【文章內(nèi)容簡介】 4QAM調(diào)制后的星座圖本程序中還得到了（）中我們可以看到接收信號(hào)由于信道的影響已經(jīng)發(fā)生了畸變，接收端OFDM信號(hào)的頻譜波形，是與其發(fā)端的信號(hào)的排布有關(guān)的。再發(fā)端的載波安排上，128個(gè)載波有前后各32個(gè)載波是null載波（如果這前后各32個(gè)載波是帶外頻段，那么理論上他們應(yīng)該是零），中間的64個(gè)載波是數(shù)據(jù)載波。這明顯就是一個(gè)兩邊低，中間高的頻譜形式。所以，收端也應(yīng)該是這個(gè)輪廓。 發(fā)端的OFDM信號(hào)頻譜圖 OFDM 技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 近年來，OFDM 系統(tǒng)已經(jīng)越來越得到人們的廣泛關(guān)注，其原因在于 OFDM系統(tǒng)有如下的優(yōu)點(diǎn)：1. OFDM 系統(tǒng)把高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長度相對(duì)增加，從而可以有效地減小無線信道的時(shí)間彌散所帶來的 ISI，這樣就減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，有時(shí)甚至可以不采用均衡器，僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法消除 ISI 的不利影響。2. OFDM 系統(tǒng)由于各個(gè)子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因與常規(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頻譜資源。3. 各個(gè)子信道中的這種正交調(diào)制和解調(diào)可以用 IDFT 和 DFT 方法來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于 N 很大的系統(tǒng)中，我們可以通過采用快速傅立葉變換 (FFT)來實(shí)現(xiàn)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與 DSP 技術(shù)的發(fā)展，IFFT 和 FFT 都是非常容易實(shí)現(xiàn)的。4. 無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對(duì)稱性，即下行鏈路中的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，如 Internet 業(yè)務(wù)中的網(wǎng)頁瀏覽、FTP(File TransferProtocol)下載等，另一方面，移動(dòng)終端功率一般小于1W，在大蜂窩環(huán)境下傳輸速率低于10100kbits/s。而基站發(fā)送功率可以較大，有可能提供 1Mbit/s 以上的傳輸速率。因此無論從用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的使用需求，還是從移動(dòng)通信系統(tǒng)自身的要求考慮，都希望物理層支持非對(duì)稱高速數(shù)據(jù)傳輸，而 OFDM 系統(tǒng)可以很容易地通過使用不同數(shù)量的子信道來實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。5. 由于無線信道存在頻率選擇性，不可能所有的子載波都同時(shí)處于比較深的衰落情況中，因此可以通過動(dòng)態(tài)比特分配以及動(dòng)態(tài)信道分配的方法，充分利用信噪比較高的子信道，從而提高系統(tǒng)的性能。 但是 OFDM 系統(tǒng)內(nèi)由于存在多個(gè)正交子載波，而且其輸出信號(hào)是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在以下主要缺點(diǎn)：1. 易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對(duì)它們的正交性提出了嚴(yán)格的要求。然而由于無線信道存在時(shí)變性，在傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)無線信號(hào)的頻率偏移，例如多普勒頻移，或者由于發(fā)射機(jī)載波頻率與接收機(jī)振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)使得 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，從而導(dǎo)致子信道的信號(hào)相互干擾(ICI)，對(duì)頻率偏差敏感是 OFDM 系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。2. 存在較高的峰值平均功率比。與單載波系統(tǒng)相比，由于多載波調(diào)制系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此如果當(dāng)多個(gè)信號(hào)的相位一致時(shí)，所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比(PAR)。