OFDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)摘要正交頻分復用技術(shù)是一種信道利用率很高的調(diào)制方式，具有良好的抗衰落能力，在移動通信中有廣闊的應用前景。本文就OFDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進行了探討。關(guān)鍵詞正交頻分復用循環(huán)前綴信道估計1OFDM系統(tǒng)的歷史與現(xiàn)狀正交頻分復用(OFDM)技術(shù)是高速率無線通信系統(tǒng)中有廣闊應用前景的多載波數(shù)據(jù)通信技術(shù)，它是將高速的數(shù)據(jù)流分成并行低速數(shù)據(jù)流，用這樣的低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號去調(diào)制相互正交的子載波，從而形成多個低速率符號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。OFDM技術(shù)的應用可以追溯到上世紀60年代，它主要用于軍用高頻通信系統(tǒng)中，例如KINEPLEX，ANDEFT和KATHRYN。但是在早期的OFDM系統(tǒng)中，發(fā)信機和相關(guān)接收機所需的副載波陣列是由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的，并且在相關(guān)接收時各副載波需要準確地同步，因此當子信道數(shù)很大時，系統(tǒng)就顯得非常復雜和昂貴。一個簡單有效的實現(xiàn)OFDM技術(shù)的方法是在1971年由Weinstein和Ebert提出［2］，他們使用離散傅立葉變換(DFT)來實現(xiàn)OFDM基帶系統(tǒng)中的調(diào)制和解調(diào)功能，從而省去了正弦信號發(fā)生器。為了抵抗符號間干擾ISI)和載波間干擾(ICI)，他們在符號間加入了保護間隔。但是他們的系統(tǒng)在色散信道上沒有獲得較好的正交性。另一個重要的貢獻是在1980年P(guān)eled和Ruiz［3］使用循環(huán)前綴或循環(huán)后綴來解決子載波間的正交性，而不是使用空的保護間隔，他們把OFDM符號的循環(huán)擴展添加到保護間隔中，只要保護間隔大于信道的最大脈沖響應，即使在色散信道上也能獲得較好的正交性。到80年代，人們研究如何將OFDM技術(shù)應用于高速MODEM。進入90年代以來，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸，OFDM作為一種寬帶無線傳輸技術(shù)的優(yōu)勢很突出，而且可以利用有效的新技術(shù)去修正和彌補OFDM的固有缺點，因而被廣泛的應用于民用通信系統(tǒng)中，如HDSL、ADSL、VDSL、DVB、DAB、HDTV等系統(tǒng)。近年來，由于數(shù)字信號處理DSP)技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM技術(shù)作為一種可以有效對抗信號波形間干擾的高速傳輸技術(shù)，更加引起了廣泛的關(guān)注。2OFDM技*的特點OFDM技術(shù)是一種多載波技術(shù)，采用多個正交的子載波來并行傳輸數(shù)據(jù)，并使用離散快速傅里葉變換技術(shù)實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，它的主要優(yōu)點為：帶寬利用率很高在傳統(tǒng)的并行傳輸系統(tǒng)中，整個帶寬經(jīng)分割后被送到子信道中，各子信道頻帶之間嚴格分離，接收端通過帶通濾波器濾除帶外的信號來接收每個子信道上的數(shù)據(jù)，這種方法最大的缺點是頻譜利用率很低，造成頻譜浪費。所以，人們提出了頻譜可以重疊的多載波系統(tǒng)。在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜相互重疊，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。可以證明，當子載波個數(shù)足夠大時，系統(tǒng)的頻帶利用率可達2Baud/Hz。