关于OPDM－－－技术及原理
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OFDM(正交频分复用)技术实际上是MCM(Multi-Carrier Modulation,多载波调制)的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。
结合简要介绍OFDM的工作原理,输入数据信元的速率为R,经过串并转换后,分成M个并行的子数据流,每个子数据流的速率为R/M,在每个子数据流中的若干个比特分成一组,每组的数目取决于对应子载波上的调制方式,如PSK、QAM等。M个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT变换,将频域信号转换到时域,IFFT块的输出是N个时域的样点,再将长为Lp的CP(循环前缀)加到N个样点前,形成循环扩展的OFDM信元,因此,实际发送的OFDM信元的长度为Lp＋N,经过并/串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号,此信号经过串并转换后移去CP,如果CP长度大于信道的记忆长度时,ISI仅仅影响CP,而不影响有用数据,去掉CP也就去掉了ISI的影响。
OFDM技术之所以越来越受关注,是因为OFDM有很多独特的优点：
(1)频谱利用率很高,频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠,从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。
(2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强,由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上,大大降低了各子载波的符号速率,从而减弱多径传播的影响,若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法,甚至可以完全消除符号间干扰。
(3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道,每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”,亦即优质信道多传送,较差信道少传送,劣质信道不传送的原则
(4)通过各子载波的联合编码,可具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个信道联合编码,可以使系统性能得到提高。
(5)基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法,OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调,易用DSP实现。
wimax的核心调制技术OFDM
OFDM的基本原理
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。
2 OFDM的关键技术
2.1 同步技术
OFDM系统中,Ｎ个符号的并行传输会使符号的延续时间更长,因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说,无线信道存在时变性,在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏,相位噪声对系统也有很大的损害。
由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差,每个信号样本都一定程度地偏离它真确的采样时间,此偏差随样本数量的增加而线性增大,尽管时间偏差坏子载波之间的正交性,但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时,就可以用内插滤波器来控制真确的时间进行采样。
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信道间干扰（ICI）,因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/Ｔ了。
载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加,它们之间的正交性有严格的要求。无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移,多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。多普勒展宽会导致频率发生弥散,引起信号发生畸变。从频域上看,信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此对于要求子载波严格同步的OFDM系统来说,载波的频率偏移所带来的影响会更加严重,如果不采取措施对这种信道间干扰（ICI）加以克服,系统的性能很难得到改善。
OFDM中的同步通常包括3方面的内容：
（1）帧检测;
（2）载波频率偏差及校正;
（3）采样偏差及校正。
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。对OFDM技术的同步算法研究得比较多,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%。
2.2 PARP的解决
由于OFDM信号是有一系列的子信道信号重叠起来的,所以很容易造成较大的PAPR。大的OFDM PAPR 信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内失真。但是由于大的PARP的概率并不大,可以把大的PAPR值的OFDM信号去掉。但是把大的PAPR值的OFDM信号去掉会影响信号的性能,所以采用的技术必须保证这样的影响尽量小。一般通过以下几种技术解决：
（1）信号失真技术。采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。
（2）编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的PAPR的OFDM符号去除。
（3）扰码技术。采用扰码技术,使生成的OFDM的互相关性尽量为0,从而使OFDM的PAPR减少。这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置,典型的有PTS和SLM。
2.3 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。实际应用中,导频的模式的设计要根据具体情况而定。
结合简要介绍OFDM的工作原理,输入数据信元的速率为R,经过串并转换后,分成M个并行的子数据流,每个子数据流的速率为R/M,在每个子数据流中的若干个比特分成一组,每组的数目取决于对应子载波上的调制方式,如PSK、QAM等。M个并行的子数据信元编码交织后进行IFFT变换,将频域信号转换到时域,IFFT块的输出是N个时域的样点,再将长为Lp的CP(循环前缀)加到N个样点前,形成循环扩展的OFDM信元,因此,实际发送的OFDM信元的长度为Lp＋N,经过并/串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号,此信号经过串并转换后移去CP,如果CP长度大于信道的记忆长度时,ISI仅仅影响CP,而不影响有用数据,去掉CP也就去掉了ISI的影响。
OFDM技术之所以越来越受关注,是因为OFDM有很多独特的优点：
(1)频谱利用率很高,频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠,从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。
(2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强,由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上,大大降低了各子载波的符号速率,从而减弱多径传播的影响,若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法,甚至可以完全消除符号间干扰。
(3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道,每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。即要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”,亦即优质信道多传送,较差信道少传送,劣质信道不传送的原则
(4)通过各子载波的联合编码,可具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个信道联合编码,可以使系统性能得到提高。
(5)基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法,OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调,易用DSP实现。
wimax的核心调制技术OFDM
OFDM的基本原理
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。
2 OFDM的关键技术
2.1 同步技术
OFDM系统中,Ｎ个符号的并行传输会使符号的延续时间更长,因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说,无线信道存在时变性,在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏,相位噪声对系统也有很大的损害。
由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差,每个信号样本都一定程度地偏离它真确的采样时间,此偏差随样本数量的增加而线性增大,尽管时间偏差坏子载波之间的正交性,但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时,就可以用内插滤波器来控制真确的时间进行采样。
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信道间干扰（ICI）,因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/Ｔ了。
载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加,它们之间的正交性有严格的要求。无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移,多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。多普勒展宽会导致频率发生弥散,引起信号发生畸变。从频域上看,信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此对于要求子载波严格同步的OFDM系统来说,载波的频率偏移所带来的影响会更加严重,如果不采取措施对这种信道间干扰（ICI）加以克服,系统的性能很难得到改善。
OFDM中的同步通常包括3方面的内容：
（1）帧检测;
（2）载波频率偏差及校正;
（3）采样偏差及校正。
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。对OFDM技术的同步算法研究得比较多,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%。
2.2 PARP的解决
由于OFDM信号是有一系列的子信道信号重叠起来的,所以很容易造成较大的PAPR。大的OFDM PAPR 信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内失真。但是由于大的PARP的概率并不大,可以把大的PAPR值的OFDM信号去掉。但是把大的PAPR值的OFDM信号去掉会影响信号的性能,所以采用的技术必须保证这样的影响尽量小。一般通过以下几种技术解决：
（1）信号失真技术。采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。
（2）编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的PAPR的OFDM符号去除。
（3）扰码技术。采用扰码技术,使生成的OFDM的互相关性尽量为0,从而使OFDM的PAPR减少。这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置,典型的有PTS和SLM。
2.3 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。实际应用中,导频的模式的设计要根据具体情况而定。
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