2)把高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，調(diào)制到每個子載波上進行并發(fā)傳輸，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，有效地減小由于無線信道的時間彌散所帶來的ISI。此外，OFDM采用了循環(huán)前綴技術(shù)，即將OFDM符號的后幾個樣值復(fù)制到OFDM符號的前面，有效的抵抗多徑衰落的影響。減小了接收機內(nèi)均衡的復(fù)雜度，甚至可以不采用均衡器。

圖2  OFDM符號的循環(huán)前綴結(jié)構(gòu)

圖3   兩徑信道中OFDM符號的傳輸

               圖3中的保護時間大于多徑時延，因此第二條徑的相位跳變點正好位于保護時間內(nèi)，因此接收機收到的是滿足正交特性的多載波信號，不會造成性能損失。如果保護時間小于多徑時延，則相位跳變點位于積分時間內(nèi)，則多載波信號不再保持正交性，從而會引入子載波干擾。

        3)各個子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可以通過離散傅立葉反變換(IDFT，Inverse  Discrete Fourier Transform)和離散傅立葉變換(DFT，Discrete Fourier Transform)的方法來實現(xiàn)。在子載波數(shù)很大的情況下，可以通過采用快速傅立葉變換(FFT)來實現(xiàn)。近年來，隨著大規(guī)模集成電路和DSP 技術(shù)的發(fā)展，FFT和IFFT 技術(shù)都非常容易實現(xiàn)，進一步推動了OFDM技術(shù)的發(fā)展。

圖4   基于FFT的OFDM原理框圖

        4)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)量。另一方面，移動終端功率一般比較小，傳輸速率較低，而基站恰恰相反。因此無論從用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的使用要求，還是從移動通信系統(tǒng)自身的要求考慮，都希望物理層支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸，而OFDM系統(tǒng)可以很容易地通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

二、OFDM原理和信號特征

    輸入的串行數(shù)據(jù)先經(jīng)過串／并信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的多路分離，然后再通過IFFT完成相應(yīng)的調(diào)制，經(jīng)過并／串信號轉(zhuǎn)換后，加入保護時間間隔也就是整個系統(tǒng)信號循環(huán)前綴，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，上變頻至高頻區(qū)將信號發(fā)射出去。接收端進行相反的過程，信道出來的信號先經(jīng)過下變頻，模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后去除整個系統(tǒng)信號的循環(huán)前綴，再通過串／并信號轉(zhuǎn)換、FFT解調(diào)、并／串信號轉(zhuǎn)換，還原得到信宿序列。

圖8   OFDM收發(fā)信機的結(jié)構(gòu)框圖

    OFDM調(diào)制原理框圖

    OFDM通過把需要發(fā)射的數(shù)據(jù)流分解為若干個并行的數(shù)據(jù)子流，這樣每個數(shù)據(jù)子流在速率上就會降低很多，然后再進行相關(guān)調(diào)制，將它們調(diào)制到一組總數(shù)為N，頻率之間的間隔相等，且又兩兩正交的子載波上。

    1.時域和頻域同步

    OFDM系統(tǒng)對定時和頻率偏移敏感，特別是實際應(yīng)用中與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結(jié)合使用時，時域和頻率同步顯得尤為重要。與其它數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，同步分為捕獲和跟蹤兩個階段，較易實現(xiàn)。在上行鏈路中來自不同移動終端的信號必須同步到達基站，才能保證子載波間的正交性?；靖鶕?jù)各移動終端發(fā)來的子載波攜帶信息進行時域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動終端，以便讓移動終端進行同步。具體實現(xiàn)時，同步將分為時域同步和頻域同步，也可以時域和頻域同時進行同步。