可以采用快速離散傅里葉變換技術(shù)(DFT)實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)在發(fā)送端采用了快速傅里葉反變換(IFFT)，把頻域的調(diào)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時域的信號發(fā)送出去。在接收端，通過快速傅里葉變換(FFT)把接收到的時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號，然后進行判決解調(diào)，恢復頻域的調(diào)制信息。采用DFT技術(shù)大大降低了OFDM的實現(xiàn)復雜性，原先OFDM的實現(xiàn)需要多個調(diào)制解調(diào)器，電路十分復雜，采用DFT技術(shù)，可以快速的實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，而且電路也變得十分簡單。近年來，隨著數(shù)字信號技術(shù)的迅速發(fā)展，許多DSP芯片的運算能力越來越快，更進一步推動了OFDM技術(shù)的發(fā)展。可以有效的對抗符號間干擾和突發(fā)噪聲OFDM系統(tǒng)采用多個正交的子載波并行傳輸數(shù)據(jù)，原先速率很高的數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并變換后，調(diào)制到各個子載波上進行并發(fā)傳輸，這樣在每一路上的數(shù)據(jù)速率大大降低了，那么在衰落信道中所受到的ISI干擾就相對小多了。此外，OFDM采用了添加保護間隔的方法，即復制OFDM符號中最后面的樣點到最前面，這樣可以有效的抵抗多徑衰落的影響，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。OFDM技術(shù)抗窄帶干擾性很強，因為這些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。⑷可采用聯(lián)合編碼技術(shù)，使系統(tǒng)具有很強的抗衰落能力通過對各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。支持動態(tài)比特分配方法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處于比較深的衰落情況中，因此可以通過動態(tài)比特分配以及動態(tài)子信道分配的方法，充分利用信噪比比較高的子信道，從而提高系統(tǒng)的性能。可與多種接入方式結(jié)合使用OFDM系統(tǒng)可以容易與其他多種接入方法結(jié)合使用，構(gòu)成OFDMA系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多個用戶可以同時利用OFDM技術(shù)進行信息的傳遞。3OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)(1)同步技術(shù)在OFDM系統(tǒng)中，N個符號的并行傳輸會使符號的延續(xù)時間更長，因此它對時間的偏差不敏感。對于無線通信來說，無線信道存在時變性在傳輸中存在的頻率偏移會使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的損害。由于發(fā)送端和接收端之間的采樣時鐘有偏差，每個信號樣本都一定程度地偏離它正確的采樣時間，此偏差隨樣本數(shù)量的增加而線性增大，盡管時間偏差破壞子載波之間的正交性，但是通常情況下可以忽略不計。當采樣錯誤可以被校正時，就可以用內(nèi)插濾波器來控制正確的時間進行采樣。相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響；其次也會引入一定量的信道間干擾(ICI)，因為相位誤差導致子載波的間隔不再是精確的l/T了。載波頻率的偏移會使子信道之間產(chǎn)生干擾。OFDM系統(tǒng)的輸出信號是多個相互覆蓋的子信道的疊加，它們之間的JE交性有嚴格的要求。無線信道時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臺的移動速度都成正比。多普勒展寬會導致頻率發(fā)生彌散，引起信號畸變。從頻域上看，信號失真會隨發(fā)送信道的多普勒擴展的增加而加劇。因此對于要求子載波嚴格同步的OFDM系統(tǒng)來說，載波的頻率偏移所帶來的影響會更加嚴重，如果不采取措施對這種信道間干擾(ICI,Inter-ChannelInterference)加以克服，系統(tǒng)的性能很難得到改善。