這樣就對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求，如果放大器的動(dòng)態(tài)范圍不能滿足信號(hào)的變化，則會(huì)為信號(hào)帶來畸變，使疊加信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個(gè)子信道信號(hào)之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生相互干擾，使系統(tǒng)性能惡化。3. OFDM 所采用的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)以及加載算法會(huì)增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度，并且當(dāng)終端移動(dòng)時(shí)速高于 30km 時(shí)，信道變化加快，刷新頻率增加，用于跳頻的比特開銷也相應(yīng)增加，因此，自適應(yīng)調(diào)制會(huì)變得比較不適合，同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)效率。 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)OFDM 系統(tǒng)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有：1. 時(shí)頻同步技術(shù) 在單載波系統(tǒng)中，載波頻率的偏移只會(huì)對(duì)接收信號(hào)造成一定的衰減和相位旋轉(zhuǎn)，這可以通過均衡等方法來加以克服。而對(duì)于多載波系統(tǒng)來說，載波頻率偏移會(huì)導(dǎo)致子信道之間生干擾，而且對(duì)于要求子載波保持嚴(yán)格同步的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)來說，準(zhǔn)確的同步顯得更加重要。OFDM 系統(tǒng)中的同步一般分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。 對(duì)于連續(xù)模式的數(shù)據(jù)傳輸，一般利用循環(huán)前綴和導(dǎo)頻實(shí)現(xiàn)同步。而對(duì)于突發(fā)模式的數(shù)據(jù)傳輸，一般是通過發(fā)送訓(xùn)練序列來實(shí)現(xiàn)同步的。由于發(fā)送端和接收端之間的采樣時(shí)鐘有偏差，每個(gè)信號(hào)樣本也都有一定程度的偏離它真實(shí)的采樣時(shí)間，隨偏差樣本的數(shù)量的增加而線性增大，盡管時(shí)間偏差破壞子載波之間的正交性，但通常情況下可以忽略不計(jì)。當(dāng)采樣錯(cuò)誤可以校正時(shí)，就可以用內(nèi)插濾波器來控制準(zhǔn)確的時(shí)間進(jìn)行采樣。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。多普勒展寬會(huì)導(dǎo)致載波頻率發(fā)生彌散，使信號(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)來說，載波的頻率偏移所帶來的影響會(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)的性能很難得到保證。2. 降低峰值平均功率比由于 OFDM 信號(hào)是由一系列的子信道信號(hào)重疊起來的，所以很容易造成較大的 PAR(PeaktoAverage Power)。大的 OFDM 的 PAR 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。但是由于出現(xiàn)大的 PAR 的概率并不大，可以把具有大的 PAR 值的 OFDM 信號(hào)去掉。但是把大的 PAR 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：(a) 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)使峰值振幅簡單地線性去除。(b) 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。(c) 擾碼技術(shù)。采用擾碼技術(shù)可以使生成的 OFDM 的互相關(guān)性盡量為 0，從而使 OFDM 的 PAPR 減小。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(Partial Transmit Sequence)和 SLM(Selective mapping)。3. 信道估計(jì)接收端使用差分檢測是不需要信道估計(jì)，但仍需要一些導(dǎo)頻信號(hào)提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和導(dǎo)頻的數(shù)量，但卻降低了信噪比。尤其是在 OFDM 系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)頻偏比較敏感，所以一般使用相干檢測。