    接收機正常工作以前，OFDM系統(tǒng)至少要完成兩類同步任務(wù)：

    1）時域同步，要求OFDM系統(tǒng)確定符號邊界，并且提取出最佳的采樣時鐘，從而減小載波干擾(ICI)和碼間干擾(ISI)造成的影響。

    2）頻域同步，要求系統(tǒng)估計和校正接收信號的載波偏移。

        在OFDM系統(tǒng)中，只有發(fā)送和接收的子載波完全一致，才能保證載波間的正交性，從而可以正確接收信號。任何頻率偏移必然導(dǎo)致ICI。實際系統(tǒng)中，由于本地時鐘源(如晶體振蕩器)不能精確的產(chǎn)生載波頻率，總要附著一些隨機相位調(diào)制信號。結(jié)果接收機產(chǎn)生的頻率不可能與發(fā)送端的頻率完全一致。對于單載波系統(tǒng)，相位噪聲和頻率偏移只是導(dǎo)致信噪比損失，而不會引入干擾。但對于多載波系統(tǒng)，卻會造成子載波間干擾(ICI)，因此OFDM系統(tǒng)對于載波偏移比單載波系統(tǒng)要敏感，必須采取措施消除頻率偏移。

    與頻率誤差不同，時間同步誤差不會引起子載波間干擾(ICI)。但時間同步誤差將導(dǎo)致FFT處理窗包含連續(xù)的兩個OFDM符號，從而引入了OFDM符號間干擾(ISI)。并且即使FFT處理窗位置略有偏移，也會導(dǎo)致OFDM信號頻域的偏移，從而造成信噪比損失，BER性能下降。

 
圖17   FFT處理窗位置與OFDM符號的相對關(guān)系

    一個OFDM符號由保護間隔和有效數(shù)據(jù)采樣構(gòu)成，保護間隔在前，有效數(shù)據(jù)在后。如果FFT處理窗延遲放置，則FFT積分處理包含了當(dāng)前符號的樣值與下一個符號的樣值。而如果FFT處理窗超前放置，則FFT積分處理包含了當(dāng)前符號的數(shù)據(jù)部分和保護時間部分。后者不會引入碼間干擾，而前者卻可能嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

圖18   時域同步誤差對OFDM系統(tǒng)性能的影響

    圖12中采用的是512個子載波的OFDM系統(tǒng)，在白噪聲信道下仿真，子載波體制方式為差分QPSK(DQPSK)。不用信道均衡，超前放置FFT處理窗最多達六個樣值，幾乎不影響系統(tǒng)性能，但如果延遲放置FFT處理窗，如圖中的實心圖標(biāo)所示，由于存在碼間干擾，將會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。對于較小的時域同步誤差，如果增加一個短循環(huán)后綴，可以減輕ISI的影響。 

    OFDM系統(tǒng)的時頻同步處理分為捕獲和跟蹤兩個階段：

    在捕獲階段，系統(tǒng)使用比較復(fù)雜的同步算法，對較長時段的同步信息進行處理，獲得初步的系統(tǒng)同步。在跟蹤階段，可以采用比較簡單的同步算法，對于小尺度的變化進行校正。

    OFDM同步算法分類：

    1、OFDM數(shù)據(jù)幀和符號的粗同步算法

    2、OFDM符號的精細(xì)同步算法 

    3、OFDM頻域捕獲算法

    4、OFDM頻域跟蹤算法

    常用的OFDM同步算法主要分為兩類：

    1、利用循環(huán)前綴

    2、插入專門的訓(xùn)練序列

圖19   采用循環(huán)前綴實現(xiàn)OFDM的同步

    由于OFDM符號中含有循環(huán)前綴，因此每個符號的前個樣值實際上是最后個樣值的拷貝。利用這種信號結(jié)構(gòu)的冗余特性可以實現(xiàn)上圖所示的時頻同步結(jié)構(gòu)。

    基于循環(huán)前綴的同步技術(shù)，其估計精度與同步時間相互制約。如果要獲得較高的估計精度，則需要耗費很長的同步時間。因此在沒有特定訓(xùn)練序列的盲搜索環(huán)境中或者系統(tǒng)跟蹤條件下比較適用。而對于分組傳輸，同步精度要求比較高，同步時間盡可能短。為了完成這種條件下的同步，一般采用發(fā)送特殊的OFDM訓(xùn)練序列。此時整個OFDM接收信號都可以用于同步處理。

圖20  采用訓(xùn)練序列進行OFDM同步

    在匹配濾波器輸出的相關(guān)峰值處，可以同時進行符號同步和頻偏校正。注意上述的匹配濾波器操作是在接收信號進行FFT變換之前進行的。因此這一同步技術(shù)與DS-CDMA接收機中的同步非常類似。