OFDM中的同步通常包括3方面的內(nèi)容：幀檢測，載波頻率偏差及校正，采樣偏差及校正。同步是OFDM技術(shù)中的一個難點，提出了很多OFDM同步算法，主要是針對循環(huán)擴展和特殊的訓練序列以及導頻信號來進行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計算法。ESPRIT算法雖然估計精度高，但計算復雜，計算量大。而ML算法利用OFDM信號的循環(huán)前綴，可以有效地對OFDM信號進行頻偏和時偏的聯(lián)合估計與ESPRIT算法相比，其計算量要小得多。對OFDM技術(shù)的同步算法研究，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設(shè)計和研究，利用各種算法融合進行聯(lián)合估計才是可行的。OFDM系統(tǒng)對定時頻偏的要求是小于OFDM符號間隔的4%,對頻率偏移的要求大約要小于子載波間隔的1%~2%,系統(tǒng)產(chǎn)生的3dB相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的0.01%~0.1%。(2)功率峰值與均值比(PARIP)的解決OFDM包絡的不恒定性可以用PAPR來表示。PAPR是峰值功率與平均功率之比。PAPR越大，系統(tǒng)的包絡的不恒定性越大。因此要改善系統(tǒng)性能，就要設(shè)法減小PAPR。由于OFDM信號為多個正弦波的疊加，當子載波個數(shù)多到一定程度時，根據(jù)中心極限定理，OFDM符號波形將是—個高斯隨機過程，其包絡是不恒定的。這種現(xiàn)象在非線性限帶信道中是不希望出現(xiàn)的，經(jīng)非線性放大器后，包絡中的起伏雖然可以減弱或消除，但與此同時卻使信號頻譜擴展，其旁瓣將會干擾臨近頻道的信號。這在OFDM系統(tǒng)中將引起相鄰信道之間的干擾，破壞其正變性。一般而言，發(fā)射機中的高頻放大器(HPA，HighPowerAmplifier)具有很強的非線性特征。為了不使頻譜擴展得太厲害，HPA必須工作在有很大回退量(Backoff)的狀態(tài)，這樣會浪費很大功率。因此如果沒有改善OFDM對非線性的敏感性的措施，OFDM技術(shù)將不能用于使用電池的傳輸系統(tǒng)，如手機等移動設(shè)備。一般通過以下幾種技術(shù)解決。限幅(Clipping)技術(shù)：這是一種簡單而有效的降低PAPR的方法，但是它會導致帶內(nèi)信號的失真和帶外頻譜彌散，從而使誤碼率性能惡化。高速率編碼是一種對信碼進行的簡單編碼，它可以從統(tǒng)計特性上降低大的：PAPR出現(xiàn)的概率。編碼技術(shù)：分組編碼的方法既可以絕對地降低PAPR，又具有一定的糾錯能力。OFDM信號的復包絡依賴于發(fā)送數(shù)據(jù)信號序列的非周期自相關(guān)函數(shù)旁瓣。如果旁瓣小，則信號的起伏就小，即PAPR小，就可以得到準恒定(Quasi-Constant)幅度信號。因此，需要尋找自相關(guān)函數(shù)旁瓣小的發(fā)送信號序列。Golay二進制序列(即Complementary)就是一種旁瓣小的序列。即使是它擴展到多相位序列，也仍然滿足旁瓣小的特性。可以證明，Golay序列的PAPR不超過3dB。基于互余序列的分組碼的基本思想就是避免使用PAPR高的碼。通過采用基于互余序列的分組碼，在PAPR控制在3~6dB的情況下，系統(tǒng)可以得到很大的編碼增益，并改善了error-floor性能。擾碼技術(shù)：采用擾碼技術(shù)，使生成的OFDM的互相關(guān)性盡量為O,從而使OFDM的PAPR減少。這里的擾碼技術(shù)可以對生成的OFDM信號的相位進行重置，典型的有PTS和SLM。⑶訓練序列和導頻及信道估計技術(shù)接收端使用差分檢測時不需要信道估計，但仍需要一些導頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統(tǒng)的復雜度和導頻的數(shù)量，但卻損失了信噪比。尤其是在OFDM系統(tǒng)中，系統(tǒng)對頻偏比較敏感，所以一般使用相干檢測。在系統(tǒng)采用相干檢測時，信道估計是必需的。此時可以使用訓練序列和導頻作為輔助信息，訓練序列通常用在非時變信道中，在時變信道中一般使用導頻信號。在OFDM系統(tǒng)中，導頻信號是時頻二維的。為了提高估計的精度，可以插入連續(xù)導頻和分散導頻，導頻的數(shù)量是估計精度和系統(tǒng)復雜的折中。