OFDM應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)解析

　　1 引言

　　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(dāng)時的器件水平限制了其應(yīng)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?，OFDM技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。像歐洲的DAB，DVB-T，HiperLAN-Ⅱ，日本的ISDB-T，國際上的802．11a，AD-SL，VDSL等標(biāo)準(zhǔn)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?dāng)_(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(yīng)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(dǎo)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。

　　2 0FDM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。

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　　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。

　　3 0FDM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(dǎo)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?dāng)_(1S1)，這也是導(dǎo)致傳輸性能下降的主要原因。為避免ISI，應(yīng)使碼元周期大于多徑效應(yīng)引起的時延擴展，實際中應(yīng)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。

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　　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(luò)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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，可以容忍一定量的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(dǎo)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(dá)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(fù)／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(xùn)練序列以及導(dǎo)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(fù)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％。