LTEOFDM基本原理

1、OFDM基本原理介紹課程目標(biāo)：l 了解OFDM的基本概念l 了解OFDM的基本原理l 了解OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)l 理解OFDM的關(guān)鍵技術(shù)l 了解OFDM在上下行鏈路中的應(yīng)用目 錄第1章 系統(tǒng)概述11.1 無(wú)線信道傳播特性1 無(wú)線信道的大尺度衰落2 陰影衰落3 無(wú)線信道的多徑衰落3 無(wú)線信道的時(shí)變性以及多普勒頻移51.2 OFDM的基本概念71.3 OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)9第2章 OFDM的關(guān)鍵技術(shù)112.1 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴112.2 同步技術(shù)13 載波同步14 符號(hào)定時(shí)同步152.3 信道估計(jì)172.4 降峰均比技術(shù)17 限幅方法17 壓縮擴(kuò)張方法18第3章 OFDM的應(yīng)用213.1 OFDM在

2、下行鏈路中的應(yīng)用213.2 OFDM在上行鏈路中的應(yīng)用233.2.1 DFT-spread OFDM多址接入技術(shù)233.2.2 SC-FDMA多址接入技術(shù)25第1章 系統(tǒng)概述& 知識(shí)點(diǎn)無(wú)線信道傳播特性O(shè)FDM的基本概念OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)1.1 無(wú)線信道傳播特性與其他通信信道相比，移動(dòng)信道是最為復(fù)雜的一種。電波傳播的主要方式是空間波，即直射波、折射波、散射波以及它們的合成波。再加之移動(dòng)臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)，使得移動(dòng)臺(tái)與基站之間的無(wú)線信道多變并且難以控制。信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道時(shí)，會(huì)遭受各種衰落的影響，一般來(lái)說(shuō)接收信號(hào)的功率可以表達(dá)為：P(d) = |d|-n S(d)R(d)其中d表示移動(dòng)臺(tái)與基站的距離

3、向量，|d|表示移動(dòng)臺(tái)與基站的距離。根據(jù)上式，無(wú)線信道對(duì)信號(hào)的影響可以分為三種：（1） 電波中自由空間內(nèi)的傳播損耗|d|-n ，也被稱(chēng)作大尺度衰落，其中n一般為34；（2） 陰影衰落S(d)表示由于傳播環(huán)境的地形起伏，建筑物和其他障礙物對(duì)地波的阻塞或遮蔽而引起的衰落，被稱(chēng)作中等尺度衰落；（3） 多徑衰落R(d)表示由于無(wú)線電波中空間傳播會(huì)存在反射、繞射、衍射等，因此造成信號(hào)可以經(jīng)過(guò)多條路徑到達(dá)接收端，而每個(gè)信號(hào)分量的時(shí)延、衰落和相位都不相同，因此在接收端對(duì)多個(gè)信號(hào)的分量疊加時(shí)會(huì)造成同相增加，異相減小的現(xiàn)象，這也被稱(chēng)作小尺度衰落。下圖可以清晰的說(shuō)明三種衰落情況。圖 1.11 信號(hào)在無(wú)線信道中的傳

4、播特性此外，由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，還會(huì)使得無(wú)線信道呈現(xiàn)出時(shí)變性，其中一種具體表現(xiàn)就是會(huì)出現(xiàn)多普勒頻移。自由空間的傳播損耗和陰影衰落主要影響到無(wú)線區(qū)域的覆蓋，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)就可以消除這種不利影響。1.1.1 無(wú)線信道的大尺度衰落無(wú)線電波在自由空間內(nèi)傳播，其信號(hào)功率會(huì)隨著傳播距離的增加而減小，這會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)速率以及系統(tǒng)的性能帶來(lái)不利影響。最簡(jiǎn)單的大尺度路徑損耗模型可以表示為：其中Pi表示本地平均發(fā)射信號(hào)功率，Pr表示接收功率，d是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。對(duì)于典型環(huán)境來(lái)說(shuō)，路徑損耗指數(shù)一般在24中選擇。由此可以得到平均的信號(hào)噪聲比（SNR）為：其中N0是單邊噪聲功率譜密度，B是信號(hào)帶寬，K是獨(dú)立于距離、功

