1 引言

　　OFDM是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，它利用載波間的正交性進一步提高頻譜利用率，且可抗窄帶干擾和多徑衰落。OFDM技術(shù)的基本原理雖早已提出，但當時的器件水平限制了其應(yīng)用。近幾年隨著技術(shù)和器件水平的發(fā)展，以及對高速和可靠傳輸?shù)囊?，OFDM技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。像歐洲的DAB，DVB-T，HiperLAN-Ⅱ，日本的ISDB-T，國際上的802．11a，AD-SL，VDSL等標準都采用了OFDM技術(shù)，在無線寬帶接人以及第4代移動通信中，OFDM技術(shù)都將成為繼CDMA技術(shù)之后的又一核心技術(shù)。

　　OFDM通過多個正交的子載波將串行的數(shù)據(jù)并行傳輸，可以增大碼元的寬度，減少單個碼元占用的頻帶，抵抗多徑引起的頻率選擇性衰落，可以有效克服碼間串擾(1S"，降低系統(tǒng)對均衡技術(shù)的要求，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸，而且信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。目前，OFDM技術(shù)都可以通過FFY技術(shù)實現(xiàn)，所以簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。但OFDM技術(shù)同時也存在缺陷，首先是對頻率偏移敏感，對同步技術(shù)的要求較高，其次，OFDM信號的峰均功率比大，對系統(tǒng)中的非線性敏感，需采用特殊技術(shù)以降低峰均功率比。

　　OFDM技術(shù)在實現(xiàn)的過程中，需要根據(jù)相應(yīng)的信道條件和系統(tǒng)要求進行合理設(shè)計，才能發(fā)揮其優(yōu)勢。系統(tǒng)的參數(shù)選擇，導頻和同步方案的設(shè)計，均衡和編碼技術(shù)的結(jié)合使用，都需要在實現(xiàn)之前進行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)合筆者的工作，通過對OFDM關(guān)鍵技術(shù)的分析研究，提出OFDM系統(tǒng)仿真的基本框架。

　　2 0FDM的基本原理

　　OFDM的基本思想是將串行的數(shù)據(jù)并行地調(diào)制在多個正交的子載波上，這樣可降低每個子載波的碼元速率，增大碼元的符號周期，提高系統(tǒng)的抗衰落和干擾的能力，同時由于每個子載波的正交性，頻譜的利用率大大提高，所以非常適合衰落移動場合中的高速傳輸。

　　OFDM傳輸系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示。

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　　以下結(jié)合OFDM傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對其實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析研究，可進一步得出仿真過程中需要注意的問題，從而給出一個基本的仿真框架。

　　3 0FDM實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 保護間隔(循環(huán)前綴／后綴)

　　在無線衰落信道中，多徑的影響導致接收信號產(chǎn)生時延擴展，因此一個碼元的波形可能擴展到其它碼元的周期中，引起碼間串擾(1S1)，這也是導致傳輸性能下降的主要原因。為避免ISI，應(yīng)使碼元周期大于多徑效應(yīng)引起的時延擴展，實際中應(yīng)大于最大多徑時延。

　　OFDM系統(tǒng)中，通過降低碼元速率使得ISI的影響降低，同時可以在每個OFDM符號之間加人保護間隔，進一步消除殘留的ISI，目前比較有效的方式是插入循環(huán)擴展(前綴和后綴，有時可以只插人循環(huán)前綴)，循環(huán)擴展的長度取決于信道的時延擴展，同時循環(huán)擴展還有一個更重要的作用，即可以實現(xiàn)系統(tǒng)的同步。循環(huán)擴展的示意圖如圖2所示。

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　　圖2中，Tofdm硼為擴展后的OFDM符號時間；r，為OFDM符號幀時間，即FFT的間隔；Tprefix為循環(huán)前綴的長度；Tpostfix為循環(huán)后綴的長度；TG=Tprefix+Tpostfix為保護間隔時間；了為系統(tǒng)的碼元周期。其中Ts=NT。

　　此處通過使用長度為／V的窗函數(shù)[RN(n)]，可更好地控制傳輸信號頻譜，降低頻偏影響，減少同步難度。

　　3.2 同步技術(shù)

　　在OFDM系統(tǒng)中，由于碼元寬度相對較寬，所以系統(tǒng)對定時偏移不是很敏感，ISI得到了很好的抑制。但由于子載波的間隔小，所以對頻率偏移比較敏感，相位噪聲對系統(tǒng)也有很大的損害。

