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          1.  
             

            OFDM技術及基本原理

            2006-07-11 c114

            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,將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流,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,輸入數據信元的速率為R,經過串并轉換后,分成M個并行的子數據流,每個子數據流的速率為R/M,在每個子數據流中的若干個比特分成一組,每組的數目取決于對應子載波上的調制方式,如PSK、QAM等。M個并行的子數據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(循環前綴)加到N個樣點前,形成循環擴展的OFDM信元,因此,實際發送的OFDM信元的長度為Lp+N,經過并/串轉換后發射。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,而不影響有用數據,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有很多獨特的優點:
              (1)頻譜利用率很高,頻譜效率比串行系統高近一倍。這一點在頻譜資源有限的無線環境中很重要。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系統把數據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)采用動態子載波分配技術能使系統達到最大比特率。通過選取各子信道,每個符號的比特數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合編碼,可以使系統性能得到提高。
              (5)基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法,OFDM采用IFFT和FFT來實現調制和解調,易用DSP實現。
            wimax的核心調制技術OFDM
              OFDM的基本原理 
              OFDM是一種無線環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系統中,N個符號的并行傳輸會使符號的延續時間更長,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系統子載波之間的正交性遭到破壞,相位噪聲對系統也有很大的損害。 
              由于發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生彌散,引起信號發生畸變。從頻域上看,信號失真會隨發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,系統的性能很難得到改善。 
              OFDM中的同步通常包括3方面的內容: 
             ?。?)幀檢測; 
             ?。?)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信號的循環前綴,可以有效地對OFDM信號進行頻偏和時偏的聯合估計,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,需要根據具體的系統具體設計和研究,利用各種算法融合進行聯合估計才是可行的。OFDM系統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的復雜度和導頻的數量,但卻損失了信噪比。尤其是在OFDM系統中,系統對頻偏比較敏感,所以一般使用相干檢測。 
              在系統采用相干檢測時,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,可以插入連續導頻和分散導頻,導頻的數量是估計精度和系統復雜的折衷。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具體情況而定。


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