【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)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(gè)自信道是相對(duì)平坦的，并且在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。 OFDM 技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是能對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在OFDM 系統(tǒng)中各個(gè)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(shí)又提高了頻譜利用率 。 簡(jiǎn)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(gè)并行的子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流的速率為 R/M，在每個(gè)子數(shù)據(jù)流中的若干個(gè)比特分成一組，每組的數(shù)目取決于對(duì)應(yīng)子載波上的調(diào)制方式，如 PSK、 QAM等。 M 個(gè)并行的子數(shù)據(jù)信元編碼交織后進(jìn)行 IFFT 變換，將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域，IFFT 塊的輸出是 N 個(gè)時(shí)域的樣點(diǎn)，再將長(zhǎng)為 Lp 的 CP(循環(huán)前綴 )加到 N 個(gè)樣點(diǎn)前，形成循環(huán)擴(kuò)展的 OFDM 信元，因此，實(shí)際發(fā)送的 OFDM 信元的長(zhǎng)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(hào)是時(shí)域信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后移去 CP，如果 CP 長(zhǎng)度大于信道的記憶長(zhǎng)度時(shí)， 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(hào)是經(jīng)過 IFFT 得到的，發(fā)送的數(shù)據(jù)在頻域被充分隨機(jī)化，OFDM 信號(hào)可以認(rèn)為是獨(dú)立同步分布的隨機(jī)變量的線性組合。當(dāng)子載波非常大時(shí)，由中心極限定理知 OFDM 信號(hào)近似服從復(fù)高斯分布，從而 OFDM 信號(hào)具有較大的峰值平均功率比（ PAPR），此為 OFDM 系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)。由于 OFDM 系統(tǒng)各個(gè)子載波間相互正交， OFDM 系統(tǒng)另外一個(gè)缺點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)頻偏比較敏感。 （二） OFDM 中的峰均比問題 由于 OFDM 信號(hào)是有一系列 的子信道信號(hào)重疊起來(lái)的，所以很容易造成較大的 PAPR。大的 PAPR 信號(hào)通過功率放大器時(shí)會(huì)有很大的頻譜擴(kuò)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(hào)去掉。但是把大的 PAPR 值的 OFDM 信號(hào)去掉會(huì)影響信號(hào)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(hào)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(jiǎn)單地線性去除。 （ 2）編碼技術(shù)。采用專門的前向糾錯(cuò)碼會(huì)使產(chǎn)生非常大的 PAPR 的 OFDM符號(hào)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(duì)生成的 OFDM 信號(hào)的相位進(jìn)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(diǎn)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(duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行非線性操作，它最直接，最簡(jiǎn)單。但因?yàn)樗捎昧朔蔷€性操作，因此會(huì)帶來(lái)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(lái)的信息碼字映射到一個(gè)具有比較好的PAPR 特性的傳輸碼集上，從而避開了那些會(huì)出現(xiàn) 信號(hào)峰值的碼字。該類技術(shù)為線性過程，它不會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生畸變，因此也沒有限幅類的缺陷。但其計(jì)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(jì)數(shù)，完全避開信號(hào)的峰值，而是著眼于努力使信號(hào)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(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生畸變。這類技術(shù)能夠很有效的降低信號(hào)的 PAPR 值，它的缺點(diǎn)也是計(jì)算復(fù)雜度太大 ?？偟膩?lái)說，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(shí)用的角度看，限幅類技術(shù)簡(jiǎn)單而最實(shí)用，但其會(huì)帶來(lái)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(gè)通信系統(tǒng)都需要解決的實(shí)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(jìn)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?。在單載波系統(tǒng)中，載波頻率從偏移只會(huì)對(duì)接受信號(hào)造成一定的衰減和相位旋轉(zhuǎn)。 OFDM 系統(tǒng)中，Ｎ個(gè)符號(hào)的并行傳輸會(huì)使符號(hào)的延續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因此它對(duì)時(shí)間的偏差不敏感。對(duì)于無(wú)線通信來(lái)說，無(wú)線信道存在時(shí)變性，在傳輸中存在的頻率偏移會(huì)使 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交 性遭到破壞，相位噪聲對(duì)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(shí)鐘有偏差，每個(gè)信號(hào)樣本都一定程度地偏離它 正 確的采樣時(shí)間，此偏差隨樣本數(shù)量的增加而線性增大，盡管時(shí)間偏差 會(huì)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(jì)。