OFDM应用中的关键技术解析

　　1 引言

　　OFDM是一种特殊的多载波调制技术，它利用载波间的正交性进一步提高频谱利用率，且可抗窄带干扰和多径衰落。OFDM技术的基本原理虽早已提出，但当时的器件水平限制了其应用。近几年随着技术和器件水平的发展，以及对高速和可靠传输的要求，OFDM技术的应用越来越广泛。像欧洲的DAB，DVB-T，HiperLAN-Ⅱ，日本的ISDB-T，国际上的802．11a，AD-SL，VDSL等标准都采用了OFDM技术，在无线宽带接人以及第4代移动通信中，OFDM技术都将成为继CDMA技术之后的又一核心技术。

　　OFDM通过多个正交的子载波将串行的数据并行传输，可以增大码元的宽度，减少单个码元占用的频带，抵抗多径引起的频率选择性衰落，可以有效克服码间串扰(1S"，降低系统对均衡技术的要求，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输，而且信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。目前，OFDM技术都可以通过FFY技术实现，所以简化了系统的结构。但OFDM技术同时也存在缺陷，首先是对频率偏移敏感，对同步技术的要求较高，其次，OFDM信号的峰均功率比大，对系统中的非线性敏感，需采用特殊技术以降低峰均功率比。

　　OFDM技术在实现的过程中，需要根据相应的信道条件和系统要求进行合理设计，才能发挥其优势。系统的参数选择，导频和同步方案的设计，均衡和编码技术的结合使用，都需要在实现之前进行优化设计。结合笔者的工作，通过对OFDM关键技术的分析研究，提出OFDM系统仿真的基本框架。

　　2 0FDM的基本原理

　　OFDM的基本思想是将串行的数据并行地调制在多个正交的子载波上，这样可降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和干扰的能力，同时由于每个子载波的正交性，频谱的利用率大大提高，所以非常适合衰落移动场合中的高速传输。

　　OFDM传输系统的基本原理框图如图1所示。

 

　　以下结合OFDM传输系统中的关键环节，对其实现中的关键技术进行分析研究，可进一步得出仿真过程中需要注意的问题，从而给出一个基本的仿真框架。

　　3 0FDM实现的关键技术

　　3.1 保护间隔(循环前缀／后缀)

　　在无线衰落信道中，多径的影响导致接收信号产生时延扩展，因此一个码元的波形可能扩展到其它码元的周期中，引起码间串扰(1S1)，这也是导致传输性能下降的主要原因。为避免ISI，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展，实际中应大于最大多径时延。

　　OFDM系统中，通过降低码元速率使得ISI的影响降低，同时可以在每个OFDM符号之间加人保护间隔，进一步消除残留的ISI，目前比较有效的方式是插入循环扩展(前缀和后缀，有时可以只插人循环前缀)，循环扩展的长度取决于信道的时延扩展，同时循环扩展还有一个更重要的作用，即可以实现系统的同步。循环扩展的示意图如图2所示。

 

　　图2中，Tofdm硼为扩展后的OFDM符号时间；r，为OFDM符号帧时间，即FFT的间隔；Tprefix为循环前缀的长度；Tpostfix为循环后缀的长度；TG=Tprefix+Tpostfix为保护间隔时间；了为系统的码元周期。其中Ts=NT。

　　此处通过使用长度为／V的窗函数[RN(n)]，可更好地控制传输信号频谱，降低频偏影响，减少同步难度。

　　3.2 同步技术

　　在OFDM系统中，由于码元宽度相对较宽，所以系统对定时偏移不是很敏感，ISI得到了很好的抑制。但由于子载波的间隔小，所以对频率偏移比较敏感，相位噪声对系统也有很大的损害。

　　定时偏移，或者说包络的延迟失真，并不破坏子载波的正交性，定时相位偏移引起的只是所有子载波的旋转，合适的信道估计可以有效地消除这些影响。抽样频率的误差会产生时变的定时偏移，导致时变的相位变化，也会引入少量的载波间干扰(ICI)，实际中由于定时偏移引入的ICI非常小，Es／No为20dB时，也只有0．01dB左右。

　　相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响，其次也会引人一定量的ICI，因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1／T了。

　　频率偏移在OFDM系统中是比较有害的，它将导致ICI，破坏子载波的正交性。ISI与ICI是矛盾的，一个减少，另一个会增大，由于在系统设计时，可以容忍一定量的ISI，所以，可尽量减少ICI，以便降低系统同步实现的难度，残留的ISI可以通过简单的均衡消除。频率偏移导致FFT的间隔周期不再是一个整数，所以变换后会产生ICI。由资料可知，OFDM技术可接受的最大频偏与信道信噪比及有效信噪比之差有关，通常频率精度必须达到频率间隔的1％-2％。

　　OFDM系统中主要涉及的同步有码元同步，载波同步和采样频率同步。同步分为几个过程：粗定时恢复／分组／时隙／帧同步，粗频偏估计／校正，精频率校正(F1T以后做)，精定时校正(F叮以后做)。