5、率和帶寬的常數(shù)，如果為保證可靠接收，要求SNR SNR0，其中SNR0表示信噪比門(mén)限，則路徑損耗會(huì)為比特速率帶來(lái)限制：以及對(duì)信號(hào)的覆蓋范圍帶來(lái)限制：可見(jiàn)，如果不采用其它特殊技術(shù)，則數(shù)據(jù)的符號(hào)速率以及電波的傳播范圍都會(huì)受到很大的限制，但是在一般的蜂窩系統(tǒng)中，由于小區(qū)的規(guī)模相對(duì)較小，所以這種大尺度衰落對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響并不需要單獨(dú)加以考慮。1.1.2 陰影衰落當(dāng)電磁波在空間傳播受到地形起伏、高大建筑物的阻擋，在這些障礙物后面會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影，造成場(chǎng)強(qiáng)中值的變化，從而引起衰落，被稱(chēng)作陰影衰落。與多徑衰落相比，陰影衰落是一種宏觀衰落，是以較大的空間尺度來(lái)衡量的，其中衰落特性符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其中接

6、收信號(hào)的局部場(chǎng)強(qiáng)中值變化的幅度取決于信號(hào)頻率和障礙物狀況。頻率較高的信號(hào)比低頻信號(hào)更加容易穿透障礙物，而低頻信號(hào)比較高頻率的信號(hào)具備更強(qiáng)的繞射能力。1.1.3 無(wú)線信道的多徑衰落無(wú)線移動(dòng)信道的主要特征就是多徑傳播，即接收機(jī)所接收到的信號(hào)是通過(guò)不同的直射、反射、折射等路徑到達(dá)接收機(jī)，如下圖所示。圖 1.12 無(wú)線信號(hào)的多徑傳播由于電波通過(guò)各個(gè)路徑的距離不同，因而各條路徑中發(fā)射波的到達(dá)時(shí)間、相位都不相同。不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端疊加，如果同相疊加則會(huì)使信號(hào)幅度增強(qiáng)，而反相疊加則會(huì)削弱信號(hào)幅度。這樣，接收信號(hào)的幅度將會(huì)發(fā)生急劇變化，就會(huì)產(chǎn)生衰落。例如，發(fā)射端發(fā)生一個(gè)窄脈沖信號(hào)，則在接收端可以收到多

7、個(gè)窄脈沖，每一個(gè)窄脈沖的衰落和時(shí)延以及窄脈沖的個(gè)數(shù)都是不同的，對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)送脈沖信號(hào)，下圖給出接收端所接收到的信號(hào)情況。這樣就造成了信道的時(shí)間彌散性（time dispersion），其中max被定義為最大時(shí)延擴(kuò)展。圖 1.13 多徑接收信號(hào)在傳輸過(guò)程中，由于時(shí)延擴(kuò)展，接收信號(hào)中的一個(gè)符號(hào)的波形會(huì)擴(kuò)展到其他符號(hào)當(dāng)中，造成符號(hào)間干擾（InterSymbol Interference，ISI）。為了避免產(chǎn)生ISI，應(yīng)該令符號(hào)速率要先于最大時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)，由于移動(dòng)環(huán)境十分復(fù)雜，不同地理位置，不同時(shí)間所測(cè)量到的時(shí)延擴(kuò)展都可能是不同的，因此需要采用大量測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均值。下表給出不同信道環(huán)境下的時(shí)延擴(kuò)展

8、值。表 1.1-1 不同信道環(huán)境下的時(shí)延擴(kuò)展值環(huán)境最大時(shí)延擴(kuò)展最大到達(dá)路徑差室內(nèi)40ns200ns12m16m室外1s20s300m5000m在頻域內(nèi)，與時(shí)延擴(kuò)展相關(guān)的另一個(gè)重要概念是相干帶寬，是應(yīng)用中通常用最大時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)來(lái)定義相干帶寬，即：從頻域角度觀察，多徑信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展可以導(dǎo)致頻率選擇性衰落（frequency-selective fading），即針對(duì)信號(hào)中不同的頻率成分，無(wú)線傳輸信道會(huì)呈現(xiàn)不同的隨機(jī)響應(yīng)，由于信號(hào)中不同頻率分量的衰落是不一致的，所以經(jīng)過(guò)衰落之后，信號(hào)波形就會(huì)發(fā)生畸變。由此可以看到，當(dāng)信號(hào)的頻率較高，信號(hào)帶寬超過(guò)無(wú)線信道的相干帶寬時(shí)，信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道后各頻率分量的變

