【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。為了提高頻譜利用率，應(yīng)該使用與信噪比相匹配的調(diào)制方式?？煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)正常運(yùn)行的基本考核指標(biāo)，所以很多通信系統(tǒng)都傾向于選擇BPSK或QPSK調(diào)制，以確保在信道最壞條件下的信噪比要求，但是這兩種調(diào)制方式的頻譜效率很低。OFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來(lái)選擇不同的調(diào)制方式。比如在終端靠近基站時(shí)，信道條件一般會(huì)比較好，調(diào)制方式就可以由BPSK（頻譜效率1bit/s/Hz）轉(zhuǎn)化成16QAM－64QAM（頻譜效率4～6bit/s/Hz），整個(gè)系統(tǒng)的頻譜利用率就會(huì)得到大幅度的提高。自適應(yīng)調(diào)制能夠擴(kuò)大系統(tǒng)容量，但它要求信號(hào)必須包含一定的開(kāi)銷比特，以告知接收端發(fā)射信號(hào)所應(yīng)采用的調(diào)制方式。終端還要定期更新調(diào)制信息，這也會(huì)增加更多的開(kāi)銷比特。OFDM還采用了功率控制和自適應(yīng)調(diào)制相協(xié)調(diào)工作方式。信道好的時(shí)候，發(fā)射功率不變，可以增強(qiáng)調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制方式（如QPSK）時(shí)降低發(fā)射功率。功率控制與自適應(yīng)調(diào)制要取得平衡。也就是說(shuō)對(duì)于一個(gè)發(fā)射臺(tái)，如果它有良好的信道，在發(fā)送功率保持不變的情況下，可使用較高的調(diào)制方案如64QAM；如果功率減小，調(diào)制方案也就可以相應(yīng)降低，使用QPSK方式等。自適應(yīng)調(diào)制要求系統(tǒng)必須對(duì)信道的性能有及時(shí)和精確的了解，如果在差的信道上使用較強(qiáng)的調(diào)制方式，那么就會(huì)產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統(tǒng)的可用性。OFDM系統(tǒng)可以用導(dǎo)頻信號(hào)或參考碼字來(lái)測(cè)試信道的好壞。發(fā)送一個(gè)已知數(shù)據(jù)的碼字，測(cè)出每條信道的信噪比，根據(jù)這個(gè)信噪比來(lái)確定最適合的調(diào)制方式。 無(wú)線多徑信道的特性在無(wú)線信道中，同一個(gè)傳輸信號(hào)沿兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)，這就是多徑波，無(wú)線信道的多徑性導(dǎo)致小尺度衰落效應(yīng)的產(chǎn)生。它主要體現(xiàn)在經(jīng)過(guò)短距或短時(shí)傳播后信號(hào)強(qiáng)度的急速變化。在不同的多徑信號(hào)上，存在著時(shí)變的多普勒頻移(Doppler Shifts)引起的隨機(jī)頻率調(diào)制:多徑傳播時(shí)延引起的擴(kuò)展(回音)。由于信號(hào)的多徑性而產(chǎn)生的干擾我們稱它為多徑衰落或者多徑效應(yīng)。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，人們需要的移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸速率變得越來(lái)越高，為了有效的對(duì)抗無(wú)線通信中的多徑衰落，人們提出了OFDM(正交頻分復(fù)用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)調(diào)制。在早期的OFDM系統(tǒng)中，發(fā)信機(jī)和相關(guān)接收機(jī)所需的副載波陣列是由正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的，系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。1971年Weinstein和Ebert提出了使用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)中的全部調(diào)制和解調(diào)功能的建議，簡(jiǎn)化了振蕩器陣列以及相關(guān)接收機(jī)中本地載波之間嚴(yán)格同步的問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)OFDM的全數(shù)字化方案作了理論上的準(zhǔn)備。80年代后，OFDM技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到了各國(guó)學(xué)者的廣泛研究，現(xiàn)在OFDM己經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了實(shí)際的應(yīng)用。 