    2.信道估計

    在OFDM系統(tǒng)中，信道估計器的設(shè)計主要有兩個問題：一是導(dǎo)頻信息的選取。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷地傳送；二是復(fù)雜度較低和導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計器的設(shè)計。在實際設(shè)計中，導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計器的設(shè)計通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因為估計器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。

    信道估計模型

    信道估計算法分為盲估計和非盲算法兩類。盲算法基于信道的統(tǒng)計特性，需要大量數(shù)據(jù)才能夠獲得好的性能，快衰落信道中收斂性會急劇惡化，系統(tǒng)性能很差。

    非盲算法又可以劃分為兩大類：數(shù)據(jù)輔助和判決指導(dǎo)算法。數(shù)據(jù)輔助模式，OFDM符號的整體或部分用于訓(xùn)練數(shù)據(jù)，利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行信道響應(yīng)估計。但增加了系統(tǒng)開銷，降低了頻譜效率。

    判決指導(dǎo)模式，類似于判決反饋均衡，可以降低系統(tǒng)開銷，提高頻譜效率。當(dāng)信道狀態(tài)劇烈變化時，會導(dǎo)致估計質(zhì)量下降，需要周期性發(fā)送訓(xùn)練符號，采用信道編碼與交織提升性能。

    導(dǎo)頻圖樣

    常用圖樣為兩類：訓(xùn)練符號與導(dǎo)頻子載波 

 
圖21   導(dǎo)頻圖樣

    導(dǎo)頻插入需滿足2維Nyquest采樣定理。導(dǎo)頻序列的功率和時頻域位置的優(yōu)化，是影響信道估計的重要因素，一般遵循如下原則。

    理論分析證明，當(dāng)總功率一定的條件下，導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)等功率分配，所獲得的信道估計MSE性能較好。

    導(dǎo)頻子載波數(shù)目不小于CIR長度，在系統(tǒng)信號有效分布的時頻范圍內(nèi)，最好在頻域等間隔分配導(dǎo)頻，并且在時域上進行交錯配置，從而獲得頻率分集增益。如圖15(b)所示。

    除均方誤差MSE準(zhǔn)則外，其它系統(tǒng)指標(biāo)，如PAPR峰平比也是導(dǎo)頻設(shè)計需要考慮的重要指標(biāo)。為了降低峰平比，一般要求導(dǎo)頻具有恒包絡(luò)性能，即具有CAZAC特性的序列(例如Zadoff-Chu序列)。

    LTE、WiMax等寬帶移動通信系統(tǒng)就是按照這些設(shè)計原則進行導(dǎo)頻圖樣分配的。

    數(shù)據(jù)輔助算法

    DA信道估計算法主要包括LS估計、LMMSE與變換域估計算法，一般的，LS估計可以作為其它算法的初始值，是信道估計的基礎(chǔ)。

    1.LS估計算法

    基于頻域LS算法得到信道響應(yīng)。

    2.插值方法

    線性插值是以增大導(dǎo)頻開銷提高估計性能。而采用多項式插值，則有可能減少導(dǎo)頻開銷。2D插值也可以應(yīng)用。所有這些插值方法可以等效為不同的低通濾波。

    3.變換域算法

    信道頻域響應(yīng)CFR具有高度相關(guān)性。采用正交變換，將CFR變換到其它域，則對應(yīng)變換域響應(yīng)具有稀疏性，只有少數(shù)重要分量取值較大，而其它分量很小，可以置為0，從而有效降低估計噪聲。這就是變換域算法的主要思想。

    4.LMMSE算法

    LMMSE由于利用了接收信噪比SNR和其它信道統(tǒng)計特性，因此其性能好于其它算法。LMMSE具有平滑/插值/外推的算法結(jié)構(gòu)，因此非常適合于導(dǎo)頻子載波模式的OFDM系統(tǒng)。但LMMSE估計算法復(fù)雜   

      各種算法的性能比較如下：

圖22   信道估計的MSE性能比較

    判決指導(dǎo)算法

    判決指導(dǎo)算法(DDCE)是另一大類OFDM信道估計算法。接收端的工作分為兩個階段：估計階段與跟蹤階段。

圖23  判決指導(dǎo)算法

    MIMO-OFDM信道估計

    在MIMO-OFDM系統(tǒng)框架下，信道估計是更具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。導(dǎo)頻圖樣需要滿足采樣定理，而且要求各天線導(dǎo)頻互不干擾。