9、化是不一樣的，引起信號(hào)波形的失真，造成符號(hào)間干擾，此時(shí)就認(rèn)為發(fā)生了頻率選擇性衰落；反之，當(dāng)信號(hào)的傳輸速率較低，信道帶寬小于相干帶寬時(shí)，信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道后各頻率分量都受到相同的衰落，因而衰落波形不會(huì)失真，沒(méi)有符號(hào)間干擾，則認(rèn)為信號(hào)只是經(jīng)歷了平衰落，即非頻率選擇性衰落。相干帶寬是無(wú)線信道的一個(gè)特性，至于信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道時(shí)，是出現(xiàn)頻率選擇性衰落還是平衰落，這要取決于信號(hào)本身的帶寬。1.1.4 無(wú)線信道的時(shí)變性以及多普勒頻移當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行通信時(shí)，接收信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生變化，成為多普勒效應(yīng)，這是任何波動(dòng)過(guò)程都具有的特性。以可見(jiàn)光為例，假設(shè)一個(gè)發(fā)光物體在遠(yuǎn)處以固定的頻率發(fā)出光波，我們可以接收到的頻率應(yīng)

10、該是與物體發(fā)出的頻率相同?，F(xiàn)在假定該物體開(kāi)始向我們運(yùn)動(dòng)，但光影發(fā)出第二個(gè)波峰時(shí)，它距我們的距離應(yīng)該要比發(fā)出第一個(gè)波峰到達(dá)我們的時(shí)間，因此兩個(gè)波峰到達(dá)我們的時(shí)間間隔變小了，與此相應(yīng)我們接收到的頻率就會(huì)增加，相反，當(dāng)發(fā)光物體遠(yuǎn)離我們而去的時(shí)候，我們就受到的頻率就要減小，這就是多普勒效應(yīng)的原理。在天體物理學(xué)中，天文學(xué)家利用多普勒效應(yīng)可以判斷出其他星系的恒星都在遠(yuǎn)離我們而去，從而得出宇宙是在不斷膨脹的結(jié)論。這種稱(chēng)為多普勒效應(yīng)的頻率和速率的關(guān)系是我們?nèi)粘Ｊ煜さ?，例如我們?cè)诼愤吢?tīng)汽車(chē)汽笛的聲音：當(dāng)汽車(chē)接近我們時(shí)，其汽笛音調(diào)變高（對(duì)應(yīng)頻率增加）；而當(dāng)它駛離我們時(shí)，汽笛音調(diào)又會(huì)變地（對(duì)應(yīng)頻率減?。?。信道的時(shí)變

11、性是指信道的傳遞函數(shù)是隨時(shí)間而變化的，即在不同的時(shí)刻發(fā)送相同的信號(hào)，在接收端收到的信號(hào)是不相同的，如下圖所示。圖 1.14 多徑造成的信道時(shí)變性時(shí)變性在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)之一就是多普勒頻移（Doppler shift），即單一頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)變衰落信道之后會(huì)呈現(xiàn)為具有一定帶寬和頻率包絡(luò)的信號(hào)，如下圖所示。這又可稱(chēng)為信道的頻率彌散性（frequency dispersion）。圖 1.15 多普勒頻移造成的信道頻率彌散性當(dāng)移動(dòng)臺(tái)向入射波方向移動(dòng)時(shí)，多普勒頻移為正，即移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)頻率會(huì)增加；如果背向入射波方向移動(dòng)，則多普勒頻移為負(fù)，即移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)頻率會(huì)減小。由于存在多普勒頻移，所以