導頻信號之間的間隔取決于信道的相干時間和相干帶寬，在時域上，導頻的間隔應小于相干時間；在頻域上，導頻的問隔應小于相干帶寬。在實際應用中，導頻模式的設(shè)計要根據(jù)具體情況而定。雖然OFDM技術(shù)具有許多優(yōu)點，但是OFDM系統(tǒng)內(nèi)由于存在有多個正交子載波，而且其輸出信號是多個子信道信號的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在以下主要缺點：易受頻率偏差的影響由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。然而由于無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現(xiàn)無線信號的頻率偏移，例如多普勒頻移，或者由于發(fā)射機載波頻率與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會使得OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，從而導致子信道間的信號互相干擾，這種對頻率偏差敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點之一。存在較高的峰值平均功率比(PAPR)與單載波系統(tǒng)相比，由于多載波調(diào)制系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠大于信號的平均功率，導致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比。這樣就對發(fā)射機內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求，如果放大器的動態(tài)范圍不能滿足信號的變化，則會為信號帶來畸變，使疊加信號的頻譜發(fā)生變化，從而導致各個子信道信號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。因此，相應的，降低OFDM的PAPR和同步技術(shù)成為OFDM的關(guān)鍵技術(shù)，這兩個關(guān)鍵技術(shù)如果解決得不好，就會使OFDM整體性能下降，所具有的各種優(yōu)點也無法得到充分的體現(xiàn)。3.1降低PAPR的技術(shù)目前，降低OFDM的PAPR的技術(shù)主要有三類：第一類是采用信號預畸變技術(shù)［4］［5］，即在信號經(jīng)過放大之前，首先要對功率值大于門限值的信號進行非線性畸變，包括限幅、峰值加窗或者峰值消除等操作。這些信號畸變技術(shù)的好處在于直觀、簡單，但信號畸變對系統(tǒng)性能造成的損害是不可避免的。非線性畸變方法中最簡單的方法是采用剪切濾波的方法，對OFDM信號中幅度超過規(guī)定值的部分進行剪切，但是剪切使OFDM信號產(chǎn)生了失真，頻譜的帶外輻射分量較大，因此剪切后需要濾波，濾除頻譜的帶外分量，濾波后又會使OFDM信號的PAPR回升，同時接收端誤碼率上升，因此要選擇合適的剪切門限以及合適的濾波器，兼顧OFDM信號的頻譜、PAPR、BER，在三者之間進行折衷。第二類是編碼的方法［6］［7］，即避免使用那些會生成大峰值功率信號的編碼圖樣。這種方法的缺陷在于，可供使用的編碼圖樣數(shù)量非常少，特別是當子載波數(shù)量較大時，編碼效率會非常低。已有文獻采用Golay互補碼可以顯著的降低OFDM的PAPR，使PAPR小于3dB，并且接收端可以利用冗余信息進行糾錯，降低BER，但是采用編碼的方法大大降低了信息速率。第三類是利用不同的加擾序列對OFDM符號進行加權(quán)處理從而選擇PAPR較小的OFDM符號來傳輸，如采用選擇性映射(SLM)方法［8］和部分傳輸序列(PTS)方法［9］，這兩種方法都是以減少OFDM大信號出現(xiàn)的概率為目標。發(fā)送端產(chǎn)生包含同一信息序列的多個序列，從中尋找PAPR最小的序列作為發(fā)送序列，同時只需要發(fā)送很少比特的額外信息來通知接收端發(fā)送端采用了哪個序列，使接收端正確的恢復原先的數(shù)據(jù)。3.2同步技術(shù)早期的/2虬系統(tǒng)中，報頭信號使用的是未調(diào)制的單音信號，通過多普勒音糾正頻偏后，檢測同步音的相位變化來獲得符號定時。目前多數(shù)定時和頻偏估計的方法都利用了循環(huán)前綴的周期特性[10-13]，或者是設(shè)計有相同部分的訓練符。