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
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