12、當(dāng)單一頻率信號(hào)（f0）到達(dá)接收端的時(shí)候，其頻譜不再是位于頻率軸± f0處的單純函數(shù)，而是分布在（）內(nèi)的、存在一定寬度的頻譜。下表給出兩種載波情況下不同移動(dòng)速度時(shí)的最大多普勒頻移數(shù)值。表1.1-2 最大多普勒頻偏（Hz）速度載波100km/h75 km/h50 km/h25 km/h900MHz836242212GHz1851399346從時(shí)域來(lái)看，與多普勒頻移相關(guān)的另一個(gè)概念就是相干時(shí)間，即：相干時(shí)間是信道沖擊響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值。換句話說(shuō)，相干時(shí)間就是指一段時(shí)間間隔，在此間隔內(nèi)，兩個(gè)到達(dá)信號(hào)有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。如果基帶信號(hào)帶寬的倒數(shù)，一般指符號(hào)寬度大于無(wú)線信道的相干時(shí)

13、間，那么信號(hào)的波形就可能會(huì)發(fā)生變化，造成信號(hào)的畸變，產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落，也稱(chēng)為快衰落；反之，如果符號(hào)的寬度小于相干時(shí)間，則認(rèn)為是非時(shí)間選擇性衰落，即慢衰落。自由空間的傳播損耗和陰影衰落主要影響到無(wú)線區(qū)域的覆蓋，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)就可以消除這種不利影響。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，重點(diǎn)要解決時(shí)間選擇性衰落和頻率選擇性衰落。采用OFDM技術(shù)可以很好的解決這兩種衰落對(duì)無(wú)線信道傳輸造成的不利影響。1.2 OFDM的基本概念在傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，整個(gè)信號(hào)頻段被劃分為N個(gè)相互不重疊的頻率子信道。每個(gè)子信道傳輸獨(dú)立的調(diào)制符號(hào)，然后再將N個(gè)子信道進(jìn)行頻率復(fù)用。這種避免信道頻譜重疊看起來(lái)有利于消除信道間的干擾，但是這樣

14、又不能有效利用頻譜資源。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用，是一種能夠充分利用頻譜資源的多載波傳輸方式。常規(guī)頻分復(fù)用與OFDM的信道分配情況如下圖所示?？梢钥闯鯫FDM至少能夠節(jié)約二分之一的頻譜資源。圖 1.21 常規(guī)頻分復(fù)用與OFDM的信道分配OFDM的主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，如下圖所示。圖 1.22 OFDM基本原理OFDM利用快速傅立葉反變換（IFFT）和快速傅立葉變換（FFT）來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，如下圖所示。圖 1.23 調(diào)制解調(diào)過(guò)

15、程O(píng)FDM的調(diào)制解調(diào)流程如下：1. 發(fā)射機(jī)在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為低速并行，利用正交的多個(gè)子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；2. 各個(gè)子載波使用獨(dú)立的調(diào)制器和解調(diào)器；3. 各個(gè)子載波之間要求完全正交、各個(gè)子載波收發(fā)完全同步；4. 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)要精確同頻、同步，準(zhǔn)確進(jìn)行位采樣；5. 接收機(jī)在解調(diào)器的后端進(jìn)行同步采樣，獲得數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)為高速串行。在向B3G/4G演進(jìn)的過(guò)程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集，時(shí)空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度的提高系統(tǒng)性能。20世紀(jì)50年代OFDM的概念就已經(jīng)被提出，但是受限于上面的步驟2、3，傳統(tǒng)的模擬技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)正交的子載波，因此早期沒(méi)

16、有得到廣泛的應(yīng)用。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，和等人提出采用FFT實(shí)現(xiàn)正交載波調(diào)制的方法，為OFDM的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此后，為了克服通道多徑效應(yīng)和定時(shí)誤差引起的ISI符號(hào)間干擾，A.Peled和A.Ruizt提出了添加循環(huán)前綴的思想。1.3 OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)OFDM系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注，其原因在于OFDM系統(tǒng)存在如下主要優(yōu)點(diǎn)：l 把高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)增加，從而可以有效地減小無(wú)線信道的時(shí)間彌散所帶愛(ài)的ISI，這樣就減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，有時(shí)甚至可以不采用均衡器，僅通過(guò)采用插入循環(huán)前綴的方法消除ISI的不利影響。l OFDM系統(tǒng)由于各個(gè)