對于單載波訓練數(shù)據(jù)是在時域中設(shè)計訓練序列，而在頻域中設(shè)計訓練序列對應于OFDM方式的訓練符號。時域訓練即單載波訓練方式[14-16]的報頭采用重復的等幅零自相關(guān)(CAZAC)序列，采用這一序列的原因是它有利于符號同步，并且它有平坦的功率譜，能利用所有的傳輸帶寬。而最早使用重復的訓練符是在1994年Moose[17]給出的載波最大似然估計方法，發(fā)送端發(fā)送的是重復的符號，經(jīng)過FFT后在頻域中計算頻偏。這種方法是假定時間已經(jīng)同步，頻偏捕獲范圍的限制是子載波間隔的1/2，他也指出使用短的訓練符去增加頻率捕獲的范圍。但是在使用短的訓練符時，會使頻率估計的性能下降，因為平均的采樣點數(shù)目少了。同時訓練符也不能太短因為它的長度要比保護間隔長。Classen[18][19]提出了聯(lián)合定時和頻偏的同步算法，但是他的方法運算量很大，因為他使用了判別和誤差的方法，在整個頻率捕獲范圍內(nèi)搜索，直到找到正確的頻偏。這一過程是在頻率中將接收到的符號與訓練序列相關(guān)，這種方法有繁瑣的搜索和在計算可能的頻偏時，有著大量的計算，使得這種方法不太現(xiàn)實。Nogami和Nagashima[20]提出了載波同步的一種方法，它是在導頻符號前傳送一個空的符號，接收端檢測到信號功率下降，就可獲得時間同步。載波頻偏是對時域信號加窗和FFT后，在頻率域上得到。粗略頻偏是使用了相關(guān)檢測得到的，它是子載波間隔的整數(shù)倍。使用PN序列來指定傳輸?shù)妮d波，能更加正確的捕獲大范圍內(nèi)的頻偏，同時在多徑衰落信道中對頻偏估計性能有較大的改善。Schmidl[21]對Classen的方法做了修改，簡化了他的計算。在這種方法中，一個OFDM符號內(nèi)重復的信號是通過在偶數(shù)載波上傳送數(shù)據(jù)，奇數(shù)載波上不傳數(shù)據(jù)得到的。使用了兩個訓練符分兩部得到了時間和頻率同步，這兩個訓練符是放在幀的開始。時間同步是搜索一個符號內(nèi)，前半部分和后半部分在時間域是相同而得到。這時頻偏被部分修正（1/2子載波間隔）。經(jīng)過FFT后，在頻域中將前一個符號與后一個符號相關(guān)，得到整數(shù)倍子載波間隔的頻偏。Kim[22]在Schmidl的方法上做了修改，在不降低同步性能的前提下只需要使用一個訓練符來完成時間和頻率的同步。訓練符的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的方法一樣，但是傳送的數(shù)據(jù)在頻率上編碼而Schmidl的方法是時域上兩個訓練符之間的數(shù)據(jù)使用了不同的編碼。Minn[22]等人在Schmidl的方法上又做了改進，針對Schmidl的符號定時中出現(xiàn)的定時平臺，提出了兩種方法去消除，較好的解決了符號定時的誤差。Morelli[24]對使用重復的OFDM符號方式的報頭提出了最佳線性無偏估計的算法來估計頻偏，頻偏的估計是在時域完成的，并且大大增加了頻譜捕獲的范圍。而頻域估計技術(shù)大多使用一個或兩個訓練符，它是將導頻插入到特定子載波的地方，能估計整數(shù)倍的歸一化頻偏。頻域估計方法中要使用特定的序列，用這些序列的相關(guān)來表示由于頻偏帶來的序列循環(huán)移動的程度。這些序列可以有不同的構(gòu)成方法，可以由相鄰OFDM符號的同一個子載波構(gòu)成，也可以由同一個OFDM符號的相鄰子載波構(gòu)成。盡管頻域技術(shù)能增大頻率估計的范圍，但是它還是要在時域中先估計小數(shù)倍的歸一化頻偏。采用循環(huán)前綴的同步方法如vandeBeek[10]提出的聯(lián)合最大似然定時和頻偏估計方法可以不用導頻。算法是考慮噪聲為加性高斯白噪聲，仿真表明頻偏估計可以用于跟蹤模式(頻偏小于1/2載波間隔)，定時估計可用于捕獲模式，這種估計是對信道做了預先的假定。由于保護間隔受到ISI的影響，在色散信道下估計的性能較差。盲估計方法如Tureli[25]的ESPRIT方法和Liu[26]的MUSIC方法，都是基于信號子空間的方法，MUSIC方法利用子載波的正交性，將頻偏的估計問題等效為多項式求根問題，這兩種方法都具有超分辨性能，但因其運算量大而影響工程實用性。在移動通信系統(tǒng)中，信號的傳播由于反射、散射和衰落將導致復雜的電磁行為，具體表現(xiàn)在信號的時延、頻率和相位擴展。