當(dāng)采樣錯(cuò)誤可以被校正時(shí)，就可以用內(nèi)插濾波器來(lái)控制 正 確的時(shí)間進(jìn) 行采樣。 載波頻率的偏移會(huì)使子信道之間產(chǎn)生干擾。 OFDM 系統(tǒng)的輸出信號(hào)是多個(gè)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(wú)線信道時(shí)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(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度都成正比 。多普 勒 擴(kuò)展 會(huì)導(dǎo)致頻率 發(fā)生彌散，引起信號(hào)發(fā)生畸變。從頻域上看，信號(hào)失真會(huì)隨發(fā)送信道的多普勒擴(kuò)展的增加而加劇。因此對(duì)于要求子載波嚴(yán)格同步的 OFDM 系統(tǒng)來(lái)說，載波的頻率偏移所帶來(lái)的影響會(huì)更加嚴(yán)重，如果不采取措施對(duì)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(cè)； （ 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(gè)難點(diǎn)，因此，很多人也提出了很多 OFDM同步算法，主要是針對(duì)循環(huán)擴(kuò)展和特殊的訓(xùn)練序列以及導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)進(jìn)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(jì)算法，其中 ESPRIT 算法雖然估計(jì)精度高，但計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大，而 ML 算法利用 OFDM 信號(hào)的循環(huán)前綴，可以有效地對(duì) OFDM 信號(hào)進(jìn)行頻偏和時(shí)偏的聯(lián)合估計(jì)，而且與 ESPRIT算法相比，其計(jì)算量要小得多。對(duì) 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(jì)和研究，利用各種算法融合進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)才是可行的。OFDM 系 統(tǒng)對(duì)定時(shí)頻偏的要求是小于 OFDM 符號(hào)間隔的 4%，對(duì)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(jì)技術(shù) OFDM 系統(tǒng)中信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題。一個(gè)是導(dǎo)頻信息的選擇問題，由于無(wú)線信道的時(shí)變特性，需要接收機(jī)不斷地對(duì)信道進(jìn)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(jì)算復(fù)雜度又有良好信道跟蹤能力的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)問題，即在確定的導(dǎo)頻發(fā)送方式和信道估計(jì)準(zhǔn)則條件下，尋找最佳的信道估計(jì)器結(jié)構(gòu)。 OFDM 系統(tǒng)中的經(jīng)典信道估計(jì)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(jì)，以及基于離散傅立葉變換（ DFT）的信道估計(jì)算法、基于奇異值分解（ SVD）的信道估計(jì)算法和最大似然信道估計(jì)算法。 （五） OFDM 多址接入技術(shù) 頻分多址（ FDMA）、時(shí)分多址（ TDMA）和碼分多址（ FDMA）是無(wú)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(hào)復(fù)用技術(shù)，與多址技術(shù)相結(jié)合能允許多個(gè)用戶共享有限的無(wú)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(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制， 很自然地可以通過不同子載波集來(lái)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(xì)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(shí)現(xiàn)多址。 OFDMA 系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)地把可用帶寬資源分配給需要的用戶，很容易實(shí)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(wú)多戶間干擾，即無(wú)多址干擾（ MAI）。 b. FHOFDMA 方案 跳頻 OFDMA（ FHOFDMA）通 過不同的跳頻圖案來(lái)區(qū)分用戶。在每個(gè)時(shí)隙中，根據(jù)跳頻圖樣來(lái)選擇每個(gè)用戶所使用的子載波位置，每個(gè)用戶使用不同的調(diào)頻圖樣進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)在于較難根據(jù)信道狀況產(chǎn)生一種簡(jiǎn)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(diǎn)，具有低PAPR 特性，無(wú)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(jìn)行信道編碼、調(diào)制，然后分組進(jìn)行碼片壓縮和重復(fù)并加入循環(huán)前綴，將每個(gè)用戶的信號(hào)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(duì)接收信號(hào)進(jìn)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(hào)，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(jìn)行信道均衡，并用 IEFT 變換回時(shí)域并進(jìn)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(hào)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(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。雖然該系統(tǒng)的 PAPR 特性