【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 TnytXe??????西南大學(xué)本科畢業(yè)論文5）若 1 個(gè) T 內(nèi) 以采樣頻率 被采樣，則可得 N 個(gè)采樣點(diǎn)。()yt1/(/=)sfttTN??其 中設(shè) ，則,//tkntkN?? （式12/0()(),01,2NjnkNnykXe????????） 式 正是序列 的 N 點(diǎn) IDFT 的結(jié)果，這表明 OFDM 基??(),1,X?帶調(diào)制過程可利用 IDFT 運(yùn)算可完成。相應(yīng)地在接收端，對(duì) 進(jìn)行 DFT 運(yùn)算，即可()yk恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)符號(hào) ，得：()n （式12/0(),01,2NjnkNkXye?????????）綜上所述， IDFT 和 DFT 可以分別完成 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)功能。在實(shí)際運(yùn)用中，為了降低算法的復(fù)雜度，我們可以采用 IFFT/FFT（快速傅里葉反變換/ 快速傅里葉變換） 。 系統(tǒng)組成圖 為 OFDM 通信系統(tǒng)的原理框圖。在發(fā)送端，先將被傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成子載波幅度和相位的映射，再進(jìn)行 IFFT 將數(shù)據(jù)由頻域變換到時(shí)域上；在接收端，實(shí)際上是進(jìn)行與發(fā)送端相反的操作，利用 FFT 進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，同時(shí)將采集出來的子載波的幅度和相位被轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號(hào)。西南大學(xué)本科畢業(yè)論文6 O F D M R e c e i v e r C h a n n e l M o d e l O F D M T r a n s m i t t e r R a n d o mD a t aG e n e r a t o rA W G NG u a r dI n t e r v a lR e m o v a lS e r i a l t o P a r a l l e lC o n v e r t e rF F TP a r a l l e l t o S e r i a lC o n v e r t e rD i d i t a lD e m o d u l a t i o nD e c o d eS e r i a lD a t aO u t p u t. . . . . .S e r i a l t o P a r a l l e lC o n v e r t e rC o d eD i d i t a lM o d u l a t i o nI F F TP a r a l l e l t o S e r i a lC o n v e r t e rG u a r dI n t e r v a lI n s e r t i o n. . .. . .圖 OFDM 通信系統(tǒng)的原理框圖 Fig The principle block diagram of OFDM munication system 串并轉(zhuǎn)換在 OFDM 通信系統(tǒng)中，每個(gè)傳輸符號(hào)速率的大小大約在 40bit 4000bit(典型值)之:間，串并轉(zhuǎn)換的作用是將輸入串行比特流轉(zhuǎn)換成可以在 OFDM 系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)。因?yàn)檎{(diào)制模式可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)，所以每個(gè)子載波的調(diào)制模式是可以變化的，因而每個(gè)子載波可傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)也是可以變化的，故串并變換需要分配給每個(gè)子載波數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度也是不一樣的。接收端執(zhí)行與發(fā)送端相反的過程，即將從子載波處傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。 信道編碼在 OFDM 通信系統(tǒng)中，信道編碼（通常還伴有交織）是為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的性能而普遍采用的方法。