【文章內(nèi)容簡介】 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，這樣，盡管總的信道是非平坦的，即具有頻率選擇性，但是每個自信道是相對平坦的，并且在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。 OFDM 技術(shù)的最大優(yōu)點是能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在OFDM 系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減少了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率 。 簡介 OFDM 的工作原理，輸入數(shù)據(jù)信元的速率為 R，經(jīng)過 串并轉(zhuǎn)換后，分成 M 個并行的子數(shù)據(jù)流，每個子數(shù)據(jù)流的速率為 R/M，在每個子數(shù)據(jù)流中的若干個比特分成一組，每組的數(shù)目取決于對應(yīng)子載波上的調(diào)制方式，如 PSK、 QAM等。 M 個并行的子數(shù)據(jù)信元編碼交織后進行 IFFT 變換，將頻域信號轉(zhuǎn)換到時域，IFFT 塊的輸出是 N 個時域的樣點，再將長為 Lp 的 CP(循環(huán)前綴 )加到 N 個樣點前，形成循環(huán)擴展的 OFDM 信元，因此，實際發(fā)送的 OFDM 信元的長度為 Lp＋ N，經(jīng)過并 /串轉(zhuǎn)換后發(fā)射。接收端接收到的信號是時域信號，此信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后移去 CP，如果 CP 長度大于信道的記憶長度時， ISI 僅 僅影響 CP，而不影響有用數(shù)據(jù)，去掉 CP 也就去掉了 ISI 的影響 。 圖 1 OFDM 系統(tǒng)圖示 9 由于 OFDM 信號是經(jīng)過 IFFT 得到的，發(fā)送的數(shù)據(jù)在頻域被充分隨機化，OFDM 信號可以認為是獨立同步分布的隨機變量的線性組合。當(dāng)子載波非常大時，由中心極限定理知 OFDM 信號近似服從復(fù)高斯分布，從而 OFDM 信號具有較大的峰值平均功率比（ PAPR），此為 OFDM 系統(tǒng)的一個缺點。由于 OFDM 系統(tǒng)各個子載波間相互正交， OFDM 系統(tǒng)另外一個缺點是對系統(tǒng)頻偏比較敏感。 （二） OFDM 中的峰均比問題 由于 OFDM 信號是有一系列 的子信道信號重疊起來的，所以很容易造成較大的 PAPR。大的 PAPR 信號通過功率放大器時會有很大的頻譜擴展和帶內(nèi)失真。但是由于大的 PARP 的概率并不大，可以把大的 PAPR 值的 OFDM 信號去掉。但是把大的 PAPR 值的 OFDM 信號去掉會影響信號的性能，所以采用的技術(shù)必須保證這樣的影響盡量小。一般通過以下幾種技術(shù)解決： （ 1）信號失真技術(shù)。采用修剪技術(shù)、峰值窗口去除技術(shù)或峰值刪除技術(shù)使峰值振幅值簡單地線性去除。 （ 2）編碼技術(shù)。采用專門的前向糾錯碼會使產(chǎn)生非常大的 PAPR 的 OFDM符號去除。 （ 3）擾碼技術(shù) 。采用擾碼技術(shù)，使生成的 OFDM 的互相關(guān)性盡量為 0，從而使 OFDM 的 PAPR 減少。這里的擾碼技術(shù)可以對生成的 OFDM 信號的相位進行重置，典型的有 PTS（部分傳輸序列） 和 SLM（選擇映射 ） 。 這三種方法都有自己的著眼點和特色，但每類方法都存在在各自的缺陷。 限幅類技術(shù)直接對信號的峰值進行非線性操作，它最直接，最簡單。但因為它采用了非線性操作，因此會帶來帶內(nèi)噪聲和帶外干擾，從而降低系統(tǒng)的誤比特率性能和頻譜效率。