17、子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。l 各個(gè)子信道中這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用快速傅立葉變換（FFT）和快速傅立葉反變換（IFF）來(lái)實(shí)現(xiàn)。l 無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對(duì)稱(chēng)性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，如Internet業(yè)務(wù)中的網(wǎng)頁(yè)瀏覽、FTP下載等。另一方面，移動(dòng)終端功率一般小于1W，在大蜂窩環(huán)境下傳輸速率低于10kbit/s100kbit/s；而基站發(fā)送功率可以較大，有可能提供1Mbit/s以上的傳輸速率。因此無(wú)論從用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的使用需求，還是從移動(dòng)通信系統(tǒng)自身的要求考慮，都希望物

18、理層支持非對(duì)稱(chēng)高速數(shù)據(jù)傳輸，而OFDM系統(tǒng)可以很容易地通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。l 由于無(wú)線信道存在頻率選擇性，不可能所有的子載波都同時(shí)處于比較深的衰落情況中，因此可以通過(guò)動(dòng)態(tài)比特分配以及動(dòng)態(tài)子信道的分配方法，充分利用信噪比較高的子信道，從而提高系統(tǒng)的性能。l OFDM系統(tǒng)可以容易與其他多種接入方法相結(jié)合使用，構(gòu)成OFDMA系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多個(gè)用戶可以同時(shí)利用OFDM技術(shù)進(jìn)行信息的傳遞。l 因?yàn)檎瓗Ц蓴_只能影響一小部分的子載波，因此OFDM系統(tǒng)可以在某種程度上抵抗這種窄帶干擾。但是OFD

19、M系統(tǒng)內(nèi)由于存在多個(gè)正交子載波，而去其輸出信號(hào)是多個(gè)子信道的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在如下主要缺點(diǎn)：l 易受頻率偏差的影響：由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對(duì)它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求，然而由于無(wú)線信道存在時(shí)變性，在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的頻率偏移，例如多普勒頻移，或者由于發(fā)射機(jī)載波頻率與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)使得OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，從而導(dǎo)致子信道間的信號(hào)相互干擾，這種對(duì)頻率偏差敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。l 存在較高的峰值平均功率比：與單載波系統(tǒng)相比，由于多載波調(diào)制系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此如果多個(gè)信號(hào)的香味一致時(shí)，所得到的

20、疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比（PAPR）。這就對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求，如果放大器的動(dòng)態(tài)范圍不能滿足信號(hào)的變化，則會(huì)為信號(hào)帶來(lái)畸變，使疊加信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個(gè)子信道信號(hào)之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生相互干擾，使系統(tǒng)性能惡化。第2章 OFDM的關(guān)鍵技術(shù)& 知識(shí)點(diǎn)保護(hù)間隔和循環(huán)前綴同步技術(shù)信道估計(jì)降峰均比技術(shù)2.1 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴采用OFDM的一個(gè)主要原因是它可以有效地對(duì)抗多徑時(shí)延擴(kuò)展。通過(guò)把輸入的數(shù)據(jù)流串并變換到N個(gè)并行的子信道中，使得每個(gè)用于調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符號(hào)周期可以擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號(hào)周期的N倍，因此時(shí)延擴(kuò)展與符

21、號(hào)周期的比值也同樣降低N倍。為了最大限度地消除符號(hào)間干擾，還可以在每個(gè)OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔（guard interval），而且該保護(hù)間隔長(zhǎng)度Tg一般要大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾。在這段保護(hù)間隔內(nèi)，可以不插入任何信號(hào)，即是一段空閑的傳輸時(shí)段。然而在這種情況中，由于多徑傳播的影響，則會(huì)產(chǎn)生信道間干擾（ICI），即子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間產(chǎn)生干擾，如下圖所示。圖 2.11 空閑保護(hù)間隔引起ICI由于每個(gè)OFDM符號(hào)中都包括所有的非零子載波信號(hào)，而且也同時(shí)會(huì)出現(xiàn)該OFDM符號(hào)的時(shí)延信號(hào)，因此上圖中給出了第一個(gè)子載波和第二個(gè)