當(dāng)在信道衰落不太嚴(yán)重的情況下，由于 OFDM 系統(tǒng)自身具有利用信道分集特性的能力， OFDM 這種調(diào)制方式本身已經(jīng)利用了一般的信道特性信息，因此均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的。然而，我們可以在子載波間進(jìn)行編碼，因?yàn)?OFDM 系統(tǒng)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，這樣便可形成 COFDM，即前置編碼OFDM 方式。信道編碼可以采用的碼型較多，常用的有分組碼、卷積碼。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)：分組碼的編解碼實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，但是卷積碼的效果卻比分組碼好。 西南大學(xué)本科畢業(yè)論文7 子載波調(diào)制子載波的數(shù)字調(diào)制在傳輸信號(hào)進(jìn)行信道編碼后進(jìn)行，通常采用 MPSK 或 QAM 方式對(duì)編碼后的子載波進(jìn)行，形成載波幅度和相位的映射。根據(jù)子信道的干擾情況，各子載波可以采用不同的進(jìn)制數(shù)甚至調(diào)制方式，這使得 OFDM 支持的傳輸速率的變化范圍比較大。 保護(hù)間隔為了減小 OFDM 信號(hào)碼元間由于信道的時(shí)間離散型所引起的碼間干擾（Intersymbol Interference），可以引入保護(hù)時(shí)間間隔（Guard Time Interval）,見圖 。保護(hù)時(shí)間間隔是循環(huán)復(fù)制，即 OFDM 符號(hào)最前面的信息由每個(gè) OFDM 符號(hào)最后的 時(shí)間gT內(nèi)的樣點(diǎn)復(fù)制而來，一般將這一部分稱為循環(huán)前綴（cyclic prefix）。 保護(hù) 間隔 保護(hù) 間隔 I F F T復(fù)制T g T F F TT s符號(hào) N符號(hào) N 1 符號(hào) N + 1圖 OFDM 符號(hào)在帶有保護(hù)間隔下的示意圖Fig The figure of OFDM character with Guard Time Interval OFDM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng)OFDM 技術(shù)的抗干擾能力可以分為兩部分：一是可以大大減少 ISI，因?yàn)?OFDM的主要思想是把高速數(shù)據(jù)流通過串并傳換分解為低速的多路子數(shù)據(jù)流，這樣由于信道的最大時(shí)延拓展遠(yuǎn)小于調(diào)制符號(hào)的持續(xù)時(shí)間而使系統(tǒng)對(duì)信道時(shí)延拓展的敏感程度大大降低；二是可以很好地克服多徑效應(yīng)帶來的 ICI，這是通過添加循環(huán)前綴來實(shí)現(xiàn)的。 頻譜利用率高OFDM 技術(shù)所具有的一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)在于它允許相互正交的子載波頻譜重疊，因此頻譜資源可以得到最大限度地利用。為了對(duì)比 FDM 調(diào)制技術(shù)與 OFDM 調(diào)制技術(shù)頻譜利用率，給出了如圖 所示的 FDM 與 OFDM 調(diào)制技術(shù)頻譜對(duì)比圖。西南大學(xué)本科畢業(yè)論文8圖 FDM 與 OFDM 調(diào)制技術(shù)頻譜對(duì)比圖：（a）FDM 調(diào)制技術(shù)（b）OFDM 調(diào)制技術(shù)Fig The parative figure of the spectrum of FDM and OFDM modulation technology: (a)FDM modulation technology (b) OFDM modulation technology 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單相對(duì)于單載波通信系統(tǒng)而言，OFDM 系統(tǒng)自身所具有的優(yōu)良的抗多徑干擾能力和直觀的信道估計(jì)方法使其無需設(shè)計(jì)復(fù)雜的均衡器。此外，IFFT/FFT 隨著大規(guī)模集成電路和 DSP 技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)起來也非常簡(jiǎn)單，這樣 OFDM 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的復(fù)雜性也大大降低。 