一种突发OFDM传输系统的设计

摘要：第四代移动通信系统要求有更高的数据传输速率、更好的传输质量且同时能很好地克服多径衰落，消除高速数据传输时严重的符号间干扰并大大提高频谱利用率，正交频分复用OFDM技术作为一种强有力的数字调制方式，以其突出的优点成为4G移动通信系统的核心技术。在多径时延、信息速率以及带宽等特定背景条件确定的情况下，根据工程经验设计了一种适应该背景条件的突发OFDM传输系统，并且确定予载波数量、符号速率、OFDM帧结构等总体参数。最后给出了该OFDM传输系统设计结构示意图。
关键词：OFDM；卷积编码；多普勒频移；定时估计

0 引言
国外对OFDM技术的研究已有近50年的历史。最初无线OFDM传输系统是用在军用无线高频通信链路中，随着数字信号处理(DSP)和超大规模集成电路(VLSI)技术的发展，OFDM技术获得了长足的进步并广泛应用于社会生活的各个方面。其应用主要有：
(1)广泛应用于音频和视频传输中，如欧洲数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)以及日本的综合业务数字广播(ISDB)等；
(2)非对称数字用户链路(ADSL)；
(3)无线局域网标准IEEE 802．11a、欧洲电信标准协会(ETSI)推出的局域网标准Hyperlan2等；
(4)无线城域网标准IEEE 802．16a；
(5)已具雏形的4G蜂窝系统(大唐TD-LTE)。
本文根据特定的背景需求，设计了一种突发OFDM系统。该特定的移动传输的背景需求如下：
(1)多径最大时延扩展τ为20μs；
(2)信息速率Rb为5～36 Mb／s；
(3)带宽W20 MHz；
(4)接收机运动速度小于80 km／h；
(5)采用突发传输模式；
(6)射频中心频率在5 GHz。
多径最大时延扩展反映了信道的恶劣程度。从以上参数可以看出，该背景需求的信道是相当恶劣的。若采用单载波传输，由于多径时延太大，接收端均衡器将过于复杂。在这种情况下，根据前面分析，采用OFDM的调制方式具有很大的优势。

1 总体参数设计
根据背景需求和工程经验，按以下步骤进行总体参数设计：
1．1 确定保护间隔
OFDM符号保护间隔的时间一般要大于最大时延扩展。因为最大时延扩展为20μs，取保护间隔即循环前缀时间长度为：Tg=25μs。
1．2 选择符号周期、有效符号长度、子载波间隔
考虑到保护间隔的引入带来的信息传输效率的损失和系统实现的复杂程度及系统的峰值平均功率比因素，在实际系统中，选择符号长度Ts至少是保护间隔的5倍，即：Ts≥125μs。
有效信息符号长度至少为保护间隔的4倍，即：Tu≥100μs。
子载波间隔为有效信息符号长度Tu的倒数，即：，其中129为插入导频数Np)，其余OFDM符号分配虚载波，数值为0。因此一个OFDM符号占用带宽和其中的有效子载波占用带宽Ws是相同的，即Ws=Nd×△f= 16．65 MHz，小于要求的20 MHz。
若Ts=125μs，若Rb取最小值为5 Mb／s，采用64QAM调制会增加系统复杂程度，考虑用QPSK调制方式代替。此时M=2，由公式(1)可计算得到Nd等于625。为了便于系统时钟控制，根据经验取有效子载波数Nd为833(，其中65为插入导频数Np)，OFDM符号中其余非有效子载波处载波值为0。因此一个OFDM符号占用带宽为8．33 MHz，远小于要求的20 MHz。
当5 Mb／sRb36 Mb／s情况下，根据以上分析可以发现，当Rb较大时，要选择高阶的QAM调制方式，且选择2 048点数的FFT变换；当Rb较小时，要选择低阶的调制方式，且选择1 024点数的FFT变换。通过选择M值、OFDM符号有效子载波个数以及OFDM符号持续时间Ts总可以满足系统设计需求，且总的系统复杂度较低。考虑到实现复杂程度，在系统设计第一阶段采用信息传输率Rb=6．144Mb／s，则Ts=125μs，调制阶数M=2(QPSK调制)，子载波个数N=1 024的设计方案(有效子载波个数为833)。OFDM符号频域上的结构如图1所示。

1．4 确定符号速率
当子载波个数确定后，根据OFDM符号的有效信息符号长度持续时间，可以确定符号速率为Fs，即：Fs=N／Tu。
若N=1 024，Tu=100μs，可以得到符号速率Fs等于10．24 MB／s。
1．5 确定过采样倍数、成型因子、中频频率、接收机A／D采样率
发端的基带信号先进行过采样，然后进行成型滤波，最后送到数模器件(D／A)进行上变频。过采样因子根据经验设为4，即符号速率为10．24 MB／s的基带信号进行过采样后符号速率变为40．96 MB／s。
经过过采样后的数据要送入成型滤波模块，根据文献可知，成型因子越大，码间干扰越小，但是OFDM带外泄漏越严重，对接收端滤波器要求越高；成型因子越小，码间干扰越大，但是OFDM带外泄漏越少，对接收端滤波器要求越低。所以，要根据实际情况，折中选择成型因子。在子载波数为N=1 024，选择不同成型因子的情况下，OFDM频谱仿真图如图2所示。