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1、OFDM系统中的关键技术摘要正交频分复用技术是一种信道利用率很高的调制方式，具有良好的抗衰落 能力，在移动通信中有广阔的应用前景。本文就OFDM系统中的关键技术进行 了探讨。关键词正交频分复用循环前缀信道估计1 OFDM系统的历史与现状正交频分复用(OFDM)技术是高速率无线通信系统中有广阔应用前景的多 载波数据通信技术，它是将高速的数据流分成并行低速数据流，用这样的低比特 率形成的低速率多状态符号去调制相互正交的子载波，从而形成多个低速率符号 并行发送的传输系统。OFDM技术的应用可以追溯到上世纪60年代，它主要用于军用高频通信系 统中，例如KINEPLEX，ANDEFT 和 KATHRYN
2、。但是在早期的OFDM系统中， 发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，并且在相关 接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道数很大时，系统就显得非常复杂 和昂贵。一个简单有效的实现OFDM技术的方法是在1971年由Weinstein和 Ebert提出2，他们使用离散傅立叶变换(DFT)来实现OFDM基带系统中的调 制和解调功能，从而省去了正弦信号发生器。为了抵抗符号间干扰ISI)和载波间 干扰(ICI)，他们在符号间加入了保护间隔。但是他们的系统在色散信道上没有获 得较好的正交性。另一个重要的贡献是在1980年Peled和Ruiz3使用循环前 缀或循环后缀来解决子载波间的
3、正交性，而不是使用空的保护间隔，他们把OFDM符号的循环扩展添加到保护间隔中，只要保护间隔大于信道的最大脉冲 响应，即使在色散信道上也能获得较好的正交性。到80年代，人们研究如何将 OFDM技术应用于高速MODEM。进入90年代以来，OFDM技术的研究深入 到无线调频信道上的宽带数据传输，OFDM作为一种宽带无线传输技术的优势 很突出，而且可以利用有效的新技术去修正和弥补OFDM的固有缺点，因而被 广泛的应用于民用通信系统中，如HDSL、ADSL、VDSL、DVB、DAB、HDTV 等系统。近年来，由于数字信号处理DSP)技术的飞速发展，OFDM技术作为一 种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传
4、输技术，更加引起了广泛的关注。2 OFDM 技*的特点OFDM技术是一种多载波技术，采用多个正交的子载波来并行传输数据， 并使用离散快速傅里叶变换技术实现信号的调制与解调，它的主要优点为：(1) 带宽利用率很高在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到子信道中，各子信道频 带之间严格分离，接收端通过带通滤波器滤除带外的信号来接收每个子信道上的 数据，这种方法最大的缺点是频谱利用率很低，造成频谱浪费。所以，人们提出 了频谱可以重叠的多载波系统。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交， 它们的频谱相互重叠，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱 利用率。可以证明，当子载波个数足够
5、大时，系统的频带利用率可达2Baud/Hz。(2) 可以采用快速离散傅里叶变换技术(DFT )实现调制和解调在发送端采用了快速傅里叶反变换(IFFT)，把频域的调制数据转化为时域的 信号发送出去。在接收端，通过快速傅里叶变换(FFT)把接收到的时域信号转化 为频域信号，然后进行判决解调，恢复频域的调制信息。采用DFT技术大大降 低了 OFDM的实现复杂性，原先OFDM的实现需要多个调制解调器，电路十 分复杂，采用DFT技术，可以快速的实现调制与解调，而且电路也变得十分简 单。近年来，随着数字信号技术的迅速发展，许多DSP芯片的运算能力越来越 快，更进一步推动了 OFDM技术的发展。(3) 可以
6、有效的对抗符号间干扰和突发噪声OFDM系统采用多个正交的子载波并行传输数据，原先速率很高的数据流 经过串并变换后，调制到各个子载波上进行并发传输，这样在每一路上的数据速 率大大降低了，那么在衰落信道中所受到的ISI干扰就相对小多了。此外，OFDM 采用了添加保护间隔的方法，即复制OFDM符号中最后面的样点到最前面，这 样可以有效的抵抗多径衰落的影响，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传 输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子 载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性 能要好得多。OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到
7、很小一 部分的子信道。可采用联合编码技术，使系统具有很强的抗衰落能力通过对各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身 已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡 器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。(5) 支持动态比特分配方法由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰 落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信 噪比比较高的子信道，从而提高系统的性能。(6) 可与多种接入方式结合使用OFDM系统可以容易与其他多种接入方法结合使用，构成OFDMA系统， 其中包括多载波码分多址MC-
8、CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等， 使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传递。3 OFDM系统的关键技术(1)同步技术在OFDM系统中，N个符号的并行传输会使符号的延 续时间更长，因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来 说，无线信道存在时变性在传输中存在的频率偏移会使OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的 损害。由于发送端和接收端之间的采样时钟有偏差，每个信号 样本都一定程度地偏离它正确的采样时间，此偏差随样本数量 的增加而线性增大，尽管时间偏差破坏子载波之间的正交性， 但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时，就 可以用内插滤
