OPDM技術研究(二)

二、OFDM技術基礎
(一)、OFDM系統的關鍵技術
在具體應用中，OFDM系統組要解決的關鍵問題包括以下幾個方面：
1、同步技術
對于OFDM系統而言，同步的任務主要有三個方面：采樣時鐘同步、定時同步和載波頻率同步。采樣時鐘同步是指在接收機中，A／D轉換器對連續信號進行采樣以得到離散的數字信號時，采樣時鐘的頻率必須與發送端采樣時鐘的頻率一致。定時同步的任務是確定OFDM符號的起始時刻，以便去除循環前綴，并加入FFT窗進行正確的解調；同時在無線通信中，由于接收機對發送機發送信號的時刻一般來說是未知的，接收機對信道中的傳輸時延也是未知的，因此，定時同步的另一個任務是對OFDM信號進行捕獲，確認是否有OFDM符號到達接收機，在一些定時同步算法中，這兩個任務可以同時完成。載波頻率同步的任務是使接收機本振的載波頻率與到達接收機的OFDM信號載波頻率一致。由于接收機本地的載波發生器與發送端的載波發生器產生的載波頻率不可能完全一致，以及無線信道中多普勒效應的影響，接收機本地產生的載波頻率與到達接收機的OFDM信號的載波頻率之間不可避免的
存在著偏差，因此必須進行載波頻率同步。
2、信道估計
加入循環前綴后的OFDM系統可等效為Ⅳ個獨立的并行子信道。如果不考慮信道噪聲，Ⅳ個子信道上的接收信號等于各子信道上的發送信號與信道的頻譜特性的頻率相乘。如果通過估計方法預先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號與信道的頻譜特性相除，既可實現接收信號的正確解調。在衰落信道中，只有接收機準確的估計出信道的信息，才能進行正確的數據解調。因此，信道估計是OFDM系統中的一個重要問題。目前對于信道估計研究的方法比較多，在無線信道中通常采用導頻輔助法，也稱為基于導頻的信道估計。它是指通信系統在發送端發送一些已知的訓練序列或導頻符號，接收機利用這些已知的訓練序列或導頻符號進行信道估計。也可以采用盲信道估計，即在發射端不傳輸導頻或訓練符號，接收機完全通過接收數據
的統計特性來進行信道估計。由于盲信道估計不需要在發送端發送冗余信息，因此系統的傳輸效率較高，但是信道估計的準確度較低，需要對接收到的大量數據進行統計平均才能得到較精確的信道參數，因此不適合突發通信系統。
3、峰均比
OFDM符號是由大量子載波上的時域信號疊加而成，當大部分信號具有相同的相位，即同處于波峰和波谷的時候，得到的疊加信號功率將遠遠大于OFDM符號的平均功率，形成較高的峰值平均功率比(Peak．to．Average Power Ratio，PAPR)，過高的PAPR要求系統中的A／D，D／A轉換器等器件具有很大的線性動態范圍，增加了系統實現的難度，同時還會降低射頻放大器的功率。在OFDM系統中，PAPR與Ⅳ有關，Ⅳ越大，PAPR的值越大。信號中的PAPR值很大對發送端的功率放大器的線性度要求很高。如何降低OFDM信號的PAPR值對OFDM系統的性能和成本都有很大影響。因此，如何降低PAPR一直是國內外學者們研究的熱點之一。目前而言，降低PAPR的方法主要有編碼技術、信號失真技術和降低削波的概率技術等。
4、編碼與交織技術
在衰落信道中，OFDM技術通常采用編碼來提高其性能，即編碼OFDM或COFDM。在OFDM通信系統中，通過對子載波的編碼和交織可以實現頻率分集，并把頻率選擇性衰落平均到整個系統帶寬上。對處于深度衰落的子載波上的信息，可通過采用信道估計、編碼與交織技術，利用鄰近子載波上的信息進行恢復，從而提高OFDM系統的抗窄帶干擾能力。對于信道惡劣的環境，還可以采用級聯的編碼方式，獲得更大的編碼增益。由于OFDM信號具有時間一頻率柵格結構，有可能在交織和編碼時使用這種二維結構，因此編碼設計非常靈活。目前，在數字音頻廣播DAB系統中，采用的編碼方式是punctured卷積編碼，允許等錯誤保護和不等錯誤保護。信道編碼可顯著的提高數字通信系統的抗干擾能力。在OFDM系統中，可使用任意傳統的信道編碼，如分組碼、卷積碼、網格編碼調制(TCM)以及Turbo碼等，現在的發展方向是在OFDM系統中結合多天線技術使用空時編碼，即所謂的MIMO OFDM技術，這項技術可顯著地提高OFDM系統的性能，成為下一代無線通信系統的熱點技術。
