OFDM技術及基本原理

　　1 OFDM技術

　　OFDM(正交頻分復用)技術實際上是MCM(Multi-Carrier Modulation，多載波調制)的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

　　結合簡要介紹OFDM的工作原理，輸入數(shù)據(jù)信元的速率為R，經過串并轉換后，分成M個并行的子數(shù)據(jù)流，每個子數(shù)據(jù)流的速率為R/M，在每個子數(shù)據(jù)流中的若干個比特分成一組，每組的數(shù)目取決于對應子載波上的調制方式，如PSK、QAM等。M個并行的子數(shù)據(jù)信元編碼交織后進行IFFT變換，將頻域信號轉換到時域，IFFT塊的輸出是N個時域的樣點，再將長為Lp的CP(循環(huán)前綴)加到N個樣點前，形成循環(huán)擴展的OFDM信元，因此，實際發(fā)送的OFDM信元的長度為Lp＋N，經過并/串轉換后發(fā)射。接收端接收到的信號是時域信號，此信號經過串并轉換后移去CP，如果CP長度大于信道的記憶長度時，ISI僅僅影響CP，而不影響有用數(shù)據(jù)，去掉CP也就去掉了ISI的影響。

　　OFDM技術之所以越來越受關注，是因為OFDM有很多獨特的優(yōu)點：

　　(1)頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中很重要。OFDM信號的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。

　　(2)抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強，由于OFDM系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分散到許多個子載波上，大大降低了各子載波的符號速率，從而減弱多徑傳播的影響，若再通過采用加循環(huán)前綴作為保護間隔的方法，甚至可以完全消除符號間干擾。

　　(3)采用動態(tài)子載波分配技術能使系統(tǒng)達到最大比特率。通過選取各子信道，每個符號的比特數(shù)以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。即要求各子信道信息分配應遵循信息論中的“注水定理”，亦即優(yōu)質信道多傳送，較差信道少傳送，劣質信道不傳送的原則

　　(4)通過各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強的抗衰落能力。OFDM技術本身已經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。但通過將各個信道聯(lián)合編碼，可以使系統(tǒng)性能得到提高。

　　(5)基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT來實現(xiàn)調制和解調，易用DSP實現(xiàn)。
wimax的核心調制技術OFDM

　　OFDM的基本原理 

　　OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，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。 

　　2 OFDM的關鍵技術 

　　2.1 同步技術 

　　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)送端和接受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真確的采樣時間，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，就可以用內插濾波器來控制真確的時間進行采樣。 

　　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1/Ｔ了。 

　　載波頻率的偏移會使子信道之間產生干擾。OFDM系統(tǒng)的輸出信號是多個相互覆蓋的子信道的疊加，它們之間的正交性有嚴格的要求。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，引起信號發(fā)生畸變。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）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方面的內容： 

　　（1）幀檢測； 

　　（2）載波頻率偏差及校正； 

　?。?）采樣偏差及校正。 

　　由于同步是OFDM技術中的一個難點，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。對OFDM技術的同步算法研究得比較多，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設計和研究，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)產生的-3dB相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的0.01%~ 0.1%。 

　　2.2 PARP的解決 

　　由于OFDM信號是有一系列的子信道信號重疊起來的，所以很容易造成較大的PAPR。大的OFDM PAPR 信號通過功率放大器時會有很大的頻譜擴展和帶內失真。但是由于大的PARP的概率并不大，可以把大的PAPR值的OFDM信號去掉。但是把大的PAPR值的OFDM信號去掉會影響信號的性能，所以采用的技術必須保證這樣的影響盡量小。一般通過以下幾種技術解決： 

　?。?）信號失真技術。采用修剪技術、峰值窗口去除技術或峰值刪除技術使峰值振幅值簡單地線性去除。 

　?。?）編碼技術。采用專門的前向糾錯碼會使產生非常大的PAPR的OFDM符號去除。 

　?。?）擾碼技術。采用擾碼技術，使生成的OFDM的互相關性盡量為0，從而使OFDM的PAPR減少。這里的擾碼技術可以對生成的OFDM信號的相位進行重置，典型的有PTS和SLM。 

　　2.3 訓練序列/導頻及信道估計技術 

　　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。實際應用中，導頻的模式的設計要根據(jù)具體情況而定。