無(wú)線多徑信道的建模為了定量的分析無(wú)線多徑信道，研究它的新能。人們需要對(duì)無(wú)線多徑信道進(jìn)行建模。通常人們把無(wú)線多徑信道建模為一個(gè)線性時(shí)變系統(tǒng)。多徑信道的接收信號(hào)由許多被減弱、有時(shí)延、有相移的傳輸信號(hào)組成，其基帶沖激響應(yīng)模型可表示為:= ()其中,分別為在t時(shí)刻第個(gè)多徑分量的實(shí)際幅度和附加時(shí)延。表示第個(gè)多徑分量在自由空間傳播造成的相移，再加上在信道中的附加相移。一般來(lái)說(shuō)，相移僅用一個(gè)變量來(lái)表示，該變量包含了在i個(gè)附加時(shí)延內(nèi)一個(gè)多徑分量所有的相移。注意，因?yàn)榭梢詾?，所以在某些時(shí)刻t和時(shí)延，附加時(shí)延段可能沒(méi)有多徑情況。N是多徑分量可能取值的總數(shù)。δ(.)是單位沖激函數(shù)，它決定在時(shí)刻t與附加時(shí)延:有分量存在的多徑段數(shù)。 無(wú)線多徑信道的參數(shù)為了比較不同多徑信道以及研究無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，采用了量化多徑信道的一些參數(shù)，其中有平均附加時(shí)延，時(shí)延擴(kuò)展。這些參數(shù)可由功率延遲分布得到。平均附加時(shí)延是功率延遲分布的一階矩，定義為: ()時(shí)延擴(kuò)展是功率延遲分布的二階矩的平方根，定義為: ()其中： ()時(shí)延擴(kuò)展是由反射及散射傳播路徑引起的現(xiàn)象，而相干帶寬是從時(shí)延擴(kuò)展得出一個(gè)確定關(guān)系值。相干帶寬是一定范圍內(nèi)的頻率的統(tǒng)計(jì)測(cè)量值，是建立在信道是平坦(即在該信道上，所有譜分量均以幾乎相同的增益及線性相位通過(guò))的基礎(chǔ)上。換句話說(shuō)，相干帶寬就是指在一定的頻率范圍內(nèi)，兩個(gè)頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。頻率間隔大于的兩個(gè)正弦信號(hào)受信道影響大不相同。，則相關(guān)帶寬近似為：≈ （）。則相干帶寬近似為：≈ （） 多徑效應(yīng)產(chǎn)生的衰落多徑效應(yīng)引起的時(shí)間色散，導(dǎo)致發(fā)送的信號(hào)產(chǎn)生平坦衰落或者頻率選擇性衰落。如果移動(dòng)無(wú)線信道帶寬大于發(fā)送信號(hào)的帶寬，且在帶寬范圍內(nèi)有恒定增益及線性相位，則接收信號(hào)就會(huì)經(jīng)歷平坦衰落過(guò)程。經(jīng)歷平坦衰落的條件可概括為:其中是帶寬的倒數(shù)（如信號(hào)周期)，是帶寬，和分別是時(shí)延擴(kuò)展和相干帶寬。信號(hào)在平坦衰落的情況下，信道的多徑結(jié)構(gòu)使發(fā)送信號(hào)的頻譜特性在接收機(jī)內(nèi)能保持不變，然而由于多徑導(dǎo)致信道增益的起伏，使接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間變化。典型的平坦衰落信道會(huì)引起深度衰落。如果信道具有恒定增益和線性相位的帶寬范圍小于發(fā)送信號(hào)帶寬，則該信道特性會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)產(chǎn)生選擇性衰落。在這種情況下，信道沖激響應(yīng)具有多徑時(shí)延擴(kuò)展，其值大于發(fā)送信號(hào)波形帶寬的倒數(shù)。概括的說(shuō)信號(hào)產(chǎn)生頻率選擇性衰落的條件為:頻率選擇性衰落是由信道中發(fā)送信號(hào)的時(shí)間色散引起的，它會(huì)引起符號(hào)間干擾(ISI)，頻率選擇性衰落信道也稱為寬帶信道，通常若, 該信道就可以認(rèn)為是頻率先擇性的。 系統(tǒng)模型 連續(xù)系統(tǒng)模型實(shí)際上，第一個(gè)OFDM系統(tǒng)并非采用數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的。只是隨著集成芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，為了方便計(jì)算芯片處理數(shù)據(jù)，才有了離散系統(tǒng)。因此，本文首先將詳細(xì)介紹連續(xù)系統(tǒng)模型，然后再介紹數(shù)字化的OFDM系統(tǒng)。本文將按信號(hào)的流向，一步步介紹系統(tǒng)模型的原理.l 發(fā)送端假設(shè)系統(tǒng)有N個(gè)子信道。帶寬 W Hz。一個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度為T(mén)秒，其中秒為循環(huán)前綴的長(zhǎng)度。