9、波器来控制正确的时间进行采样。相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引 入了一个随机相位变量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同 相位误差的影响；其次也会引入一定量的信道间干扰(ICI)， 因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的l/T 了。载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。OF DM系 统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加，它们之间的JE 交性有严格的要求。无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒 频移。多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正 比。多普勒展宽会导致频率发生弥散，引起信号畸变。从频域 上看，信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此 对于要求子载波
10、严格同步的OFDM系统来说，载波的频率偏 移所带来的影响会更加严重，如果不采取措施对这种信道间干扰 (ICI , In te r-C han nel In te rf ere nce)加以克服，系统的性能很难 得到改善。OFDM中的同步通常包括3方面的内容：帧检测，载波 频率偏差及校正，采样偏差及校正。同步是OFDM技术中的一个难点，提出了很多 OFDM同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以 及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的ES PRIT 同步算法和ML估计算法。ESPRIT算法虽然估计精度高，但计算复 杂，计算量大。而ML算法利用OFDM信号的循环前缀，可 以有效地对
11、OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计 与ESPRIT 算法相比，其计算量要小得多。对OFDM技术的同步算法研究， 需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进 行联合估计才是可行的。OFDM系统对定时频偏的要求是小于 OFDM符号间隔的4% ,对频率偏移的要求大约要小于子载 波间隔的1% 2% ,系统产生的3dB相位噪声带宽大约为子载 波间隔的0 . 01% 0. 1%。(2)功率峰值与均值比(PARIP)的解决OFDM包络的不恒定性可以用PAPR来表示。PAPR是 峰值功率与平均功率之比。PAPR越大，系统的包络的不恒 定性越大。因此要改善系统性能，就要设法减小PAPR。由于OFDM
12、信号为多个正弦波的叠加，当子载波个数 多到一定程度时，根据中心极限定理，OFDM符号波形将是 个高斯随机过程，其包络是不恒定的。这种现象在非线性限 带信 道中是不希望出现的，经非线性放大器后，包络中的起伏虽然 可以减弱或消除，但与此同时却使信号频谱扩展，其旁瓣将 会干扰临近频道的信号。这在OFDM系统中将引起相邻信道之 间的干扰，破坏其正变性。一般而言，发射机中的高频放大器 (HPA，High Power Amplifier)具有很强的非线性特征。为了 不使频谱扩展得太厉害，HPA必须工作在有很大回退量 (Backoff)的状态，这样会浪费很大功率。因此如果没有改善 OFDM对非线性的敏感性的
13、措施，OFDM技术将不能用于使 用电池的传输系统，如手机等移动设备。一般通过以下几种技 术解决。 限幅(Clipping)技术：这是一种简单而有效的降低 PAPR的方法，但是它会导致带内信号的失真和带外频谱弥散， 从而使误码率性能恶化。高速率编码是一种对信码进行的简单编 码，它可以从统计特性上降低大的：PAPR出现的概率。 编码技术：分组编码的方法既可以绝对地降低PAPR， 又具有一定的纠错能力。OFDM信号的复包络依赖于发送数据信号 序列的非周期自相关函数旁瓣。如果旁瓣小，则信号的起伏就小，即 PAPR小，就可以得到准恒定(Quasi-Constant)幅度信号。因此， 需要寻找自相关函数旁
14、瓣小的发送信号序列。Golay 二进制序列 (即 Co mpl ementary)就是一种旁瓣小的序列。即使是它扩展到多 相位序列，也仍然满足旁瓣小的特性。可以证明，Golay序列的PAPR 不超过3dB。基于互余序列的分组码的基本思想就是避免使用PAPR高的码。通过采用基于互余序列的分组码，在PAPR控制在3 6dB的情况下，系统可以得到很大的编码增益，并改善了 error-floor 性能。 扰码技术：采用扰码技术，使生成的OFDM的 互相关性尽量为O,从而使OFDM的PAPR减少。这里的扰 码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置，典型的有PTS 和 SLM。训练序列和导频及信道估计
15、技术接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些 导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂 度和导频的数量，但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中， 系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。在系统采用相干检测时，信道估计是必需的。此时可以 使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时 变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。在OFDM系统中， 导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度，可以插入连续 导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂的折中。 导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽，在时 域上，导频的间隔应小于相干时间；在频域上，导频的问隔应
16、小于相干带宽。在实际应用中，导频模式的设计要根据具体情况 而定。虽然OFDM技术具有许多优点，但是OFDM系统内由于存在有多个正交 子载波，而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存 在以下主要缺点：(1) 易受频率偏差的影响由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。 然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如 多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏 差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的 信号互相干扰，这种对频率偏差敏感是OFDM系统的主要缺点之一。(2) 存在较高的峰值平均功率比(PAPR)与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加， 因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信 号的平均功率，导