編碼類技術(shù)利用編碼將原來的信息碼字映射到一個具有比較好的PAPR 特性的傳輸碼集上，從而避開了那些會出現(xiàn) 信號峰值的碼字。該類技術(shù)為線性過程，它不會使信號產(chǎn)生畸變，因此也沒有限幅類的缺陷。但其計算復(fù)雜度非常高，編解碼都比較麻煩。重要的是，這類技術(shù)，它不像編碼類計數(shù)，完全避開信號的峰值，而是著眼于努力使信號峰值出現(xiàn)的概率降低。該類技術(shù)采用的方法也為線性過程，因此，它不會對信號產(chǎn)生畸變。這類技術(shù)能夠很有效的降低信號的 PAPR 值，它的缺點也是計算復(fù)雜度太大 ?？偟膩碚f，這三種技術(shù)中，概率類技術(shù)最有希望解決 OFDM 中的峰均比問題。從實用的角度看，限幅類技術(shù)簡單而最實用，但其會帶來一定的干擾和系統(tǒng)性能損失。因此，到目前為止 ，很多人都在努力研究這類技術(shù)，已經(jīng)提出了很多有效的方法。但還需要繼續(xù)研究。 （三） OFDM系統(tǒng)中的同步技術(shù) 同步技術(shù)是任何一個通信系統(tǒng)都需要解決的實際問題，直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的整體性能。沒有準(zhǔn)確的同步算法，就不可能進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，同步技術(shù)是信息可靠傳輸?shù)那疤帷Ｔ趩屋d波系統(tǒng)中，載波頻率從偏移只會對接受信號造成一定的衰減和相位旋轉(zhuǎn)。 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。對于無線通信來說，無線信道存在時變性，在傳輸中存在的頻率偏移會使 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交 性遭到破壞，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的損害。 由于發(fā)送端和接受端之間的采樣時鐘有偏差，每個信號樣本都一定程度地偏離它 正 確的采樣時間，此偏差隨樣本數(shù)量的增加而線性增大，盡管時間偏差 會破 10 壞子載波之間的正交性，但是通常情況下可以忽略不計。當(dāng)采樣錯誤可以被校正時，就可以用內(nèi)插濾波器來控制 正 確的時間進 行采樣。 載波頻率的偏移會使子信道之間產(chǎn)生干擾。 OFDM 系統(tǒng)的輸出信號是多個相互覆蓋的子信道的疊加，它們之間的正交性有嚴(yán)格的要求。無線信道時變性的一種具體體現(xiàn)就是多普勒頻移，多普勒頻移與載波頻率以及移動臺的移動速度都成正比 。多普 勒 擴展 會導(dǎo)致頻率 發(fā)生彌散，引起信號發(fā)生畸變。從頻域上看，信號失真會隨發(fā)送信道的多普勒擴展的增加而加劇。因此對于要求子載波嚴(yán)格同步的 OFDM 系統(tǒng)來說，載波的頻率偏移所帶來的影響會更加嚴(yán)重，如果不采取措施對這種信道間干擾（ ICI）加以克服，系統(tǒng)的性能很難得到改善。 OFDM 中的同步通常包括 3 方面的內(nèi)容： （ 1）幀檢測； （ 2）載波頻率偏差及校正； （ 3）采樣偏差及校正。 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。對 OFDM 技術(shù)的同步算法研究得比較多，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設(shè)計和研究，利用各種算法融合進行聯(lián)合估計才是可行的。OFDM 系 統(tǒng)對定時頻偏的要求是小于 OFDM 符號間隔的 4%，對頻率偏移的要求大約要小于子載波間隔的 1%~2%，系統(tǒng)產(chǎn)生的 3dB 相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的 %~ %。 （四） OFDM 系統(tǒng)中的信道估計技術(shù) OFDM 系統(tǒng)中信道估計器的設(shè)計主要有兩個問題。一個是導(dǎo)頻信息的選擇問題，由于無線信道的時變特性，需要接收機不斷地對信道進行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息必須不斷地被傳送。二 是既有較低計算復(fù)雜度又有良好信道跟蹤能力的信道估計器的設(shè)計問題，即在確定的導(dǎo)頻發(fā)送方式和信道估計準(zhǔn)則條件下，尋找最佳的信道估計器結(jié)構(gòu)。 OFDM 系統(tǒng)中的經(jīng)典信道估計技術(shù)。有常見的最小平方（ LS）、線性最小均方誤差（ LMMSE）信道估計，以及基于離散傅立葉變換（ DFT）的信道估計算法、基于奇異值分解（ SVD）的信道估計算法和最大似然信道估計算法。 （五） OFDM 多址接入技術(shù) 頻分多址（ FDMA）、時分多址（ TDMA）和碼分多址（ FDMA）是無線通信系統(tǒng)中常見的三種主要接入技術(shù)。而 OFDM 是一種高效的信號復(fù)用技術(shù)，與多址技術(shù)相結(jié)合能允許多個用戶共享有限的無線資源，獲得較高的系統(tǒng)容量。 1. 與 FDMA 結(jié)合的系統(tǒng) OFDM 系統(tǒng)在頻域劃分為一系列的并行子載波并在 頻域內(nèi)進行數(shù)據(jù)調(diào)制， 很自然地可以通過不同子載波集來區(qū)分用戶，即 OFDM 復(fù)用技術(shù)與頻分多址的結(jié)合方案。根據(jù)細節(jié)的不同，主要有以下幾種： a. OFDMA 方案 OFDMA 多址接入系統(tǒng)將傳輸帶寬劃分成正交的互不重疊的一系列子載波集，將不同的子載波集分配給不同的用戶實現(xiàn)多址。 OFDMA 系統(tǒng)可動態(tài)地把可用帶寬資源分配給需要的用戶，很容易實現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化。由于不同用戶占用 11 互不重疊的子載波集，在理想同步情況下，系統(tǒng)無多戶間干擾，即無多址干擾（ MAI）。 b. FHOFDMA 方案 跳頻 OFDMA（ FHOFDMA）通 過不同的跳頻圖案來區(qū)分用戶。在每個時隙中，根據(jù)跳頻圖樣來選擇每個用戶所使用的子載波位置，每個用戶使用不同的調(diào)頻圖樣進行跳頻，且互不碰撞。 這是一種靈活的多址方案，其主要優(yōu)點是可以獲得頻率分集增益，并可以避免或減少小區(qū)間干擾，主要缺點在于較難根據(jù)信道狀況產(chǎn)生一種簡單有效的調(diào)頻圖樣。 c. IFDMA 技術(shù) 交織頻分多址（ IFDMA）系統(tǒng)結(jié)合了單載波和多載波系統(tǒng)的優(yōu)點，具有低PAPR 特性，無多用戶間干擾，在上行系統(tǒng)中受到了廣泛的關(guān)注。將需要傳送的比特信息首先進行信道編碼、調(diào)制，然后分組進行碼片壓縮和重復(fù)并加入循環(huán)前綴，將每個用戶的信號乘以用戶相應(yīng)的相位偏移序列后經(jīng) 根升余弦濾波器 發(fā)送出去。在接收端，首先用 根升余弦濾波器 對接收信號進行濾波，并乘以用戶的共軛相位序列以提取所需用戶的信號，在合并重復(fù)的碼片后經(jīng) FFT 變換到頻域，在頻域里采用 MMSE 均衡器進行信道均衡，并用 IEFT 變換回時域并進行后續(xù)的解調(diào)和解碼恢復(fù)出傳送的原始比特信息。 d． DFTSOFDM 技術(shù) 單載波頻分多址（ SCFDMA）系統(tǒng)可以在頻域?qū)崿F(xiàn)，稱之為 DFTSOFDM系統(tǒng)。該系統(tǒng)的信號是在頻域內(nèi)構(gòu)造，具有良好的靈活性。各用戶占用的子載波可以不一樣，可根據(jù)各用 戶的具體需要進行動態(tài)分配。雖然該系統(tǒng)的 PAPR 特性