5、自適應技術
采用OFDM技術的好處是可以根據信道的頻率選擇性衰落情況動態地調整每個子載波上的信息比特數和發送功率，從而優化系統性能，稱為自適應比特和功率分配。在許多文獻中也稱為自適應調制技術。在多用戶情況下，如何為每個用戶最優地分配系統資源，從而使系統的發送功率最低或者使系統的傳輸速率最高，是一個非常復雜的問題。在OFDM系統中使用自適應技術，還應該考慮頻率分組、時間間隔、信道總延時和信道估計誤差等因素，其中信道估計誤差對性能的影響較大。
(二)、OFDM基本原理
OFDM由大量在頻率上等間隔的子載波構成(設共有Ⅳ個載波)，各子載波可用同一種數字調制方法，或不同的載波使用不同的調制方法，將高速串行數據分成多路并行的低速數據，加以調制。所以OFDM實際上是一種并行調制方案，將符號周期延長Ⅳ倍，從而提高了抗多徑衰落的抵抗能力。在傳統的頻分復用中，各載波的信號頻譜互不重疊，頻帶利用率較低。在OFDM系統中，各子載波在整個符號周期上是正交的，即加于符號周期上的任何兩個載波的乘積等于零，因此各子載波信號頻譜可以互相重疊，大大提高了頻帶利用率。由于OFDM系統中的載波數量多達幾百上千，所以在實際應用中不可能使用幾百上千個振蕩器和鎖相環進行調制。因此，Weinstein提出了用離散傅立葉變換(DFT)實現OFDM的方法。隨著數字信號處理技術(DSP)的飛速發展，采用快速傅立葉變換(FFT)，利用現有的高速數字信號處理芯片實現OFDM的調制與解調，非常方便，又可大大降低系統成本。
1、正交頻分復用(OFDM)的基本思想
正交頻分復用(OFDM)技術采取的思路為：把高速的數據流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個子信道中進行并行傳輸，將頻域中的頻率選擇性信道的頻率響應H(w)劃分為許多小的子頻帶，如圖2．1所示，在劃分的子頻帶足夠多的情況下，每個子帶可以看成是頻率響應恒定。相應地，在時域中則傳輸信道沖激響應h(t)是sinc(t)函數的加權和，這時每一個子信道都是平坦衰落信道，對于每一個子信道由于帶寬很窄，對應的時域中所傳輸符號時間變長，符號間干擾(ISI)的影響減小，只需簡單的頻域均衡即可減小信道的影響。顯然，信道經過劃分，對每一個子信道來說仍然是窄帶信道，而且滿足平坦衰落信道的條件，現有的窄帶數字通信理論分析系統性能極為方便。
從上述正交頻分復用(OFDM)技術的主要思想可知，正交頻分復用技術在劃分足夠多的子信道的條件下，能夠將頻率選擇性信道轉化為平坦衰落信道，從而獲得信道的簡化，從頻域的角度來看，現有的窄帶數字通信理論的分析均適用，克服符號間干擾(ISI)，簡化了均衡器的設計和計算量，同時也提高了頻譜效率，是一種非常具有潛力的通信技術。

2、OFDM的調制和解調原理
一個OFDM符號是多個經過調制的子載波的合成信號，其中每個子載波可以采用相移鍵控(PSK)或者正交幅度調制(QAM)。如果Ⅳ表示子載波的個數，T表示OFDM符號的長度，di(i=0，1，2，?，N—1)是分配給每個子載波的數據符號，則采用等效基帶信號進行描述的OFDM符號可以表示為
圖2．2給出了OFDM系統基本模型的框圖，其中=2π=2π

OFDM系統中每個子載波在一個OFDM符號周期內都包含整數倍個周期，而且各個相鄰子載波之間相差1個周期。這一特性可以用來解釋子載波之間的正交性，即：

這種正交性還可以從頻域角度來理解，經過矩形波成型得到的符號的sinc函數頻譜中在每一子載波的頻譜最大值處，所有其它子載波的頻譜值恰好為零，如圖2．3所示。
若對式(2．1)中的第j個子載波進行解調，然后在時間長度內進行積分，即：

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