22、子載波的延時(shí)信號(hào)，從圖中可以看出，由于在FFT運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，第一子載波與帶有延時(shí)的第二子載波之間的周期個(gè)數(shù)之差不再是整數(shù)，所以當(dāng)接收機(jī)試圖對(duì)第一子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，第二子載波會(huì)對(duì)此造成干擾。同樣，當(dāng)接收機(jī)對(duì)第二子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，有時(shí)會(huì)存在來(lái)自第一子載波的干擾。為了消除由于多徑所造成的ICI，OFDM符號(hào)需要在其保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號(hào)，見(jiàn)下圖。這樣就可以保證在FFT周期內(nèi)，OFDM符號(hào)的延時(shí)副本內(nèi)包含的波形的周期個(gè)數(shù)也是整數(shù)。這樣，時(shí)延小于保護(hù)間隔Tg的時(shí)延信號(hào)就不會(huì)再解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生ICI。圖 2.12 OFDM符號(hào)的循環(huán)前綴通常，當(dāng)保護(hù)間隔占到20%時(shí)，功率損失也不到1dB。但是帶來(lái)的信息

23、速率損失達(dá)20%，而在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中存在信息速率（帶寬）的損失。但是插入保護(hù)間隔可以消除ISI和多徑所造成的ICI的影響，因此這個(gè)代價(jià)是值得的。加入保護(hù)間隔之后基于IDFT（IFFT）的OFDM系統(tǒng)框圖如下所示。圖 2.13 IFFT實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制并加入循環(huán)前綴上圖給出了采用IFFT實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制并加入循環(huán)前綴的過(guò)程：輸入串行數(shù)據(jù)信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)串/并轉(zhuǎn)換，串/并轉(zhuǎn)換之后輸出的并行數(shù)據(jù)就是要調(diào)制到相應(yīng)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)，相應(yīng)的這些數(shù)據(jù)可以看成是一組位于頻域上的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)IFFT之后，出來(lái)的一組并行數(shù)據(jù)是位于離散的時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，這樣IFFT就實(shí)現(xiàn)了頻域到時(shí)域的轉(zhuǎn)換。下面以一種QPSK調(diào)制

24、的數(shù)據(jù)給出了一組OFDM符號(hào)的傳輸情況。圖 2.14 OFDM符號(hào)2.2 同步技術(shù)同步在通信系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位。例如，當(dāng)采用同步解調(diào)或相干檢測(cè)時(shí)，接收機(jī)需要提取一個(gè)與發(fā)射載波同頻同相的載波；同時(shí)還要確定符號(hào)的起始位置等。一般的通信系統(tǒng)中存在如下的同步問(wèn)題：l 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的載波頻率不同；l 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的采樣頻率不同；l 接收機(jī)不知道符號(hào)的定時(shí)起始位置。OFDM符號(hào)由多個(gè)子載波信號(hào)疊加構(gòu)成，各個(gè)子載波之間利用正交性來(lái)區(qū)分，因此確保這種正交性對(duì)于OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，因此它對(duì)載波同步的要求也就相對(duì)較嚴(yán)格。在OFDM系統(tǒng)中存在如下幾個(gè)方面的同步要求：l 載波同步：接收端的振蕩頻率

25、要與發(fā)送載波同頻同相；l 樣值同步：接收端和發(fā)射端的抽樣頻率一致；l 符號(hào)定時(shí)同步：IFFT和FFT起止時(shí)刻一致。與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對(duì)同步精度的要求更高，同步偏差會(huì)在OFDM系統(tǒng)中引起ISI及ICI。下圖顯示了OFDM系統(tǒng)中的同步要求，并且大概給出各種同步在系統(tǒng)中所處的位置。圖 2.21 OFDM系統(tǒng)內(nèi)的同步示意圖2.2.1 載波同步發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的頻率偏差導(dǎo)致接收信號(hào)在頻域內(nèi)發(fā)生偏移。如果頻率偏差是子載波間隔的n（n為整數(shù)）倍，雖然子載波之間仍然能夠保持正交，但是頻率采用值已經(jīng)偏移了n個(gè)子載波的位置，造成映射在OFDM頻譜內(nèi)的數(shù)據(jù)符號(hào)的誤碼率高達(dá)0.5。如果載波頻率偏差不是子

