OPDM技术研究(二)

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(三)、OFDM系统的优缺点
近年来，OFDM系统受到众多研究者们的广泛兴趣，这主要是OFDM系统具有适合宽带传输的优点决定的。总结起来，OFDM系统与传统的单载波或一般非交叠的多载波传输系统相比，具有以下优点：
1、OFDM系统使用并行的正交多载波传输，子载波上的符号时间大大增加，减小了信道时延扩展造成的ISI影响。同时，OFDM系统使用长于信道时延扩展的循环前缀，可以完全消除ISI，信道均衡在频域变得非常简单，极大地减小了宽带高速率数据传输系统中设备的复杂度。
2、OFDM系统使用交叠的正交多载波传输，频谱效率高。传统的多载波传输为避免各个载波之间的相互干扰，要求各个载波之间在频谱上相互隔离，需要使用一定的保护频带来保证，频谱效率不高。
3、OFDM系统可以使用基带IFFT／FFT处理来实现，不需要使用多个发送和接收滤波器组，设备复杂度较传统的多载波系统大大下降。传统的多载波系统由于设备的复杂度而无法实现载波数很大的系统。
4、OFDM系统各子载波上的调制方式可以灵活控制，容易通过动态调制方式分配充分利用衰落小的子载波信道，避免深衰落子载波信道对系统性能带来的不利影响。
5、OFDM系统可实现多种多址方式，如OFDM．TDMA、OFDM．FH、OFDM-CDMA、OFDMA、等。
同时，OFDM系统的发送信号由于是多个正交子载波上的发送信道的叠加，带来了OFDM系统固有的缺点：
1、易受频率偏差和时变信道的影响，造成的ICI(Inter-Subcarrier Interference)限制了系统的性能。OFDM系统要求各个子载波之间相互正交，如果收发端载波不匹配，则子载波之间的正交性容易受到破坏，会产生载波间干扰(ICI)，限制了OFDM系统在高信噪比下的性能，一般要求剩余载波频率偏移不超出OFDM系统子载波间隔的2％，保证子载波上的载干比(Carrier to Interference Ratio，CIR)不小于30dB。
2、OFDM系统的发送信号是多个子载波上的发送信号的叠加，当多个信号同相相加时，叠加信号的瞬时功率很大，远远超出信号的平均功率，导致大峰值平均功率比(peak-to—average power ratio，PAPR)，这种PAPR跟系统的发送子载波数成正比，高的PAPR对发送滤波器的线性范围要求提高，增加了设备的代价。如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会产生信号畸变，信号频谱泄露，各子载波之间的正交性也会遭到破坏，产生干扰，系统性能下降。