在系統(tǒng)采用相干檢測時(shí)，信道估計(jì)是必需的。此時(shí)可以使用訓(xùn)練序列和導(dǎo)頻作為輔助信息，訓(xùn)練序列通常用在非時(shí)變信道中，而在時(shí)變信道中一般使用導(dǎo)頻信號(hào)。在 OFDM 系統(tǒng)中，導(dǎo)頻信號(hào)是時(shí)頻二維的。為了提高估計(jì)的精度，可以插入連續(xù)導(dǎo)頻和分散導(dǎo)頻，導(dǎo)頻的數(shù)量是估計(jì)精度和系統(tǒng)復(fù)雜度的折衷。導(dǎo)頻信號(hào)之間的間隔取決于信道的相干時(shí)間和相干帶寬，在時(shí)域上，導(dǎo)頻的間隔應(yīng)小于相干時(shí)間；在頻域上導(dǎo)頻的間隔應(yīng)小于相干帶寬。實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)頻模式的設(shè)計(jì)要根據(jù)具體情況而定。在 OFDM 系統(tǒng)中，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇，由于無線信道一般是衰落信道，需要不斷對(duì)信道進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷地發(fā)送；二是復(fù)雜度較低和導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)。在實(shí)際中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)又是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。4. 信道編碼與交織采用信道編碼和交織是提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能的常用方法。對(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可采用信道編碼；對(duì)于突發(fā)錯(cuò)誤，可采用交織技術(shù)。通常同時(shí)采用這兩種技術(shù)，以步改善整個(gè)系統(tǒng)性能。在 OFDM 系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)特征為在子載波間進(jìn)行編碼創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，形成 COFDM(Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing)方式。編碼方式可以是分組碼、卷積碼等多種，其中卷積碼的效果要比分組碼好。5. 自適應(yīng)技術(shù)自適應(yīng)技術(shù)是根據(jù)信道的變化自適應(yīng)地改變調(diào)制方式（星座點(diǎn)數(shù)）、編碼率、發(fā)送功率等參數(shù)，以便最大限度的發(fā)送信息。從而有效提高頻譜效率。簡單的說自適應(yīng)調(diào)制就是根據(jù)信道狀況調(diào)整各個(gè)子載波的調(diào)制方式，當(dāng)信道條件好時(shí)，采用高階的調(diào)制方式，當(dāng)信道條件差時(shí)，采用低階的調(diào)制方式。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程為，首先需要對(duì)時(shí)變的信道質(zhì)量進(jìn)行估計(jì)，得到信道狀態(tài)信息(CSI, Channel State Information)，信道狀態(tài)信息的信道參數(shù)主要包括信噪比、均方誤差、誤比特率、誤幀率等。然后系統(tǒng)使用參數(shù)的信令傳輸方式(開環(huán)、閉環(huán)、盲檢測)中的一種，則系統(tǒng)就可以改變參數(shù)分配的子載波、調(diào)制方式和發(fā)送功率，使系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳。目前比較成熟的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)有 Hughes 算法、Chow 算法、Fischer 算法，以及聯(lián)合比特、調(diào)制和功率三者的算法[32][33]。 在上述關(guān)鍵技術(shù)中，其中 OFDM 系統(tǒng)中的同步問題是關(guān)鍵問題又是技術(shù)難點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的前提條件。因此，本論文就針對(duì)系統(tǒng)中的同步問題開展研究和探索。針對(duì)存在的同步算法進(jìn)行分析和深入研究。 本章小結(jié)本章介紹了 OFDM 系統(tǒng)原理和關(guān)鍵技術(shù)，并且建立了OFDM的仿真模型其中同步技術(shù)對(duì) OFDM 系統(tǒng)是十分關(guān)鍵的，同步性能的好壞直接影響到接收的性能，一旦同步性能不好，OFDM的整體性能將會(huì)嚴(yán)重下降。下一章將針對(duì) OFDM 的同步技術(shù)問題加以研究。 