26、載波間隔的整數(shù)倍，則在子載波之間就會(huì)存在能量的“泄漏”，導(dǎo)致子載波之間的正交性遭到破壞，從而在子載波之間引入干擾，使得系統(tǒng)的誤碼率性能惡化。下圖給出了載波同步與失步情況下的性能比較。圖 2.22 載波同步與載波不同步情況示意圖通常我們通過(guò)兩個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)載波同步，即捕獲（acquisition）模式和跟蹤（tracing）模式。在跟蹤模式中，只需要處理很小的頻率波動(dòng)；但是當(dāng)接收機(jī)處于捕獲模式時(shí)，頻率偏差可以較大，可能是子載波間隔的若干倍。接收機(jī)中第一階段的任務(wù)就是要盡快地進(jìn)行粗略頻率估計(jì)，解決載波的捕獲問(wèn)題；第二階段的任務(wù)就是能夠鎖定并且執(zhí)行跟蹤任務(wù)。把上述同步任務(wù)分為兩個(gè)階段的好處是：由于每一階

27、段內(nèi)的算法只需要考慮其特定階段內(nèi)所要求執(zhí)行的任務(wù)，因此可以在設(shè)計(jì)同步結(jié)構(gòu)中引入較大的自由度。這也就意味著，在第一階段（捕獲階段）內(nèi)只需要考慮如何在較大的捕獲范圍內(nèi)粗略估計(jì)載波頻率，不需要考慮跟蹤性能如何；而在第二階段（跟蹤階段）內(nèi)，只需要考慮如何獲得較高的跟蹤性能。2.2.2 符號(hào)定時(shí)同步由于在OFDM符號(hào)之間插入了循環(huán)前綴保護(hù)間隔，因此OFDM符號(hào)定時(shí)同步的起始時(shí)刻可以在保護(hù)間隔內(nèi)變化，而不會(huì)造成ICI和ISI，如下圖所示。圖 2.23 OFDM符號(hào)定時(shí)同步的起始時(shí)刻只有當(dāng)FFT運(yùn)算窗口超出了符號(hào)邊界，或者落入符號(hào)的幅度滾降區(qū)間，才會(huì)造成ICI和ISI。因此，OFDM系統(tǒng)對(duì)符號(hào)定時(shí)同步的要求

28、會(huì)相對(duì)較寬松，但是在多徑環(huán)境中，為了獲得最佳的系統(tǒng)性能，需要確定最佳的符號(hào)定時(shí)。盡管符號(hào)定時(shí)的起點(diǎn)可以在保護(hù)間隔內(nèi)任意選擇，但是容易得知，任何符號(hào)定時(shí)的變化，都會(huì)增加OFDM系統(tǒng)對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的敏感程度，因此系統(tǒng)所能容忍的時(shí)延擴(kuò)展就會(huì)低于其設(shè)計(jì)值。為了盡量減小這種負(fù)面的影響，需要盡量減小符號(hào)定時(shí)同步的誤差。當(dāng)前提出的關(guān)于多載波系統(tǒng)的符號(hào)定時(shí)同步和載波同步大都采用插入導(dǎo)頻符號(hào)的方法，這會(huì)導(dǎo)致帶寬和功率資源的浪費(fèi)，降低系統(tǒng)的有效性。實(shí)際上，幾乎所有的多載波系統(tǒng)都采用插入保護(hù)間隔的方法來(lái)消除符號(hào)間串?dāng)_。為了克服了導(dǎo)頻符號(hào)浪費(fèi)資源的缺點(diǎn)，我們通常利用保護(hù)間隔所攜帶的信息完成符號(hào)定時(shí)同步和載波頻率同步的最大

29、似然估計(jì)算法。圖 2.24 載波和符號(hào)同步方法中使用的OFDM框圖同步是OFDM系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的問(wèn)題，同步性能的優(yōu)劣直接影響到OFDM技術(shù)能否真正被用于無(wú)線通信領(lǐng)域。在OFDM系統(tǒng)中，存在多種級(jí)別的同步：載波同步、符號(hào)定時(shí)同以及樣值同步，其中每一級(jí)別的同步都會(huì)對(duì)OFDM系統(tǒng)性能造成影響。這里我們首先分析了OFDM系統(tǒng)內(nèi)不同級(jí)別的同步問(wèn)題，然后在此基礎(chǔ)上介紹了幾種分別用于載波同步和符號(hào)定時(shí)同步的方法。通過(guò)分析可以看到，只要合理地選擇適當(dāng)?shù)耐椒椒?，就可以在OFDM系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步，從而為其在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.3 信道估計(jì)加入循環(huán)前周后的OFDM系統(tǒng)可以等效為N個(gè)獨(dú)立的并行子信