二、OFDM技术基础
(一)、OFDM系统的关键技术
在具体应用中，OFDM系统组要解决的关键问题包括以下几个方面：
1、同步技术
对于OFDM系统而言，同步的任务主要有三个方面：采样时钟同步、定时同步和载波频率同步。采样时钟同步是指在接收机中，A／D转换器对连续信号进行采样以得到离散的数字信号时，采样时钟的频率必须与发送端采样时钟的频率一致。定时同步的任务是确定OFDM符号的起始时刻，以便去除循环前缀，并加入FFT窗进行正确的解调；同时在无线通信中，由于接收机对发送机发送信号的时刻一般来说是未知的，接收机对信道中的传输时延也是未知的，因此，定时同步的另一个任务是对OFDM信号进行捕获，确认是否有OFDM符号到达接收机，在一些定时同步算法中，这两个任务可以同时完成。载波频率同步的任务是使接收机本振的载波频率与到达接收机的OFDM信号载波频率一致。由于接收机本地的载波发生器与发送端的载波发生器产生的载波频率不可能完全一致，以及无线信道中多普勒效应的影响，接收机本地产生的载波频率与到达接收机的OFDM信号的载波频率之间不可避免的
存在着偏差，因此必须进行载波频率同步。
2、信道估计
加入循环前缀后的OFDM系统可等效为Ⅳ个独立的并行子信道。如果不考虑信道噪声，Ⅳ个子信道上的接收信号等于各子信道上的发送信号与信道的频谱特性的频率相乘。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，既可实现接收信号的正确解调。在衰落信道中，只有接收机准确的估计出信道的信息，才能进行正确的数据解调。因此，信道估计是OFDM系统中的一个重要问题。目前对于信道估计研究的方法比较多，在无线信道中通常采用导频辅助法，也称为基于导频的信道估计。它是指通信系统在发送端发送一些已知的训练序列或导频符号，接收机利用这些已知的训练序列或导频符号进行信道估计。也可以采用盲信道估计，即在发射端不传输导频或训练符号，接收机完全通过接收数据
的统计特性来进行信道估计。由于盲信道估计不需要在发送端发送冗余信息，因此系统的传输效率较高，但是信道估计的准确度较低，需要对接收到的大量数据进行统计平均才能得到较精确的信道参数，因此不适合突发通信系统。
3、峰均比
OFDM符号是由大量子载波上的时域信号叠加而成，当大部分信号具有相同的相位，即同处于波峰和波谷的时候，得到的叠加信号功率将远远大于OFDM符号的平均功率，形成较高的峰值平均功率比(Peak．to．Average Power Ratio，PAPR)，过高的PAPR要求系统中的A／D，D／A转换器等器件具有很大的线性动态范围，增加了系统实现的难度，同时还会降低射频放大器的功率。在OFDM系统中，PAPR与Ⅳ有关，Ⅳ越大，PAPR的值越大。信号中的PAPR值很大对发送端的功率放大器的线性度要求很高。如何降低OFDM信号的PAPR值对OFDM系统的性能和成本都有很大影响。因此，如何降低PAPR一直是国内外学者们研究的热点之一。目前而言，降低PAPR的方法主要有编码技术、信号失真技术和降低削波的概率技术等。
4、编码与交织技术
在衰落信道中，OFDM技术通常采用编码来提高其性能，即编码OFDM或COFDM。在OFDM通信系统中，通过对子载波的编码和交织可以实现频率分集，并把频率选择性衰落平均到整个系统带宽上。对处于深度衰落的子载波上的信息，可通过采用信道估计、编码与交织技术，利用邻近子载波上的信息进行恢复，从而提高OFDM系统的抗窄带干扰能力。对于信道恶劣的环境，还可以采用级联的编码方式，获得更大的编码增益。由于OFDM信号具有时间一频率栅格结构，有可能在交织和编码时使用这种二维结构，因此编码设计非常灵活。目前，在数字音频广播DAB系统中，采用的编码方式是punctured卷积编码，允许等错误保护和不等错误保护。信道编码可显著的提高数字通信系统的抗干扰能力。在OFDM系统中，可使用任意传统的信道编码，如分组码、卷积码、网格编码调制(TCM)以及Turbo码等，现在的发展方向是在OFDM系统中结合多天线技术使用空时编码，即所谓的MIMO OFDM技术，这项技术可显著地提高OFDM系统的性能，成为下一代无线通信系统的热点技术。
5、自适应技术
采用OFDM技术的好处是可以根据信道的频率选择性衰落情况动态地调整每个子载波上的信息比特数和发送功率，从而优化系统性能，称为自适应比特和功率分配。在许多文献中也称为自适应调制技术。在多用户情况下，如何为每个用户最优地分配系统资源，从而使系统的发送功率最低或者使系统的传输速率最高，是一个非常复杂的问题。在OFDM系统中使用自适应技术，还应该考虑频率分组、时间间隔、信道总延时和信道估计误差等因素，其中信道估计误差对性能的影响较大。
(二)、OFDM基本原理
OFDM由大量在频率上等间隔的子载波构成(设共有Ⅳ个载波)，各子载波可用同一种数字调制方法，或不同的载波使用不同的调制方法，将高速串行数据分成多路并行的低速数据，加以调制。所以OFDM实际上是一种并行调制方案，将符号周期延长Ⅳ倍，从而提高了抗多径衰落的抵抗能力。在传统的频分复用中，各载波的信号频谱互不重叠，频带利用率较低。在OFDM系统中，各子载波在整个符号周期上是正交的，即加于符号周期上的任何两个载波的乘积等于零，因此各子载波信号频谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率。由于OFDM系统中的载波数量多达几百上千，所以在实际应用中不可能使用几百上千个振荡器和锁相环进行调制。因此，Weinstein提出了用离散傅立叶变换(DFT)实现OFDM的方法。随着数字信号处理技术(DSP)的飞速发展，采用快速傅立叶变换(FFT)，利用现有的高速数字信号处理芯片实现OFDM的调制与解调，非常方便，又可大大降低系统成本。
1、正交频分复用(OFDM)的基本思想
正交频分复用(OFDM)技术采取的思路为：把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行并行传输，将频域中的频率选择性信道的频率响应H(w)划分为许多小的子频带，如图2．1所示，在划分的子频带足够多的情况下，每个子带可以看成是频率响应恒定。相应地，在时域中则传输信道冲激响应h(t)是sinc(t)函数的加权和，这时每一个子信道都是平坦衰落信道，对于每一个子信道由于带宽很窄，对应的时域中所传输符号时间变长，符号间干扰(ISI)的影响减小，只需简单的频域均衡即可减小信道的影响。显然，信道经过划分，对每一个子信道来说仍然是窄带信道，而且满足平坦衰落信道的条件，现有的窄带数字通信理论分析系统性能极为方便。
从上述正交频分复用(OFDM)技术的主要思想可知，正交频分复用技术在划分足够多的子信道的条件下，能够将频率选择性信道转化为平坦衰落信道，从而获得信道的简化，从频域的角度来看，现有的窄带数字通信理论的分析均适用，克服符号间干扰(ISI)，简化了均衡器的设计和计算量，同时也提高了频谱效率，是一种非常具有潜力的通信技术。

2、OFDM的调制和解调原理
一个OFDM符号是多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波可以采用相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)。如果Ⅳ表示子载波的个数，T表示OFDM符号的长度，di(i=0，1，2，?，N—1)是分配给每个子载波的数据符号，则采用等效基带信号进行描述的OFDM符号可以表示为
图2．2给出了OFDM系统基本模型的框图，其中=2π=2π

OFDM系统中每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差1个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即：

这种正交性还可以从频域角度来理解，经过矩形波成型得到的符号的sinc函数频谱中在每一子载波的频谱最大值处，所有其它子载波的频谱值恰好为零，如图2．3所示。
若对式(2．1)中的第j个子载波进行解调，然后在时间长度内进行积分，即：

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