OFDM 技術(shù)的缺點(diǎn) PAPR（峰均功率比）值較高在時(shí)域上，OFDM 信號(hào)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的峰值，這時(shí)因?yàn)?OFDM 信號(hào)是有多路子載波疊加而成，例如有 N 路子載波，那么當(dāng)這 N 個(gè)信號(hào)恰好均處于峰值且相加時(shí)，此時(shí) OFDM 信號(hào)的峰值最大即為平均功率的 N 倍。因此，為了能夠傳輸這些 PAPR (PeaktoAverage Power Ratio,峰均功率比 )值較大的 OFDM 信號(hào)，發(fā)送端的高功率放大器（HPA ）這時(shí)就要求具有較高的線性度，同時(shí)放大器的發(fā)送效率很低。在接收端，系統(tǒng)對(duì)前端發(fā)送器以及 A/D 轉(zhuǎn)換器的線性度都要有很高的要求。所以，OFDM 系統(tǒng)的性能就會(huì)受到極大的影響，甚至實(shí)際應(yīng)用也會(huì)受到影響。 對(duì)載波相位噪聲和頻率偏移敏感相位噪聲和頻率偏移是 OFDM 系統(tǒng)的兩個(gè)主要缺點(diǎn)，它們都會(huì)導(dǎo)致子信道干擾，影響系統(tǒng)性能：（1）相互覆蓋的子信道頻譜要求它們之間必須具有嚴(yán)格的正交性，然而在傳輸過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在頻率偏差或信號(hào)頻譜偏移，這些都會(huì)破壞 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性，導(dǎo)致子信道間干擾西南大學(xué)本科畢業(yè)論文9（ICI， InterChannel Interference） ；（2）相位噪聲在一定程度上導(dǎo)致頻率擴(kuò)散，ICI 便隨之產(chǎn)生。 OFDM 的關(guān)鍵技術(shù)如前所示，OFDM 系統(tǒng)有很多缺點(diǎn)，為了充分利用 OFDM 的優(yōu)勢(shì)，提高基于OFDM 的系統(tǒng)性能，需要解決制約其發(fā)展的一些關(guān)鍵難點(diǎn)，主要包括： 時(shí)域和頻域同步定時(shí)和頻偏對(duì) OFDM 系統(tǒng)具有非常顯著的影響，尤其是當(dāng) OFDM 技術(shù)與其他多址技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，頻率和時(shí)域同步更加不可忽略。與一般的數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，同步可分為兩個(gè)階段：捕獲和跟蹤。下行鏈路同步實(shí)現(xiàn)的方法較為簡(jiǎn)單，我們可以通過向各個(gè)終端廣播式發(fā)送同步信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。然而在上行鏈路中，為了保證子載波之間的正交性，必須使各個(gè)終端發(fā)來的信號(hào)同步到達(dá)基站。這時(shí)基站可以從發(fā)來的子載波信息中提取頻域和時(shí)域的同步信息，再發(fā)送到各個(gè)終端，便達(dá)到了終端同步進(jìn)行的目的。 信道估計(jì)OFDM 系統(tǒng)中，需要設(shè)計(jì)信道估計(jì)器。它的設(shè)計(jì)主要面臨兩方面的問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇問題。因?yàn)闊o線信道的衰落特性使得系統(tǒng)需要不斷跟蹤信道特性，所以不斷地傳輸導(dǎo)頻信息；二是信道估計(jì)器最好具有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力以及較低的復(fù)雜度。 降低峰均功率比降低 OFDM 信號(hào)的 PAPR 值，對(duì) OFDM 通信系統(tǒng)的性能改善具有相當(dāng)重要的意義，許多通信領(lǐng)域的學(xué)者先后提出了許多方法。到目前為止，可以將主流的降 PAPR 值技術(shù)分為以下三類：（1）信號(hào)畸變技術(shù)；（2）概率類技術(shù)；（3）信號(hào)編碼技術(shù)。三、OFDM 系統(tǒng)的 PAPR 抑制算法設(shè)計(jì) OFDM 信號(hào)的 PAPR 概述OFDM 系統(tǒng)主要缺點(diǎn)之一是具有較大的峰均比（PAPR） ，定義為： （式max210lg()nPARdBE?）式中： 表示快速傅里葉逆變換 IFFT 之后得到的輸出信號(hào)。OFDM 系統(tǒng)中，對(duì)nx西南大學(xué)本科畢業(yè)論文10N 個(gè)相位相同的子信號(hào)進(jìn)行求和，則求和后的信號(hào)的峰均功率等于平均功率的 N 倍，根據(jù)定義此時(shí)基帶信號(hào)的峰均比應(yīng)為 。