【正文】 插入一段長度超過信道最大時延的空白時隙作為保護間隔，這樣顯然可以起到消除符號間干擾（ISI ）的作用，但是，發(fā)射信號與信道的沖激函數(shù)卷積之后，各個子載波不再保持正交，從而引入了對系統(tǒng)來說更致命的子載波間干擾（ICI） 。1980 年，A. Peled 和 A. Ruiz 等人提出利用循環(huán)前綴（CP）代替空白間隙作為保護間隔，以滿足經(jīng)過色散信道時子載波之間仍能保持正交性。由于循環(huán)前綴既可以消除符號間干擾（ISI） ，同時又能保證子載波間的正交性而不引入子載波間干擾（ICI） ，因此它被大多數(shù)的 OFDM 系統(tǒng)所認可和使用。復(fù)制I F F T保護間隔I F F T 輸出 保護間隔I F F T時間g FT符號 N 1符號 N符號 N + 1s圖 加入保護間隔的 OFDM 信號具體來說，就是通過在每個符號的起始位置增加保護間隔來進一步抵制符號間干蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）19擾（ISI） ，還可以減少接收端的定時偏移錯誤。這種保護間隔是一種循環(huán)復(fù)制，增加了符號的波長長度，在符號的數(shù)據(jù)部分，每一個子載波內(nèi)有一個整數(shù)倍的循環(huán)，此種符號的復(fù)制產(chǎn)生了一個循環(huán)的信號，就是將每個 OFDM 符號的后 時間中的樣點復(fù)制到gTOFDM 符號的前面，形成前綴，在交接點沒有任何的間隔。因此，將一個符號的尾端復(fù)制并補充到起始點增加了符號時間的長度，圖 顯示了保護間隔的插入。符號的總長度為 。其中 為 OFDM 符號總長度， 為抽樣的保護FTgs+=s g間隔長度， 為 FFT 變換產(chǎn)生的無保護間隔的 OFDM 符號長度，則在接收端抽樣開FT始的時刻 應(yīng)滿足下式： ，其中 是信道的最大多徑時延擴展，當抽X gXτmaxmaxτ樣滿足該式時，由于前一個符號的干擾只會存在于 ，當子載波個數(shù)比較大時，??0,OFDM 的符號周期 相對于信道的脈沖響應(yīng)長度 很大，則符號間干擾（ISI ）的影s ax響很小，甚至?xí)]有符號間干擾（ISI） ；而如果相鄰 OFDM 符號之間的保護間隔 滿gT足 的要求，則可以完全克服符號間干擾（ISI ）的影響。同時，由于 OFDM 延maxτTg?時副本內(nèi)所包含的子載波的周期個數(shù)也為整數(shù)，時延信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生子載波間干擾（ICI） 。 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在 OFDM 系統(tǒng)中，接收機需要將信道響應(yīng)、載波頻偏、定時誤差以及噪聲等各種參數(shù)做出精確估計及補償，將各種非理想因素進行處理轉(zhuǎn)化為近似理想因素，以方便后續(xù)操作。因此，OFDM 通信系統(tǒng)的核心問題或關(guān)鍵技術(shù)也主要集中在接收機一端。與下一代移動通信系統(tǒng)有關(guān)的 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個方面 [6]。 信道建模在無線移動通信環(huán)境下，電磁波不僅隨著傳播長度增加而產(chǎn)生損耗，并且受地理狀況以及大型建筑物等的遮蔽影響而產(chǎn)生陰影效應(yīng)；此外，電磁波經(jīng)過多點的反射、折射后沿著多條路徑到達接收機，而這多條路徑上的信號幅值、相角以及到達時刻都不相同，相互疊加后形成的信號有可能造成電平衰落和時延擴展；另外，在移動通信中收發(fā)機快速的相對運動會造成多普勒頻移，電磁波的傳輸特性也會發(fā)生變化。因此，無線移動通信環(huán)境的信道比較復(fù)雜。實際應(yīng)用中，總是先根據(jù)給定的使用環(huán)境來對通信系統(tǒng)建模和性能仿真，然后，找出最優(yōu)性能下的各種參數(shù)并進行軟硬件設(shè)計。在通信系統(tǒng)建模過程中，對無線信道的建模和刻畫十分重要，因為它直接關(guān)系到對通信系統(tǒng)實際性能預(yù)測的準確性。一個合適的、與實際信道狀況貼近的信道模型，將會大大提高整個通信系統(tǒng)設(shè)計的準確性蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）20和效率，同時，也會節(jié)省設(shè)計成本。無線移動通信信道一般可以分為大尺度（LargeScale）衰落信道模型和小尺度（SmallScale）衰落信道模型 ，無線信道的一大特征就是多徑，多徑效應(yīng)有可能導(dǎo)致接收到的信號幅值發(fā)生急劇變化，而小尺度衰落模型主要就是對短時間或短距離內(nèi)的快速變化進行建模，所以小尺度衰落模型可以用在 OFDM 通信系統(tǒng)的信道建模中。當然，小尺度衰落模型可以根據(jù)信道的頻率選擇性和時間選擇性進行更細致的劃分。不過，在多徑信道中，通常使用瑞利衰落信道（Rayleigh Fading Channel）模型或萊斯衰落信道（Rice Fading Channel）模型來對 OFDM 通信系統(tǒng)的信道進行建模；而在更為簡單的情況下，則經(jīng)常使用加性高斯白噪聲（AWGN，Additive White Gaussian Noise） 信道對一些算法進行性能仿真。 時域和頻域同步同步問題是任何一個通信系統(tǒng)都必須解決的，不過這一問題在 OFDM 系統(tǒng)中更為復(fù)雜。