圖24     MIMO-OFDM導(dǎo)頻圖樣

    3.編碼信道和交織

    為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是普遍采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯誤，可以采用交織技術(shù)。實際應(yīng)用中，通常同時采用信道編碼和交織，進一步改善整個系統(tǒng)的性能。在OFDM系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太嚴(yán)重，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的，因為OFDM系統(tǒng)自身具有，利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已經(jīng)被OFDM這種調(diào)制方式本身所利用了。但是OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進行編碼提供了機會，形成COFDM方式。編碼可以采用各種碼，如:：分組碼、卷積碼等，其中卷積碼的效果要比分組碼好。

    4.降低峰值平均功率比

    由于OFDM信道時域上表現(xiàn)為N個正交子載波信號的疊加，當(dāng)這N個信號恰好均以峰值疊加時，OFDM信號也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但為了不知真地傳輸這些高PAPR的OFDM信號，發(fā)送端對高功率放大器(HPA)的線性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系統(tǒng)的性能大大下降甚至直接影響實際應(yīng)用。為了解決這一問題，人們提出了基于信號畸變技術(shù)、信號擾碼技術(shù)和基于信號空間擴展等降低OFDM系統(tǒng)PAPR的方法。

圖25   不同子載波數(shù)目的CCDF

    降低OFDM信號PAPR的方法很多，大體可以分成三大類：信號預(yù)畸變技術(shù)、編碼類技術(shù)和概率類技術(shù)。

圖26   降低PAPR的方法分類

    1）信號預(yù)畸變技術(shù)

    包括限幅類技術(shù)和壓縮擴張變換。

    (1)限幅技術(shù)(Clipping)

    限幅是最簡單的方法，它直接在OFDM信號幅度峰值或附近采用非線性操作來降低信號的PAPR值，能適用于任何數(shù)目子載波構(gòu)成的系統(tǒng)。限幅相當(dāng)于對原始信號加矩形窗，如果OFDM信號幅值小于預(yù)定門限，該矩形窗函數(shù)的幅值就為1，否則幅值小于1。限幅會不可避免地產(chǎn)生信號畸變，由于信號失真引入自干擾，從而造成系統(tǒng)性能下降。

    (2)壓縮擴張變換(Companding)

    它是借鑒了PCM A律對數(shù)壓擴的原理，實現(xiàn)簡單，計算復(fù)雜度不隨子載波數(shù)目增加而增加。

    2）編碼類技術(shù)

    編碼類技術(shù)主要是對原始數(shù)據(jù)進行冗余編碼，選擇PAPR較小的碼組作為OFDM符號發(fā)送，從而避免了信號峰值。

圖27   編碼類技術(shù)

    應(yīng)用編碼方法降低PAPR的優(yōu)點是系統(tǒng)相對簡單、穩(wěn)定，降低PAPR的效果好。但是，它的缺點也非常明顯：(1)編碼調(diào)制方式受限，比如分組編碼只適用于PSK的調(diào)制方式，而不適用于基于QAM調(diào)制方式的OFDM系統(tǒng)；(2)子載波個數(shù)受限，隨著子載波數(shù)的增加，計算復(fù)雜度增大，系統(tǒng)的吞吐量嚴(yán)重下降，帶寬的利用率顯著降低；(3)數(shù)據(jù)有效速率減小，這是因為大部分的編碼方法都要引入一定的冗余信息。

    3）概率類技術(shù)

    概率類技術(shù)不是著眼于降低信號幅度的最大值，而是降低峰值出現(xiàn)的概率，一般而言，該類技術(shù)會帶來信息冗余，缺點是計算復(fù)雜度太大，要進行多次IFFT運算，并且需要可靠傳送邊信息。

    (1)相位優(yōu)化

    利用不同的加擾相位序列來對OFDM符號進行加權(quán)處理以改變其統(tǒng)計特性，主要包括選擇映射法(Selected Mapping，即SLM )、部分傳輸序列(Partial Transmit Sequences，即PTS)等。

    (2)交織技術(shù)(Interleaving)

