(shù)獲得較高的性能，因此通常使用非盲估計(jì)獲得較好的估計(jì)效果，這樣可以更好的跟蹤無線信道的變化，提高接收機(jī)性能。這也是本文重點(diǎn)研究的內(nèi)容。 迭代算法描述 OFDM 系統(tǒng)的基本框圖如圖 1 所示。接收端接收到信號后，首先去除循環(huán)前綴、實(shí)施FFT變換，并補(bǔ)償幅度衰落。補(bǔ)償后的信號為： 11()cY diag X a D H a Z??? ? ? (6) 從補(bǔ)償后的信號中抽取導(dǎo)頻信息，并進(jìn)行初始信道估計(jì)。估計(jì)的信道參數(shù)送入均衡器中，用于均衡信道的頻率選擇性衰落。硬判決后的數(shù)據(jù)插入導(dǎo)頻信息，經(jīng) IFFT 變換后再次經(jīng)歷與發(fā)送端相同的限幅濾波，從而獲得估計(jì)的非線性失真信息。其中，估計(jì)的限幅后的導(dǎo)頻序列用于信道的再估計(jì)，而失真信息用于數(shù)據(jù)的再判決。隨著迭代次數(shù)的增加，經(jīng)判決得到的數(shù)據(jù) ()idXn的誤碼率逐漸降低，并最終達(dá)到穩(wěn)定。相應(yīng)的，估計(jì)的非線性失真信息將越來越精確，最終達(dá)到某一極限。 具 體算法描述如下，初始化 2, 0 , 0ippX X D i? ? ?。其中， ipX 為限幅后的導(dǎo)頻序列，pX 為原始導(dǎo)頻序列。 2?D 為估計(jì)的非線性失真信息， i為迭代次數(shù)。 步驟 1：信道估計(jì)。從 cY 中抽取導(dǎo)頻信號 pY 。，然后采用 LS信道估計(jì)算法估算信道響?ipH ，并用 DFT插值算法內(nèi)插出所有子信道的信道響 ?iH 。 1? ? ()i H i H ip p p p pH F F H F F d ia g X Y?? ? ? ? (7) 式中： F為 N N的傅里葉變換矩陣 ； HpF 為 P P的傅里葉變換矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。 ? 為N P 的矩陣，其中 , 1, 0,1,l l l? ? ? …， L1其余元素均為 0。 P為導(dǎo)頻序列的個(gè)數(shù)， L為多徑信道的徑數(shù)。 步驟 2：信道均衡。根據(jù)估計(jì)的信道響應(yīng) ?iH ，對信號 icY 進(jìn)行迫零均衡。均衡后的信號為： 1? ?()i i ieeY diag H Y?? （ 8） 步驟 3：從均衡后的信號中抽取數(shù)據(jù)子載波信號 ?idY ，并補(bǔ)償非線性失真 1? ? ?i i id d dY Y a D??? 。 步驟 4：基于最短歐式距離的無編碼約束的符號硬判決。該判決器從所有 符號映射中選擇一個(gè)與 ()idYk歐式距離最短的符號作為最佳判決 ? ()idXk。 導(dǎo)頻結(jié)構(gòu) 本文采用的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)為 Barhumi等提出的塊狀導(dǎo)頻符號。發(fā)射端信號的幀結(jié)構(gòu)采用在一幀數(shù)據(jù)前面加入若干個(gè)導(dǎo)頻符號的方式，在多天線系統(tǒng)中不同發(fā)射天線上，同一時(shí)刻的導(dǎo)頻符號是相互正交的。假設(shè)接收機(jī)不知道信道的任何先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)信息，可以在每幀數(shù)據(jù)區(qū)前均放置導(dǎo)頻符號，用于在 頻域內(nèi)對信道進(jìn)行 MMSE準(zhǔn)則的估計(jì)，而不需要任何已知的信道統(tǒng)計(jì)信息。為了方便地處理信號，設(shè)置一個(gè) OFDM符號的不同子載波上的導(dǎo)頻符號是相同的，而不同天線上發(fā)送的導(dǎo)頻符號之間互相正交。本文采用的 2發(fā) 2收 MIMOOFDM系統(tǒng)中，所有插入的導(dǎo)頻如圖 3所示。圖 3中， P為所有天線上的導(dǎo)頻序列所組成的導(dǎo)頻矩陣， 1[]NTP P P? … ，這里只是一根天線上的循環(huán)導(dǎo)頻序列，周期為 ()T n NT nN P P? ? ，又滿足正交性，即 HH TPP P P N I?? (4) 其中 I為 TN 階的單位矩陣， ()H? 表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算。 算法選擇 MAP迭代譯碼算法 文獻(xiàn) [5]提出了在多徑衰落信道環(huán)境中利用 Turbo譯碼模塊軟信息的迭代判決反饋信道估計(jì)方法。這里將 其擴(kuò)展應(yīng)用到 MIMOOFDM系統(tǒng)中。圖 2所示的空時(shí)編碼 OFDM系統(tǒng)接收機(jī)框圖主要由 3個(gè)模塊組成：空時(shí)信號檢測模塊、信道估計(jì)模塊和 MAP譯碼模塊。為了將信道估計(jì)和譯碼聯(lián)合考慮，接收機(jī)在每次迭代過程中對信道估計(jì)值也進(jìn)行迭代，在 3個(gè)模塊之間傳遞更加可靠的軟信息，從而提高信道估計(jì)的精度。 空時(shí)信號檢測模塊利用接收信號和初始信道估計(jì)值進(jìn)行信號檢測，其中初始信道估計(jì)值由 LS算法得到。譯碼模塊采用改進(jìn)的 LogMAP算法，譯碼后同時(shí)得到信息位比特和校驗(yàn)位比特的軟信息。將軟信息按照 Turbo編碼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)、 信道交織和空時(shí)編碼，然后反饋到信道估計(jì)模塊，更新上一次的信道估計(jì)值。通過迭代過程，信道編碼的冗余信息在各模塊之間得到有效的傳遞，增強(qiáng)了系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力，從而提高估計(jì)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，由于算法利用了 LogMAP譯碼的校驗(yàn)位信息，減小了接收端重構(gòu)時(shí)造成的誤差傳播，使得信道估計(jì)模塊利用正確譯碼信息的概率增加。 LogMAP算法需要計(jì)算編碼比特的對數(shù)似然比 (LogLikelihood Ratios， LLR)。經(jīng)過 q次迭代后， Turbo譯碼器輸出的碼字符號的對數(shù)似然比可以表示為 1( ) ( )1( ) ( , ) ( )( ) ( ) l og ( 5 )( ) ( , ) ( )k k kgqqk c k e k k k kgs s s sL d