　　定時偏移，或者說包絡(luò)的延遲失真，并不破壞子載波的正交性，定時相位偏移引起的只是所有子載波的旋轉(zhuǎn)，合適的信道估計可以有效地消除這些影響。抽樣頻率的誤差會產(chǎn)生時變的定時偏移，導致時變的相位變化，也會引入少量的載波間干擾(ICI)，實際中由于定時偏移引入的ICI非常小，Es／No為20dB時，也只有0．01dB左右。

　　相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響，其次也會引人一定量的ICI，因為相位誤差導致子載波的間隔不再是精確的1／T了。

　　頻率偏移在OFDM系統(tǒng)中是比較有害的，它將導致ICI，破壞子載波的正交性。ISI與ICI是矛盾的，一個減少，另一個會增大，由于在系統(tǒng)設(shè)計時，可以容忍一定量的ISI，所以，可盡量減少ICI，以便降低系統(tǒng)同步實現(xiàn)的難度，殘留的ISI可以通過簡單的均衡消除。頻率偏移導致FFT的間隔周期不再是一個整數(shù)，所以變換后會產(chǎn)生ICI。由資料可知，OFDM技術(shù)可接受的最大頻偏與信道信噪比及有效信噪比之差有關(guān)，通常頻率精度必須達到頻率間隔的1％-2％。

　　OFDM系統(tǒng)中主要涉及的同步有碼元同步，載波同步和采樣頻率同步。同步分為幾個過程：粗定時恢復(fù)／分組／時隙／幀同步，粗頻偏估計／校正，精頻率校正(F1T以后做)，精定時校正(F叮以后做)。

　　由于同步是OFDM技術(shù)中的一個難點，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是針對循環(huán)擴展和特殊的訓練序列以及導頻信號來進行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計算法，其中ESPRIT算法雖然估計精度高，但計算復(fù)雜，計算量大，而ML算法利用OFDM信號的循環(huán)前綴，可以有效地對OFDM信號進行頻偏和時偏的聯(lián)合估計，而且與ESPRIT算法相比，其計算量要小得多。

　　OFDM技術(shù)的同步算法研究的比較多，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)具體設(shè)計和研究，利用各種算法融合進行聯(lián)合估計才是可行的。

　　OFDM系統(tǒng)對定時頻偏的要求是小于OFDM符號間隔的4％，對頻率偏移的要求大約要小于子載波間隔的1-2％，系統(tǒng)產(chǎn)生的-3dB相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的0．01-0．1％。

　　3.3 訓練序列/導頻及信道估計技術(shù)

　　接收端使用差分檢測時不需要信道估計，但仍需要一些導頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和導頻的數(shù)量，但卻損失了信噪比。尤其是在OFDM系統(tǒng)中，系統(tǒng)對頻偏比較敏感，所以一般使用相干檢測。

　　在系統(tǒng)采用相干檢測時，信道估計是必須的。此時可以使用訓練序列和導頻作為輔助信息，訓練序列通常用在非時變信道中，在時變信道中一般使用導頻信號。在OFDM系統(tǒng)中，導頻信號是時頻二維的。為了提高估計的精度，可以插入連續(xù)導頻和分散導頻，導頻的數(shù)量是估計精度和系統(tǒng)復(fù)雜的折衷。導頻信號之間的間隔取決于信道的相干時間和相干帶寬，在時域上，導頻的間隔應(yīng)小于相干時間；在頻域上，導頻的間隔應(yīng)小于相干帶寬。圖3是導頻信號在時間和頻率上的一般模式，但實際中，導頻的模式的設(shè)計要根據(jù)具體情況而定，導頻信號的功率也可以適當大一些。

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　　信道估計器根據(jù)導頻就可以估計出信道的脈沖響應(yīng)，估計的方法比較多，匹配濾波器法、最小均方值法、最大后驗概率法等都可以根據(jù)具體的系統(tǒng)要求選用。

　　3.4 峰均功率比控制

　　根據(jù)中心極限定理，N個等載波間隔的OFDM信號可等效成均值為0、方差為02的高斯分布隨機過程("足夠大，如廳>100)。因此在某些極限時刻，不同子載波在相位和時間上可能線性疊加，可能產(chǎn)生一些很大的幅度脈沖峰值，隨著子載波數(shù)N的增大，脈沖峰值發(fā)生的概率會減少，但峰值會增大。所以在OFDM系統(tǒng)中，信號的峰值平均功率比(PAPR)起伏較大，對射頻的線性功放提出了很高的要求，發(fā)送端對高功率放大器(HPA)的線性度要求很高且發(fā)送效率極低，接收端對前端放大器以及A／D變換器的線性度要求也很高，因此應(yīng)該盡可能地降低信號的PAPR。