OFDM 系統(tǒng)對定時和頻率偏移敏感，特別是實際應(yīng)用中與FDMA、TDMA 、CDMA 和 MIMO 等多址方式結(jié)合使用時，時域和頻率同步顯得尤為重要。與其他數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。在下行鏈路中，基站向各個移動終端廣播發(fā)送同步信號，所以下行鏈路同步相對簡單，較易實現(xiàn)。在上行鏈路中，來自不同移動終端的信號必須同步到達基站，才能保證子載波間的正交性?；靖鶕?jù)各移動終端發(fā)來的子載波所攜帶信息進行時域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動終端，以便讓移動終端進行同步。具體實現(xiàn)時，同步將分為時域同步和頻域同步，也可以時域和頻域同時進行同步。 信道估計信道估計指的是對信號在發(fā)射機與接收機之間的無線傳輸信道的頻率響應(yīng)做出估計。 在 OFDM 系統(tǒng)中，信道估計算法的種類很多，從實現(xiàn)方法上考慮，可以分為時域估計算法和頻域估計算法；從算法使用的信息以及是否具有反饋環(huán)路，可以分為盲估計算法、基于輔助數(shù)據(jù)的估計算法以及基于判決反饋的估計算法。盲估計算法是指借助 OFDM 符號的特殊結(jié)構(gòu)以及通過特殊設(shè)計產(chǎn)生的一些特定關(guān)系來進行信道估計；基于輔助數(shù)據(jù)的估計算法是指借助導(dǎo)頻信號、訓(xùn)練序列等收發(fā)兩端已知或容易得到的已知信息進行信道估計，這種方法與盲估計算法的不同之處在于是否使用了先驗信息進蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）21行信道估計；而基于判決反饋的估計算法是指利用經(jīng)過判決產(chǎn)生的反饋信息進行信道估計的方法。在 OFDM 系統(tǒng)中，信道估計器的設(shè)計主要有兩個問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇，由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷地傳送；二是復(fù)雜度較低和導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計器的設(shè)計。在實際設(shè)計中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計器的設(shè)計通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因為估計器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。 信道編碼和交織為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的性能，信道編碼和交織是普通采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯誤，可以采用交織技術(shù)。實際應(yīng)用中，通常同時采用信道編碼和交織，進一步改善整個系統(tǒng)的性能。在OFDM 系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太嚴重，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的，因為 OFDM 系統(tǒng)自身已經(jīng)具有利用信道分集特性的能力。但是，OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進行編碼提供了機會，形成 COFDM 方式。編碼可以采用各種碼，如分組碼、卷積碼等，其中卷積碼的效果要比分組碼好。 降低峰值平均功率比PAPR 是指 OFDM 信號功率的最大值和平均值的比值，通常以分貝為單位進行衡量，即： ?)(dB]xE[(=)P(ARnavergpk2am10l10l（）其中， 表示經(jīng)過 IFFT 操作后得到的一個 OFDM 符號序列； 代表對方括號nx ?內(nèi)的變量取數(shù)學(xué)期望運算 [7]。當 個子載波的相位相同時，如果此時對它們求和，所得到的信號的峰值功率將N會是平均功率的 倍，則根據(jù)上式，峰值平均比可以達到： N(dB)=PAR10lg（）由此可見，當系統(tǒng)的子載波數(shù)目 越大時，PAPR 對系統(tǒng)性能的影響就越顯著。N由于 OFDM 信號在時域上表現(xiàn)為 N 個正交子載波信號的疊加 ，當這 個信號恰好均以峰值相加時，OFDM 信號也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的 倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但為了不失真地傳輸這些高 PAPR 的 OFDM 信號，發(fā)送蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）22端對高功率放大器（HPA）的線性度要求很高，從而導(dǎo)致發(fā)送效率極低，接收端對前端放大器以及 A/D 變換器的線性要求也很高。因此，高的 PAPR 使得 OFDM 系統(tǒng)的性能大大下降甚至直接影響實際應(yīng)用。為了解決這一問題，人們提出了基于信號畸變技術(shù)、信號擾碼技術(shù)和基于信號空間擴展等降低 OFDM 系統(tǒng) PAPR 的方法。 均衡在一般的衰落環(huán)境下，OFDM 系統(tǒng)中均衡不是有效改善系統(tǒng)性能的方法。