時延擴展使得接收端得到多個拷貝的信號，而且這些信號之間并沒有很明確的關(guān)系，時延擴展將直接導致碼間串擾(ISI)；頻率擴展將導致信號的時間衰落；相位擴展將導致信號的空間衰落。時延、頻率和角度擴展等問題的存在會使接收端的性能下降，甚至無法進行正常的通信。因此在OFDM系統(tǒng)中信道估計也是極為重要的。3.3信道脈沖響應估計常見的信道估計方法有基于導頻信道和基于導頻符號這兩種，但多載波系統(tǒng)具有時頻二維結(jié)構(gòu)，因此采用導頻符號的輔助信道估計更靈活。導頻符號輔助調(diào)制(PSAM)方法是在發(fā)送端的信號中某些固定位置插入一些已知的符號和序列，在接收端利用這些導頻符號和導頻序列按照某些算法進行信道估計。在單載波系統(tǒng)中，導頻符號和導頻序列只能在時間軸方向插入，在接收端提取導頻符號估計信道脈沖響應。在多載波系統(tǒng)中，可以同時在時間軸和頻率軸兩個方向插入導頻符號，在接收端提取導頻符號估計信道傳輸函數(shù)。只要導頻符號在時間和頻率方向上的間隔相對于信道帶寬足夠小，就可以采用二維內(nèi)插濾波的方法來估計。二維維納濾波方法是基于均方誤差的最佳線性信道估計，但是這種方法復雜度很高，為了在復雜度和性能兩個方面取得平衡，可以采用兩個級聯(lián)的一維FIR濾波器進行信道估計，它可以在性能損失不大的情況下大大減少計算量。另外一種基于DFT的在頻率軸方向上的信道估計提供了低復雜度的方法，它是使用最大似然準則。它是先在頻率軸方向上使用基于DFT的插值，然后完成在時間軸方向上的線性插值，從而來估計信道脈沖響應。OFDM實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)OFDM是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，它利用載波間的正交性進一步提高頻譜利用率，且可抗窄帶干擾和多徑衰落。OFDM技術(shù)的基本原理雖早已提出，但當時的器件水平限制了其應用。近幾年隨著技術(shù)和器件水平的發(fā)展，以及對高速和可靠傳輸?shù)囊螅琌FDM技術(shù)的應用越來越廣泛。像歐洲的DAB，DVB-T,HiperLAN-H，日本的ISDB-T，國際上的802.11a,AD-SL,VDSL等標準都采用了OFDM技術(shù)，在無線寬帶接人以及第4代移動通信中，OFDM技術(shù)都將成為繼CDMA技術(shù)之后的又一核心技術(shù)。OFDM通過多個正交的子載波將串行的數(shù)據(jù)并行傳輸，可以增大碼元的寬度，減少單個碼元占用的頻帶，抵抗多徑引起的頻率選擇性衰落，可以有效克服碼間串擾（1S"，降低系統(tǒng)對均衡技術(shù)的要求，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸，而且信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。目前，OFDM技術(shù)都可以通過FFY技術(shù)實現(xiàn)，所以簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。但OFDM技術(shù)同時也存在缺陷，首先是對頻率偏移敏感，對同步技術(shù)的要求較高，其次，OFDM信號的峰均功率比大，對系統(tǒng)中的非線性敏感，需采用特殊技術(shù)以降低峰均功率比。OFDM技術(shù)在實現(xiàn)的過程中，需要根據(jù)相應的信道條件和系統(tǒng)要求進行合理設(shè)計，才能發(fā)揮其優(yōu)勢。系統(tǒng)的參數(shù)選擇，導頻和同步方案的設(shè)計，均衡和編碼技術(shù)的結(jié)合使用，都需要在實現(xiàn)之前進行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)合筆者的工作，通過對OFDM關(guān)鍵技術(shù)的分析研究，提出OFDM系統(tǒng)仿真的基本框架。20FDM的基本原理OFDM的基本思想是將串行的數(shù)據(jù)并行地調(diào)制在多個正交的子載波上，這樣可降低每個子載波的碼元速率，增大碼元的符號周期，提高系統(tǒng)的抗衰落和干擾的能力，同時由于每個子載波的正交性，頻譜的利用率大大提高，所以非常適合衰落移動場合中的高速傳輸。OFDM傳輸系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示。