OFDM 系統(tǒng)的同步技術(shù)分析本章在上一章研究系統(tǒng)模型和系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，針對(duì) OFDM 系統(tǒng)中存在的同步問題進(jìn)行研究。 OFDM 系統(tǒng)中的同步原理同步技術(shù)是任何一個(gè)通信系統(tǒng)都要解決的實(shí)際問題，其性能好壞直接關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。準(zhǔn)確的同步性能是信息可靠傳輸?shù)那疤幔?一般的通信系統(tǒng)都具有載波同步。 而對(duì)于數(shù)字通信，除了載波同步的問題外，還有符號(hào)同步的問題。對(duì)于 OFDM 系統(tǒng)，也不可避免地存在載波同步和符號(hào)同步的實(shí)現(xiàn)問題[34]。但是由于每個(gè) OFDM 符號(hào)是由經(jīng)串并轉(zhuǎn)換的 N 個(gè)樣值符號(hào)組成的，所以在OFDM 系統(tǒng)中，除了上述數(shù)字通信系統(tǒng)中的載波同步和符號(hào)同步，還應(yīng)包括樣值同步，OFDM 系統(tǒng)中的樣值同步包括樣值定時(shí)同步和樣值頻率同步。在此系統(tǒng)中，符號(hào)同步的目的是使接收端確定每個(gè) OFDM 符號(hào)的起止時(shí)刻，以確定準(zhǔn)確的 FFT 開窗位置，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)塊同步或幀同步；樣值定時(shí)同步是為了使接收端確定每個(gè)樣值符號(hào)的起止時(shí)刻；樣值頻率同步則是使接收端與發(fā)送端具有相同的采樣頻率而設(shè)計(jì)的。在發(fā)送端，串行發(fā)送的數(shù)據(jù)流首先經(jīng)過串并變換成并行的數(shù)據(jù)流，進(jìn)行逆傅立葉變換，在經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后得到數(shù)據(jù)流，插入循環(huán)前綴得到，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換得到模擬信號(hào)，調(diào)制到載波上后送到信道中傳輸。接收端的處理過程與發(fā)送端的處理過程剛好相反。圖 中的發(fā)送端各點(diǎn)的信號(hào)可表示為 () () () OFDM系統(tǒng)中的同步結(jié)構(gòu)圖 其中， L 為所加循環(huán)前綴的樣值符號(hào)數(shù)，一般應(yīng)不小于信道多徑時(shí)延擴(kuò)散的符號(hào)數(shù)；p(t)為發(fā)送端的脈沖成型波形；為發(fā)送信號(hào)的抽樣間隔（樣值頻率的倒數(shù)),為OFDM 符號(hào)的持續(xù)時(shí)間。為了便于研究，可假設(shè)滿足理想抽樣定理，且若不考慮循環(huán)前綴的影響，則有近似表達(dá)式: () 在接收端，相干解調(diào)需要有與發(fā)送端載波頻率和相位都相同的載波，所以首先要進(jìn)行載波同步；其次，在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，又需要與發(fā)送端相同的起始時(shí)刻和采樣時(shí)鐘，即確定樣值定時(shí)同步和樣值頻率同步；最后，由于樣值是連續(xù)到達(dá)的，所以還必須確定 OFDM 符號(hào)是什么地方開始的，又是從什么地方結(jié)束的，即符號(hào)定時(shí)同步問題。所以接收端需要對(duì)載波頻率、載波相位、抽樣間隔（抽樣頻率的倒數(shù)）、樣值定時(shí)偏差和符號(hào)定時(shí)偏差分別進(jìn)行估計(jì)。假設(shè)載波頻率、載波相位、抽樣間隔的估計(jì)值分別為、和217。，其中為載波頻率偏差，為載波相位偏差，為抽樣間隔偏差。為了研究方便，不妨以 AWGN(Additive White Gaussion Noise)信道為例來進(jìn)行討論（衰落信道可通過類似方法進(jìn)行分析），假設(shè)為均值為 0，每維方差為的獨(dú)立高斯白噪聲。1. 首先，假設(shè)樣值定時(shí)和符號(hào)定時(shí)都已校準(zhǔn)，即，考慮存在頻率偏差和抽樣間隔偏差（抽樣頻率偏差）時(shí)的情況。則接收端各點(diǎn)的信號(hào)可表示為： （）采樣后得到數(shù)據(jù)流 () 其中 對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行傅立葉變換，并將的表達(dá)式帶入上式進(jìn)行化簡，容易得到 () 其中都是由于噪聲所引起的干擾。顯然，噪聲只是使相位發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，而平均功率并未發(fā)生變化。 2. 在上面所介紹情況的基礎(chǔ)上，再來考慮存在定時(shí)偏差時(shí)的情況，樣值定時(shí)偏差和符號(hào)定時(shí)偏差都存在的情況，如圖 所示。當(dāng)存在樣值定時(shí)偏差，就相當(dāng)于對(duì)接收信號(hào)在時(shí)刻進(jìn)行采樣，得到： （） 最佳定時(shí)時(shí)刻與以及定時(shí)偏差圖對(duì)進(jìn)行傅立葉變換，并將的表達(dá)式帶入式（）進(jìn)行化簡，可得到： = ()