【正文】 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 在 OFDM 系統(tǒng)中，接收機(jī)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(bǔ)償，將各種非理想因素進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為近似理想因素，以方便后續(xù)操作。因此，將一個符號的尾端復(fù)制并補(bǔ)充到起始點(diǎn)增加了符號時間的長度，圖 顯示了保護(hù)間隔的插入。 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(hù)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。 無線信道的時變性是指衰落信道的傳遞函數(shù) )(th 是隨時間變化而變化的，即發(fā)送端在不同時刻 1t 、 2t 發(fā)送相同的信號時，在接收端收到的信號是不同的。 第 i 條 路 徑 上 的 O F D M 信 號 量m ax?多 徑 分 量 圖 多徑信道中 OFDM 系統(tǒng)接收端信號示意圖 在 OFDM 系統(tǒng)中，同樣會因?yàn)樾诺赖臅r延特性而造成接收端多個 OFDM 信號的重蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 疊，即產(chǎn)生符號間干擾（ ISI），如圖 所示。這種特性稱為信道的時間彌散性（ Time Dispersion）。另一方面，無線通信由于沒有專用的線路進(jìn)行信號傳輸，其通信信道必然存在有線通信信道所不具有的復(fù)雜性。在 OFDM 系統(tǒng)中是用 DFT 的方法來 實(shí)現(xiàn)一組正交子載波對信息數(shù)據(jù)的調(diào)制的。其中 ， N 為子載波個數(shù)， Ts 為一個 OFDM 符號的持續(xù)時間。在接收端，進(jìn)行一個對應(yīng)的逆過程解出信號。 當(dāng)一個 OFDM 符號在多徑無線信道中傳輸時，頻率選擇性衰落會導(dǎo)致某幾組子載波受到相當(dāng)大的衰減，從而引起比特錯誤。但在并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，許多符號被同時傳輸，減少了許多那些在串行系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題。 基于 IFFT/FFT 的 OFDM 系統(tǒng) 基于 IFFT/FFT 的 OFDM 系統(tǒng)框圖，主要分為發(fā)送和接收兩部分。在這篇論文中，作者提出利用離散傅里葉變換來解決調(diào)制解調(diào)過程的復(fù)雜度高的問題。 考慮到子載波之間相互正交 ，即： ? ??sTsik ikTdttCtC )()()( * ? （ ） 其中“ *”表示共軛操作，式（ ）表示只有當(dāng)子載波頻率相同，即為同一個子載波時，它們在一個 OFDM 符號周期內(nèi)的共軛積分才為 sT ，否則為零。 基于 IFFT/FFT 的 OFDM 系統(tǒng) 原理 OFDM 的基本原理 假設(shè) OFDM 系統(tǒng)發(fā)射端得數(shù)據(jù)采樣周期為 samT ， OFDM 的符號周期為 sT ，符號樣點(diǎn)數(shù)為 N ，系統(tǒng)帶寬為 B ，子載波間隔為 f? ，則根據(jù)子載波 正交性要求，它們之間的關(guān)系為： sams TNT ?? （ ） )//(1/1 NTTf ssa msa m ?? （ ） ssa m TNff /1/ ??? （ ） 各個子載波之間相互正交 [4]，也就是說它們的頻率滿足： 1,2,1,0 ???? NkTkff sk ? （ ） 其中 0f 表示第一個子載波的頻率， k 為其余 1?N 個子載波的序號，這表明，在時域中各個載波頻率之差必須是 sT/1 的整數(shù)倍，那么在頻域中，就滿足時域中無符號間干擾的奈奎斯特采樣定理，因此在理想 OFDM 系統(tǒng)中不存在載波間干擾。 ZPOFDM 系統(tǒng) 與采用數(shù)據(jù)前綴的 CPOFDM 不同， ZPOFDM 系統(tǒng)采用的是后綴形式。 CPOFDM 系統(tǒng) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 CPOFDM 系統(tǒng) 的 CP（ Cyclic Prefix）指的是循環(huán)前綴，它是將每次 IFFT 操作后生成的 OFDM 符號的最后 cpN 個樣點(diǎn)復(fù)制到符號的最前端作為用戶數(shù)據(jù)的前綴。然而 ， 應(yīng)用 OFDM 的子載波正交復(fù)用技術(shù)大大減小了保護(hù)帶寬，提高了頻率利用率。但使用 OFDM 傳播技術(shù)，譬如 DAB（ Digital Audio Broadcasting） ，從多個無線基站來的信息信號被組合成一個單獨(dú)的復(fù)用數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)是由多個子載波密集打包組成的，然后在 OFDM 體系中傳輸。選擇 OFDM 的一個主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對抗頻率選擇性干擾和窄帶干擾。 OFDM 技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境一般是頻率選擇性瑞利衰落信道。 （ 2）慢衰落 在慢衰落信道中，信道的變化率要小于信號的符號變化率，也就是說在一個或者多個符號周期內(nèi) 信道是不變化的（或者說變化非常緩慢），是一個靜態(tài)信道。快衰落信道的條件是： CS TT? CS BB? （ ） 快衰落與多徑?jīng)]有關(guān)系，它僅表 示信道中運(yùn)動物體的變化所引起的信道響應(yīng)的變化快慢。當(dāng)多徑傳播中有一個直接的視距射線或有特別強(qiáng)烈的反射波段起主要作用時，它將改變信號包絡(luò)的統(tǒng)計時變特征，使其不再服從瑞利分布，而服從萊斯分布，萊斯分布的概率密度函數(shù)給出如下： ???????????)0(0)0,0()()2e x p ()( 202 222rrsrsJsrrrP ??? （ ） 式 中， r 表示接收信號的振幅， )(0?J 為第 1 類零階修正貝塞爾函數(shù)， 22s 是信號中占支配作用的直接分量的平均功率。當(dāng)多徑時延超過發(fā)送信號的周期時，前一個信號就會落入后面的信號中，產(chǎn)生頻率 選擇性衰落，引起符號間干擾。 （ 1）平坦衰落 如果無線信道帶寬大于發(fā)射信號帶寬，相位為線性，那么信號的頻譜會保持不變，衰落稱為平坦衰落。相干時間 CT 是 Doppler 擴(kuò)展在時域內(nèi)的表示： mC fT1? （ ） mf 是最大 Doppler 頻移。相干帶寬與頻率相關(guān)函數(shù) 的閾值有關(guān)，當(dāng)閾值變小時相干帶寬變大，反之，相干帶寬變小。這個物理量表示的是接收到的信號功率隨時間的變化。 ),( ?tai 表示第 i 個多徑信號的振幅。如果發(fā)射信號的帶寬遠(yuǎn)小于信道帶寬，那么信號的幅度變化會很快。 接收天線和發(fā)射天線之間的相對移動會產(chǎn)生 Doppler 頻移，各個多徑信號的 Doppler頻移不會是相同的，這樣由于 Doppler 頻移所產(chǎn)生的調(diào)頻也就不同。多徑信號會產(chǎn)生碼間干擾，碼元周期要長一些。 無線信道中很多因素會影響衰落，其中包括： （ 1）多徑傳播 在建筑物密集的城市地區(qū)，由于接收天線一般都不可能高于建筑物，因此收發(fā)天線之間沒有視線方向上的電磁波傳播，能量的傳播主要依靠建筑物等障礙物的反射、衍射和散射。多徑傳播所造成的能量波動變化較快，稱為快衰落，也稱小尺度衰落，它所造成的衰落效應(yīng)主要表現(xiàn)在三個方面： （ 1）短距離或者短時間中信號功率的快速變化 。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們疊加會使復(fù)合信號相互抵消或增強(qiáng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。 本篇論文章節(jié)安排如下： 第 1 章主要介紹了 OFDM 技術(shù)的發(fā)展概況及特點(diǎn)，以及同步技術(shù)研究的必要性和意義； 第 2 章介紹了無線信道的基本知識，詳細(xì)講述了 OFDM 系統(tǒng)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，以及 OFDM 系統(tǒng)的同步技術(shù)； 第 3 章詳細(xì)講述了 OFDM 系統(tǒng)的頻率同步問題，其中包括載波頻率偏移的形成原因、載波頻率偏移對 OFDM 系統(tǒng)的影響和載波頻率偏移的數(shù)學(xué)分析； 第 4 章研究了載波頻率偏移估計算法，介紹了三種載波頻率偏移估計算法，即子載波間干擾自消除方法、高階子載波間干擾自消除方法和頻偏盲估計方法。這就對發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求，因此可能帶來信號畸變，使信號的頻譜 發(fā)生 變化，從而導(dǎo)致各個子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。無線信道的時變性在傳輸過程中造成的無線信號頻譜偏移，或蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會使 OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致 子 載波間干擾 （ ICI， InterCarrier Interference） 。 （ 6） OFDM 技術(shù) 易于和其他多種接入方 式結(jié)合使用，構(gòu)成 正交頻分多址接入（ OFDMA， Orthogonal Frequency Division Multiple Access） 系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址 （ MCCDMA， Multi CarrierCode Division Multiple Access） 、跳頻 OFDM 以及OFDMTDMA 等等，使得多個用戶可以同時利用 OFDM 技術(shù)進(jìn)行信息的傳輸。 在子載波 個 數(shù)很多的系統(tǒng)中，可 以通過采用快速傅里葉 逆 變換 （ IFFT，Inverse Fast Fourier Transform） 和快速傅里葉變換 （ FFT， Fast Fourier Transform） 來實(shí)現(xiàn)。