例如令 N=16，可以觀察到 OFDM 系統(tǒng)10lgN中存在較大 PAPR 值時(shí)的現(xiàn)象，如圖 所示，此時(shí)平均功率是峰值功率的 。16圖 OFDM 信號(hào)存在 PAPR=16 的情況Fig The situation of OFDM signal when PAPR=16 降低峰均功率比（PAPR）常用的方法如前所述,文章將就降低 OFDM 信號(hào) PAPR 的三類常用方法：信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)、編碼類技術(shù)和概率類技術(shù)做簡(jiǎn)要介紹。這三種算法均有優(yōu)缺點(diǎn)，而且它們的著眼點(diǎn)不同。 信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)限幅和壓縮擴(kuò)張變換是信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)常采用的兩種方法。（1）限幅限幅是目前為止所有方法中最簡(jiǎn)單的一種，屬于非線性方程，它的主要原理是直接對(duì) OFDM 信號(hào)幅度峰值或附近的部分進(jìn)行非線性操作以達(dá)到降低信號(hào) PAPR 值的目西南大學(xué)本科畢業(yè)論文11的。非線性是因?yàn)橄薹喈?dāng)于對(duì)原始信號(hào)加窗處理。限幅技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是它實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且適用性很強(qiáng)，缺點(diǎn)是它的非線性，這種非線性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的畸變，因此這種方法造成的干擾會(huì)使 BER 性能下降。另外，限幅還會(huì)導(dǎo)致頻譜泄露（帶外頻譜的輻射） ，這種輻射可以利用改變窗函數(shù)類型（例如漢明窗、凱塞窗等）進(jìn)行改善，但實(shí)際上效果并不明顯。（2）壓縮擴(kuò)張變換 壓縮擴(kuò)張變換是將輸出信號(hào) 轉(zhuǎn)換為輸入信號(hào) 的非線性函數(shù)，是一種基于 律非yxu均勻量化的變換函數(shù)。它的主要原理是將幅值較小的信號(hào)功率放大，同時(shí)幅值較大的信號(hào)功率保持不變。這樣做的目的是可以降低 PAPR，但以整個(gè)系統(tǒng)平均功率增大為代價(jià)的。這種信號(hào)畸變方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，子載波數(shù)的增加也不會(huì)導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度增加；缺點(diǎn)是信號(hào)失真以及要求系統(tǒng)具有很高的平均發(fā)射功率。 編碼類技術(shù)編碼類技術(shù)是選擇用不同編碼技術(shù)所產(chǎn)生的碼組中 PAPR 最小的作為 OFDM 的碼組進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。這種技術(shù)為線性變換，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真。但是計(jì)算和編碼卻相當(dāng)復(fù)雜，而且信息傳輸速率衰減很快。所以這只適合子載波數(shù)少的情況。編碼類技術(shù)的方法有：分組編碼法、雷德密勒、格雷補(bǔ)碼序列等。編碼類技術(shù)之所以能降低 PAPR 值的原因是利用預(yù)編碼技術(shù)，這就是先對(duì)信號(hào)進(jìn)行特殊的處理例如特殊的編碼方式，然后在將處理后的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，這不僅可以降低 PAPR 值還相當(dāng)于信道編碼。使用格雷互補(bǔ)序列的方法就是這么個(gè)例子，先將序列變成 GCS，然后再將其進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，這樣就可以降低 PAPR 值。應(yīng)用格雷互補(bǔ)序列方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是子載波的多少都不會(huì)影響 PAPR 值的降低，但是當(dāng)子載波數(shù)越多，相應(yīng)的計(jì)算會(huì)變得非常的復(fù)雜，所以對(duì)于子載波數(shù)多的情況，這種方法也不是很適合。編碼類技術(shù)既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、效果好。缺點(diǎn)是：系統(tǒng)受編碼方式的限制、子載波數(shù)的多少直接影響