　　由于同步是OFDM技术中的一个难点，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法，其中ESPRIT算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而ML算法利用OFDM信号的循环前缀，可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与ESPRIT算法相比，其计算量要小得多。

　　OFDM技术的同步算法研究的比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。

　　OFDM系统对定时频偏的要求是小于OFDM符号间隔的4％，对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的1-2％，系统产生的-3dB相位噪声带宽大约为子载波间隔的0．01-0．1％。

　　3.3 训练序列/导频及信道估计技术

　　接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。

　　在系统采用相干检测时，信道估计是必须的。此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。在OFDM系统中，导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽，在时域上，导频的间隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小于相干带宽。图3是导频信号在时间和频率上的一般模式，但实际中，导频的模式的设计要根据具体情况而定，导频信号的功率也可以适当大一些。

 

　　信道估计器根据导频就可以估计出信道的脉冲响应，估计的方法比较多，匹配滤波器法、最小均方值法、最大后验概率法等都可以根据具体的系统要求选用。

　　3.4 峰均功率比控制

　　根据中心极限定理，N个等载波间隔的OFDM信号可等效成均值为0、方差为02的高斯分布随机过程("足够大，如厅>100)。因此在某些极限时刻，不同子载波在相位和时间上可能线性叠加，可能产生一些很大的幅度脉冲峰值，随着子载波数N的增大，脉冲峰值发生的概率会减少，但峰值会增大。所以在OFDM系统中，信号的峰值平均功率比(PAPR)起伏较大，对射频的线性功放提出了很高的要求，发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及A／D变换器的线性度要求也很高，因此应该尽可能地降低信号的PAPR。

　　为消除这种因为过高的峰均功率比信号而使功率放大器产生的限幅非线性失真，提出了很多方法、如限幅加窗选择映射方法、基于Golay序列的选择映射方法、循环码方法、部分发送序列相位反转方法和基于m序列方法等。通过选择合适的方法，PAPR的控制目前基本可以达到特定系统的要求，不再是限制OFDM技术应用的主要障碍。对PAPR的要求一般控制在3dB左右，通过合适的算法可以达到此要求。

　　3.5 信道编码和交织技术

　　在OFDM系统中，由于码间串扰不是很严重，所以随机误码得到了一定的限制，但对于突发误码，尤其是在军用场合，信道编码和交织技术还是必须的。由于OFDM信号具有时域和频域的二维结构特点，因此信道编码可以很好地利用此特点，得到更好的纠错性能。此时通过合理设计时域和频域的交织器，可以很好地对抗突发错误和人为干扰。

　　因此在OFDM系统中，信道编码和交织器结构要根据OFDM信号的特点来设计，编码的码率和交织器的长度与OFDM系统的参数密切相关。

　　3.6 均衡技术

　　由于OFDM技术本身利用了衰落信道的分集特性，系统的码间串扰问题已得到了很好的抑制，而均衡技术主要就是为了补偿多径信道引起的码间干扰，因此一般情况下，OFDM系统可以不用均衡措施，但在一些时延扩展较严重的信道中，循环扩展的长度要很长，才能有效克服ISI，此时可以采用一些简单的均衡技术来减少循环扩展的长度，而通过均衡克服残留的ISI。

　　4 系统仿真参数设it

　　OFDM系统的参数设计是许多需求的一个折衷。在参数设计时，首先需要明确系统的3个主要的指标：带宽、比特率和时延扩展。

　　时延扩展直接影响保护时间的设计，保护时间的长度应该是均方根延迟扩展的2-4倍，实际设计时，保护时间一般取大于等于信道的最大时延扩展。保护时间确定后，OFDM符号帧的宽度也可以定下来。为了降低保护时间引起的信噪比损失，符号宽度希望远大于保护时间，但是符号的宽度过大意味着更多的子载波数和更小的子载波间隔，增大了实现的复杂度，使得系统对相位噪声和频率偏移更加敏感，而且会增加峰均值功率比。因此实际的设计选择是使符号宽度至少是保护时间的5倍，此时保护时间会带来大约1dB左右的信噪比损失。符号宽度和保护时间确定后，子载波的间隔就是去掉保护时间后的符号宽度的倒数，此时根
据系统的带宽就可以确定子载波的数目，每个子信道的带宽应小于信道的相干带宽，子载波的数目也可以根据需要的比特率和每个子载波上的比特率来确定。每个子载波的比特率由调制的类型、信道编码的码率和符号率确定。同时还要使每个OFDM的符号时间小于信道的相干时间，避免产生时间选择性衰落。

　　5 结论

　　OFDM技术由于其独特的优点，所以在无线接人和移动高速传输中的应用前景非常广阔，下一代的移动通信已经将其作为全面提高性能的核心技术。在进行OFDM系统开发设计之前，系统的仿真可优化整个系统的参数和指标，缩短开发周期。笔者结合实践经验，系统地分析了OFDM实现中的关键技术，给出了系统设计时需要宏观考虑的问题。并通过实例给出了OFDM系统仿真的基本框架，但在具体的系统设计中，还有很多更复杂的问题需要解决，尤其是同步技术。