符號(hào)采用矩形脈沖成型。表達(dá)式如下: （） 式中:。當(dāng)t在循環(huán)前綴[0，]內(nèi)時(shí)。有了上面的假設(shè)，就可以得到第個(gè)OFDM符號(hào)的基帶信號(hào)是: ()其中, , … ，是一組復(fù)信號(hào)，這一組復(fù)信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)QAM (Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調(diào)制)星座圖映射而來(lái)，這在后面會(huì)詳細(xì)分析。連續(xù)的OFDM信號(hào)就組成發(fā)送端的輸出信號(hào)，所以輸出信號(hào)的表達(dá)式如下: （）l 物理信道信道是信息傳輸系統(tǒng)中必不可少的組成部分。當(dāng)信號(hào)通過(guò)時(shí)，必然受到其內(nèi)外的干擾和噪聲的影響，因此，需要對(duì)信道進(jìn)行建模。本文假設(shè)信道為AWGN (Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪聲)信道。信道的脈沖響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)度只在 [0，]范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，信道的脈沖響應(yīng)時(shí)間比循環(huán)前綴的時(shí)間短。接收到的信號(hào)可表達(dá)為: ()其中為加性、白色、復(fù)高斯信道噪聲。l 接收端接受端首先要去掉循環(huán)前綴。這是通過(guò)一個(gè)與發(fā)送信號(hào)的后半部分[，T] 匹配的濾波器實(shí)現(xiàn)的。濾波器的輸出信號(hào)為: ()去掉循環(huán)前綴的同時(shí)，也就去掉了前面符號(hào)對(duì)當(dāng)前符號(hào)的碼間干擾(ISI)。因此在這里，可以先只考慮單個(gè)(第K個(gè))濾波器的情況。也就是先不考慮下標(biāo)？因?yàn)樾诺赖难訒r(shí)短于循環(huán)前綴的長(zhǎng)度，循環(huán)前綴包含了所有的前面的符號(hào)造成的ISI干擾。這樣，濾波器的輸出就是沒(méi)有干擾的符號(hào)。, , ： () 假設(shè)信道在兩個(gè)OFDM符號(hào)間隔持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變，因此，可以簡(jiǎn)化為，（）可變換為: ()其中；。所以。括號(hào)內(nèi)的積分可進(jìn)一步改寫(xiě)為:()由上式可以看出，積分部分就是信道在頻率這一點(diǎn)的抽樣頻率響應(yīng)。這個(gè)頻率也就是第個(gè)子信道的頻率。令 ()其中是的傅里葉變換。由上面的分析可知，接收端濾波器的輸出可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為: ()其中，根據(jù)函數(shù)的正交性可得： （）: （）式中是加性高斯白噪聲(AWGN)。循環(huán)前綴的作用體現(xiàn)在了兩方面:它可以同時(shí)避免ISI(其保護(hù)間隔的作用) 和ICI(起保持子信道間正交性的作用)。這時(shí)在引人下標(biāo)。不過(guò)有一點(diǎn)需要考慮的是:當(dāng)接收到的有用信號(hào)()保持不變時(shí)，發(fā)送所消耗的能量隨著循環(huán)前綴長(zhǎng)度的增加而增加。單個(gè)子信道每個(gè)OFDM符號(hào)所消耗的能量是:。接受端由于截去了循環(huán)前綴部分，所以必然造成信噪比損失SNR Loss。其表達(dá)式如下 （）其中，表示循環(huán)前綴的相對(duì)長(zhǎng)度。循環(huán)前綴越長(zhǎng)，SNR loss越大。通常，循環(huán)前綴相對(duì)長(zhǎng)度比較小，主要是ICI，ISI產(chǎn)生的SNR loss.(小于1dB當(dāng))。該系統(tǒng)的頻域分析如下。，N個(gè)子信道獨(dú)立的頻譜疊放在一個(gè)圖中的效果圖.發(fā)送端的矩形窗對(duì)發(fā)送的脈沖的作用導(dǎo)致了每個(gè)子信道形狀如抽樣函數(shù)的頻率響應(yīng)。因此，OFDM系統(tǒng)的功率譜以衰減。在某些情況下，這樣的衰減速度是不夠的。所以人們提出了另外的一些譜成型的方法。在文獻(xiàn)[9]中，提出了一種采用升余弦脈沖成型的方法。升余弦窗的示意圖如圖（）所示。使用升余弦脈沖時(shí)，滾降區(qū)域可以起到保護(hù)間隔的作用。平坦的區(qū)域用于傳輸包括循環(huán)前綴在內(nèi)的QFDM符號(hào)。ICI與ISI同樣可以避免。更重要的是升余弦脈沖的旁瓣衰減速度快。:從圖上可以看出，升余弦的滾降保護(hù)間隔帶來(lái)了很好效果，頻譜的旁瓣衰減的很快。 離散系統(tǒng)模型作為一種無(wú)需均衡、能有效對(duì)抗突發(fā)噪聲以及能充分利用