    交織技術(shù)的原理和選擇映射類似。選擇性映射中通過使用隨機相位序列來降低多載波信號的峰均比，在交織技術(shù)中，通過使用一組交織器來達到相同的效果，交織器的作用是用來對長度為的信號序列進行重排。

    (3)沖激整形(Pulse Shaping，即PS)

    通過恰當(dāng)選擇OFDM調(diào)制中各個子載波的時域沖激波形，可以有效降低PAPR，其效果比前兩種方法要好。

    (4)多音加法

    多音加法包括多音預(yù)留(Tone Reservation，即TR)和多音內(nèi)插(Tone Injection，即TI)兩種方法。它們都是基于為原始信號增加一個獨立的時域數(shù)據(jù)塊信號以減小峰值的思想。

    TR是將某些不用承載數(shù)據(jù)的子載波提取出來，取而代之以能夠降低整個系統(tǒng)PAPR的信號，使得噪聲集中分布在SNR較低的高頻區(qū)。

    TI把降低PAPR的信號也作為信息符號參與IFFT運算，其基本思想是擴展QAM星座，使同一個數(shù)據(jù)對應(yīng)星座上多個點，恰當(dāng)?shù)剡x擇表示數(shù)據(jù)的星座點，可以極大地降低信號的PAPR值。

    (5)ACE動態(tài)星座擴展技術(shù)

    動態(tài)星座擴展技術(shù)(ACE)同TI原理類似。通過動態(tài)調(diào)整原始星座中邊界信號點的位置達到降低峰均比的目的。

    各種算法性能比較

    (1)峰均比的降低能力

    選擇算法首要考慮的因素。但是需要注意有些方法帶來了負(fù)面效果。比如：限幅技術(shù)能夠很容易的降低時域信號幅值，但是同樣帶來了帶內(nèi)失真和帶外信號擴散的負(fù)面效果；選擇性映射能達到很好的峰均比縮減效果，但是計算復(fù)雜度很高。

    (2)發(fā)送信號功率的增加

    一些降低峰均比技術(shù)需要增大發(fā)送信號的發(fā)送功率。比如TR技術(shù)發(fā)送端的部分功率被用作傳送PRC峰值降低的子載波。如果保持發(fā)送端功率不變，則某些信號的功率低于要求的正常功率，可能會帶來誤比特率的增加。

    (3)接收端誤比特率的增加

    在一些技術(shù)的運用中，如果發(fā)送端功率等于或者低于要求的正常功率，則會帶來誤比特率的增加。例如：運用動態(tài)星座擴展技術(shù)ACE，如果發(fā)送信號的功率固定不變，將會導(dǎo)致誤比特率的增大。其它一些技術(shù)比如SLM、PTS或者交織，如果附加信息的丟失同樣會導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)塊的譯碼錯誤。 

    (4)碼率的降低

    一些技術(shù)的使用要求降低碼率，比如分組碼，有四分之一的比特信息用來降低峰均比；SLM、PTS和交織也需要傳輸附加信息用于接收端準(zhǔn)確恢復(fù)原始信號。這些技術(shù)要采用合適的信道編碼，否則接收到的附加信息可能出錯，因此信道編碼的采用使得傳輸效率進一步的降低。

    (5)計算復(fù)雜度

    計算復(fù)雜度也是選擇合適算法需要考慮的問題。例如PTS和SLM為了能找到合適的降低峰均比的隨機相位序列，需要多次的迭代運算；對于交織來說，交織器越多，峰均比的減少程度就越大。一般說來，峰均比降低技術(shù)越好，那么其復(fù)雜度也就相應(yīng)的越高。

    5.均衡

    在一般的衰落環(huán)境下，OFDM系統(tǒng)的均衡不是有效改善系統(tǒng)性能的方法。因為均衡是補償多徑信道引起的碼間干擾，而OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，因此在一般情況下，OFDM系統(tǒng)就不必再做均衡了。在高度散射的信道中，信道記憶長度很長，循環(huán)前綴的長度必須很長，才能夠使ISI盡量不出現(xiàn)。但是，CP長度過長必然導(dǎo)致能量大量損失，尤其對子載波個數(shù)不是很大的系統(tǒng)。這是，可以考慮加均衡器以使CP的長度適當(dāng)減小，即通過增加系統(tǒng)的復(fù)雜性換取頻帶利用率的提高。