以下結(jié)合OFDM傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對其實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析研究，可進一步得出仿真過程中需要注意的問題，從而給出一個基本的仿真框架。30FDM實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)3.1保護間隔（循環(huán)前綴/后綴）在無線衰落信道中，多徑的影響導致接收信號產(chǎn)生時延擴展，因此一個碼元的波形可能擴展到其它碼元的周期中，引起碼間串擾（1S1）,這也是導致傳輸性能下降的主要原因。為避免ISI,應使碼元周期大于多徑效應引起的時延擴展，實際中應大于最大多徑時延。OFDM系統(tǒng)中，通過降低碼元速率使得ISI的影響降低，同時可以在每個OFDM符號之間加人保護間隔，進一步消除殘留的ISI,目前比較有效的方式是插入循環(huán)擴展（前綴和后綴，有時可以只插人循環(huán)前綴），循環(huán)擴展的長度取決于信道的時延擴展，同時循環(huán)擴展還有一個更重要的作用，即可以實現(xiàn)系統(tǒng)的同步。循環(huán)擴展的示意圖如圖2所示。圖2中，Tofdm硼為擴展后的OFDM符號時間；r,為OFDM符號幀時間，即FFT的間隔；Tprefix為循環(huán)前綴的長度；Tpostfix為循環(huán)后綴的長度；TG=Tprefix+Tpostfix為保護間隔時間；了為系統(tǒng)的碼元周期。其中Ts=NT。此處通過使用長度為/V的窗函數(shù)[RN(n)],可更好地控制傳輸信號頻譜，降低頻偏影響，減少同步難度。3.2同步技術(shù)在OFDM系統(tǒng)中，由于碼元寬度相對較寬，所以系統(tǒng)對定時偏移不是很敏感，ISI得到了很好的抑制。但由于子載波的間隔小，所以對頻率偏移比較敏感，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的損害。定時偏移，或者說包絡的延遲失真，并不破壞子載波的正交性，定時相位偏移引起的只是所有子載波的旋轉(zhuǎn)，合適的信道估計可以有效地消除這些影響。抽樣頻率的誤差會產(chǎn)生時變的定時偏移，導致時變的相位變化，也會引入少量的載波間干擾(ICI),實際中由于定時偏移引入的ICI非常小，Es/No為20dB時，也只有0.01dB左右。相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響，其次也會引人一定量的ICI,因為相位誤差導致子載波的間隔不再是精確的1/T了。頻率偏移在OFDM系統(tǒng)中是比較有害的，它將導致ICI,破壞子載波的正交性。ISI與ICI是矛盾的，一個減少，另一個會增大，由于在系統(tǒng)設(shè)計時，可以容忍—定量的ISI,所以，可盡量減少ICI,以便降低系統(tǒng)同步實現(xiàn)的難度，殘留的ISI可以通過簡單的均衡消除。頻率偏移導致FFT的間隔周期不再是一個整數(shù)，所以變換后會產(chǎn)生ICI。由資料可知，OFDM技術(shù)可接受的最大頻偏與信道信噪比及有效信噪比之差有關(guān)，通常頻率精度必須達到頻率間隔的1%-2%。OFDM系統(tǒng)中主要涉及的同步有碼元同步，載波同步和采樣頻率同步。同步分為幾個過程：粗定時恢復/分組/時隙/幀同步，粗頻偏估計/校正，精頻率校正（F1T以后做），精定時校正（F叮以后做）。由于同步是OFDM技術(shù)中的一個難點，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是針對循環(huán)擴展和特殊的訓練序列以及導頻信號來進行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計算法，其中ESPRIT算法雖然估計精度高，但計算復雜，計算量大，而ML算法利用OFDM信號的循環(huán)前綴，可以有效地對OFDM信號進行頻偏和時偏的聯(lián)合估計，而且與ESPRIT算法相比，其計算量要小得多。OFDM技術(shù)的同步算法研究的比較多，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設(shè)計和研究，利用各種算法融合進行聯(lián)合估計才是可行的。OFDM系統(tǒng)對定時頻偏的要求是小于OFDM符號間隔的4%,對頻率偏移的要求大約要小于子載波間隔的1-2%,系統(tǒng)產(chǎn)生的-3dB相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的0.01-0?1%。