因為均衡的實質(zhì)是補償多徑信道引起的碼間干擾，而 OFDM 技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，因此在一般情況下，OFDM 系統(tǒng)就不必在做均衡了。在高度散射的信道中，信道記憶長度很長，循環(huán)前綴（CP）的長度必須很長，才能夠使 符號間干擾（ISI）盡量不出現(xiàn)。但是，CP 長度過長必然導(dǎo)致能量大量損失，尤其對子載波個數(shù)不是很大的系統(tǒng)。這時，可以考慮加均衡器以使 CP 的長度適當減小，即通過增加系統(tǒng)的復(fù)雜性換取系統(tǒng)頻帶利用率的提高。蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）233 OFDM 系統(tǒng)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，其性能直接關(guān)系到整個通信系統(tǒng)的性能?？梢哉f，沒有準確的同步算法，就不可能進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，它是信息可靠傳輸?shù)那疤帷?OFDM 系統(tǒng)的 3 種同步在 OFDM 系統(tǒng)中同步有 3 種 [8]，如圖 所示。（1）載波同步：當采用同步解調(diào)或相干檢測時，接收端需要提供一個與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波。（2）符號同步：是使接收端得到與發(fā)射端周期相同的符號序列，并確定每個符號的起止時刻（即確定準確的 FFT 窗位置） ，進而實現(xiàn)塊同步和幀同步。（3）樣值同步：可分為樣值定時同步和樣值頻率同步。① 樣值定時同步：是為了接收端確定每個樣值符號的起止時刻。② 樣值頻率同步：是為了保證使接收端有與發(fā)送端具有相同的采用頻率。載波同步和樣值頻率同步破壞了子載波間正交性而帶來了信噪比損失，所以載波同步和樣值頻率同步尤為重要。 OFDM 系統(tǒng)中的載波頻率同步載波頻率同步是 OFDM 系統(tǒng)中的一個重要問題，接收端的這一操作主要完成對收發(fā)兩端射頻中心頻率偏差的估計 [9]。根據(jù)估計出的偏差值對接收機的射頻頻率進行修正以補償其對解調(diào)出的信號造成的子載波間干擾（ICI） 、相位旋轉(zhuǎn)以及數(shù)值樣點移位等損失。因此載波頻率同步算法性能直接關(guān)系著 OFDM 系統(tǒng)接收端的誤碼性能。衡量載波頻率同步算法性能的主要指標包括：頻偏估計的范圍，頻偏估計的精度，算法實現(xiàn)的復(fù)雜度等。這三個指標相互聯(lián)系，互相影響，僅僅將其中一個指標做得很好而不考慮其它指標不行。一個好的同步算法能夠綜合考慮以上三方面的性能并做出良好折中。 載波頻率偏移的形成原因載波頻率偏移是指通信系統(tǒng)中接收機和發(fā)射機因射頻中心頻率不匹配而造成的載波頻率偏差 ，這個頻率偏差會造成兩方面的影響，首先它會造成收發(fā)兩端cff????對應(yīng)信號的相位發(fā)生偏移，相位偏移量與頻偏量成正比，可以表示為： ；ft????2其次，它會造成接收信號在頻域內(nèi)的頻譜搬移，使得基帶頻譜偏離零頻，如圖 和圖蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）24 所示。蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）25I F F T運算模塊加入循環(huán)前綴( C P )并 / 串變換數(shù) / 模轉(zhuǎn)換并 / 串變換信號逆映射F F T運算模塊去除循環(huán)前綴( C P )串 / 并變換模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換串 / 并變換信號映射???????????????????????? ??ks??vs??vr??vR+多徑信道++載波同步??)2(exp???cfj)]?2(exp[????cfjO F D M符號定時同步 樣值定時 同步樣值頻率 同步 )(tn圖 OFDM 系統(tǒng)中的同步蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）26nf1?nf1?nf???? f)(fA圖 載波頻率偏移（不存在頻偏）示意圖 fn??fn?1fn?1???? f)(fA圖 載波頻率偏移（存在頻偏）示意圖在 OFDM 系統(tǒng)中，載波頻率偏移主要由以下兩種因素誘發(fā) [10]：第一，由于發(fā)射機與接收機采用的本地振蕩器必然存在一些非理想因素，即它們不可能完全同頻同相，因此收發(fā)兩端所產(chǎn)生的載波頻率也會存在一定的差異；第二，在無線信道中，特別是移動通信情況下，由于多普勒頻移（Doppler Shift）也會造成收發(fā)兩端的載波頻率發(fā)生偏差，偏移量與收發(fā)機相對運動的速度 、信號的接收角度 以及收發(fā)機載波中心頻V?率 有關(guān)，可以表示為：cf cosCf??其中，C 是電磁波的傳播速度即光速?？梢钥闯觯斀邮諜C移動方向與入射波垂直時，頻移量為零；當接收機移動方向與入射波平行，即夾角為零，接收機離發(fā)射機時，偏移量為 ，且頻率降低；反之，當接收機沿與入射波平行的角度向著發(fā)射機移動Vfc/時，偏移量為 ，這表示接收機的載波頻率升高了 。Cfc/? CVfc/蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）27 載波頻率偏移的影響OFDM 是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，它