　　為消除這種因為過高的峰均功率比信號而使功率放大器產(chǎn)生的限幅非線性失真，提出了很多方法、如限幅加窗選擇映射方法、基于Golay序列的選擇映射方法、循環(huán)碼方法、部分發(fā)送序列相位反轉(zhuǎn)方法和基于m序列方法等。通過選擇合適的方法，PAPR的控制目前基本可以達到特定系統(tǒng)的要求，不再是限制OFDM技術(shù)應(yīng)用的主要障礙。對PAPR的要求一般控制在3dB左右，通過合適的算法可以達到此要求。

　　3.5 信道編碼和交織技術(shù)

　　在OFDM系統(tǒng)中，由于碼間串擾不是很嚴重，所以隨機誤碼得到了一定的限制，但對于突發(fā)誤碼，尤其是在軍用場合，信道編碼和交織技術(shù)還是必須的。由于OFDM信號具有時域和頻域的二維結(jié)構(gòu)特點，因此信道編碼可以很好地利用此特點，得到更好的糾錯性能。此時通過合理設(shè)計時域和頻域的交織器，可以很好地對抗突發(fā)錯誤和人為干擾。

　　因此在OFDM系統(tǒng)中，信道編碼和交織器結(jié)構(gòu)要根據(jù)OFDM信號的特點來設(shè)計，編碼的碼率和交織器的長度與OFDM系統(tǒng)的參數(shù)密切相關(guān)。

　　3.6 均衡技術(shù)

　　由于OFDM技術(shù)本身利用了衰落信道的分集特性，系統(tǒng)的碼間串擾問題已得到了很好的抑制，而均衡技術(shù)主要就是為了補償多徑信道引起的碼間干擾，因此一般情況下，OFDM系統(tǒng)可以不用均衡措施，但在一些時延擴展較嚴重的信道中，循環(huán)擴展的長度要很長，才能有效克服ISI，此時可以采用一些簡單的均衡技術(shù)來減少循環(huán)擴展的長度，而通過均衡克服殘留的ISI。

　　4 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)it

　　OFDM系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計是許多需求的一個折衷。在參數(shù)設(shè)計時，首先需要明確系統(tǒng)的3個主要的指標：帶寬、比特率和時延擴展。

　　時延擴展直接影響保護時間的設(shè)計，保護時間的長度應(yīng)該是均方根延遲擴展的2-4倍，實際設(shè)計時，保護時間一般取大于等于信道的最大時延擴展。保護時間確定后，OFDM符號幀的寬度也可以定下來。為了降低保護時間引起的信噪比損失，符號寬度希望遠大于保護時間，但是符號的寬度過大意味著更多的子載波數(shù)和更小的子載波間隔，增大了實現(xiàn)的復(fù)雜度，使得系統(tǒng)對相位噪聲和頻率偏移更加敏感，而且會增加峰均值功率比。因此實際的設(shè)計選擇是使符號寬度至少是保護時間的5倍，此時保護時間會帶來大約1dB左右的信噪比損失。符號寬度和保護時間確定后，子載波的間隔就是去掉保護時間后的符號寬度的倒數(shù)，此時根
據(jù)系統(tǒng)的帶寬就可以確定子載波的數(shù)目，每個子信道的帶寬應(yīng)小于信道的相干帶寬，子載波的數(shù)目也可以根據(jù)需要的比特率和每個子載波上的比特率來確定。每個子載波的比特率由調(diào)制的類型、信道編碼的碼率和符號率確定。同時還要使每個OFDM的符號時間小于信道的相干時間，避免產(chǎn)生時間選擇性衰落。

　　5 結(jié)論

　　OFDM技術(shù)由于其獨特的優(yōu)點，所以在無線接人和移動高速傳輸中的應(yīng)用前景非常廣闊，下一代的移動通信已經(jīng)將其作為全面提高性能的核心技術(shù)。在進行OFDM系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計之前，系統(tǒng)的仿真可優(yōu)化整個系統(tǒng)的參數(shù)和指標，縮短開發(fā)周期。筆者結(jié)合實踐經(jīng)驗，系統(tǒng)地分析了OFDM實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)，給出了系統(tǒng)設(shè)計時需要宏觀考慮的問題。并通過實例給出了OFDM系統(tǒng)仿真的基本框架，但在具體的系統(tǒng)設(shè)計中，還有很多更復(fù)雜的問題需要解決，尤其是同步技術(shù)。