而 OFDM 系統(tǒng)由于各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(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 。 最近 20 年來，隨著 人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個人化和移動化的要求和 一系列無線通信新標(biāo)準(zhǔn)的制定，再加上集成芯片技術(shù)，高速數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道估計技術(shù)、均 衡技術(shù)以 、 編碼技術(shù) 、軟判斷技術(shù)及插入保護(hù)間隔 等成熟技術(shù)的不斷引入，人們已經(jīng)開始集中越來越多的精力來開發(fā) OFDM 技術(shù)在移動通信、電力線通信等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。第一個 OFDM 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用是軍用的無線高頻通信鏈路?？偟膩砜?， OFDM 技術(shù)在移動通信以及電力線通信領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景。 當(dāng)傳統(tǒng)的多載波 調(diào)制（ MCM， MultiCarrier Modulation） 技術(shù)以及數(shù)字調(diào)制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中遭遇瓶頸時， 正交頻分復(fù)用技術(shù) （ OFDM， Orthogonal Frequency Division Multiplexing）以其高頻譜利用率、高數(shù)據(jù)傳輸速率以及良好的抗干擾性能給移動通信注入了新 鮮血液 ，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，例如歐洲于上世紀(jì) 90 年代投入使用的數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)（ DAB， Digital Audio Broadcasting System）、數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)（ DVB， Digital Video Broadcasting System）及隨后制定出的 標(biāo)準(zhǔn)系列 ， 日本也于 1999 年提出地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn) ISDBT 等等 [1]。 Selfcancellatio蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 目錄 摘要 .............................................................................................................................................. ABSTRACT ................................................................................................................................ I 1 緒論 ...................................................................................................................................... 0 引言 ............................................................................................................................... 0 OFDM 技術(shù)的歷史及發(fā)展現(xiàn)狀 ................................................................................... 0 OFDM 技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) ................................................................................................... 1 OFDM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) ............................................................................................. 1 OFDM 技術(shù)的缺點(diǎn) ............................................................................................. 2 論文的主要工作和章節(jié)安排 .........................................