3.3訓練序列/導頻及信道估計技術(shù)接收端使用差分檢測時不需要信道估計，但仍需要一些導頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統(tǒng)的復雜度和導頻的數(shù)量，但卻損失了信噪比。尤其是在OFDM系統(tǒng)中，系統(tǒng)對頻偏比較敏感，所以一般使用相干檢測。在系統(tǒng)采用相干檢測時，信道估計是必須的。此時可以使用訓練序列和導頻作為輔助信息，訓練序列通常用在非時變信道中，在時變信道中一般使用導頻信號。在OFDM系統(tǒng)中，導頻信號是時頻二維的。為了提高估計的精度，可以插入連續(xù)導頻和分散導頻，導頻的數(shù)量是估計精度和系統(tǒng)復雜的折衷。導頻信號之間的間隔取決于信道的相干時間和相干帶寬在時域上，導頻的間隔應小于相干時間;在頻域上，導頻的間隔應小于相干帶寬。圖3是導頻信號在時間和頻率上的一般模式，但實際中，導頻的模式的設(shè)計要根據(jù)具體情況而定，導頻信號的功率也可以適當大一些。信道估計器根據(jù)導頻就可以估計出信道的脈沖響應，估計的方法比較多，匹配濾波器法、最小均方值法、最大后驗概率法等都可以根據(jù)具體的系統(tǒng)要求選用。3.4峰均功率比控制根據(jù)中心極限定理，N個等載波間隔的OFDM信號可等效成均值為0、方差為02的高斯分布隨機過程(”足夠大，如廳＞100)。因此在某些極限時刻，不同子載波在相位和時間上可能線性疊加，可能產(chǎn)生一些很大的幅度脈沖峰值，隨著子載波數(shù)N的增大，脈沖峰值發(fā)生的概率會減少，但峰值會增大。所以在OFDM系統(tǒng)中，信號的峰值平均功率比(PAPR)起伏較大，對射頻的線性功放提出了很高的要求，發(fā)送端對高功率放大器(HPA)的線性度要求很高且發(fā)送效率極低，接收端對前端放大器以及A/D變換器的線性度要求也很高，因此應該盡可能地降低信號的PAPR。為消除這種因為過高的峰均功率比信號而使功率放大器產(chǎn)生的限幅非線性失真，提出了很多方法、如限幅加窗選擇映射方法、基于Golay序列的選擇映射方法、循環(huán)碼方法、部分發(fā)送序列相位反轉(zhuǎn)方法和基于m序列方法等。通過選擇合適的方法，PAPR的控制目前基本可以達到特定系統(tǒng)的要求，不再是限制OFDM技術(shù)應用的主要障礙。對PAPR的要求一般控制在3dB左右，通過合適的算法可以達到此要求。3.5信道編碼和交織技術(shù)在OFDM系統(tǒng)中，由于碼間串擾不是很嚴重，所以隨機誤碼得到了一定的限制，但對于突發(fā)誤碼，尤其是在軍用場合，信道編碼和交織技術(shù)還是必須的。由于OFDM信號具有時域和頻域的二維結(jié)構(gòu)特點，因此信道編碼可以很好地利用此特點，得到更好的糾錯性能。此時通過合理設(shè)計時域和頻域的交織器，可以很好地對抗突發(fā)錯誤和人為干擾。因此在OFDM系統(tǒng)中，信道編碼和交織器結(jié)構(gòu)要根據(jù)OFDM信號的特點來設(shè)計，編碼的碼率和交織器的長度與OFDM系統(tǒng)的參數(shù)密切相關(guān)。3.6均衡技術(shù)由于OFDM技術(shù)本身利用了衰落信道的分集特性，系統(tǒng)的碼間串擾問題已得到了很好的抑制，而均衡技術(shù)主要就是為了補償多徑信道引起的碼間干擾，因此一般情況下，OFDM系統(tǒng)可以不用均衡措施，但在一些時延擴展較嚴重的信道中，循環(huán)擴展的長度要很長，才能有效克服ISI，此時可以采用一些簡單的均衡技術(shù)來減少循環(huán)擴展的長度，而通過均衡克服殘留的ISI。4系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)itOFDM系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計是許多需求的一個折衷。在參數(shù)設(shè)計時，首先需要明確系統(tǒng)的3個主要的指標：帶寬、比特率和時延擴展。時延擴展直接影響保護時間的設(shè)計，保護時間的長度應該是均方根延遲擴展的2-4倍，實際設(shè)計時，保護時間一般取大于等于信道的最大時延擴展。保護時間確定后，OFDM符號幀的寬度也可以定下來。為了降低保護時間引起的信噪比損失，符號寬度希望遠大于保護時間，但是符號的寬度過大意味著更多