30、道。如果不考慮信道噪聲，個(gè)子信道上的接收信號(hào)等于各自子信道上的發(fā)送信號(hào)與信道的頻譜特性的乘積。如果通過(guò)估計(jì)方法預(yù)先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號(hào)與信道的頻譜特性相除，即可實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的正確解調(diào)。常見(jiàn)的信道估計(jì)方法有基于導(dǎo)頻信道和基于導(dǎo)頻符號(hào)（參考信號(hào)）這兩種，多載波系統(tǒng)具有時(shí)頻二維結(jié)構(gòu)，因此采用導(dǎo)頻符號(hào)的輔助信道估計(jì)更靈活。導(dǎo)頻符號(hào)輔助方法是在發(fā)送端的信號(hào)中某些固定位置插入一些已知的符號(hào)和序列，在接收端利用這些導(dǎo)頻符號(hào)和導(dǎo)頻序列按照某些算大進(jìn)行信道估計(jì)。在單載波系統(tǒng)中，導(dǎo)頻符號(hào)和導(dǎo)頻序列只能在時(shí)間軸方向插入，在接收端提取導(dǎo)頻符號(hào)估計(jì)信道脈沖響應(yīng)。在多載波系統(tǒng)中，可以同時(shí)在時(shí)間軸和頻

31、率軸兩個(gè)方向插入導(dǎo)頻符號(hào)，在接收端提取導(dǎo)頻符號(hào)估計(jì)信道傳輸函數(shù)。只要導(dǎo)頻符號(hào)在時(shí)間和頻率方向上的間隔相對(duì)于信道帶寬足夠小，就可以采用二維內(nèi)插如濾波的方法來(lái)估計(jì)信道傳輸函數(shù)。2.4 降峰均比技術(shù)除了對(duì)頻率偏差敏感之外，OFDM系統(tǒng)的另一個(gè)主要缺點(diǎn)就是峰值功率與平均功率比，簡(jiǎn)稱(chēng)峰均比（PAPR）過(guò)高的問(wèn)題。即與單載波系統(tǒng)相比，由于OFDM符號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過(guò)調(diào)制的 信號(hào)相加而成的，這樣的合成信號(hào)就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，由此會(huì)帶來(lái)較大的峰值平均功率比。信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)是最簡(jiǎn)單最直接的降低系統(tǒng)內(nèi)峰均比的方法。在信號(hào)被送到放大器之前，首先經(jīng)過(guò)非線性處理，對(duì)有較大峰值功率的信號(hào)進(jìn)行預(yù)畸變，使其不會(huì)超

32、出放大器的動(dòng)態(tài)變化范圍，從而避免降低較大的PAPR的出現(xiàn)。最常用的信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)包括限幅和壓縮擴(kuò)張方法。2.4.1 限幅方法信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性部件之前進(jìn)行限幅，就可以使得峰值信號(hào)低于所期望的最大電平值。盡管限幅非常簡(jiǎn)單，但是它也會(huì)為OFDM系統(tǒng)帶來(lái)相關(guān)的問(wèn)題。首先，對(duì)OFDM符號(hào)幅度進(jìn)行畸變，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成自身干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的BER性能降低。其次，OFDM信號(hào)的非線性畸變會(huì)導(dǎo)致帶外輻射功率值的增加，其原因在于限幅操作可以被認(rèn)為是OFDM采樣符號(hào)與矩形窗函數(shù)相乘，如果OFDM信號(hào)的幅值小于門(mén)限值時(shí)，則該矩形窗函數(shù)的幅值為1；而如果信號(hào)幅值需要被限幅時(shí)，則該矩形窗函數(shù)的幅值應(yīng)該小于1。根據(jù)時(shí)域相乘等

33、效于頻域卷積的原理，經(jīng)過(guò)限幅的OFDM符號(hào)頻譜等于原始OFDM符號(hào)頻譜與窗函數(shù)頻譜的卷積，因此其帶外頻譜特性主要由兩者之間頻譜帶寬較大的信號(hào)來(lái)決定，也就是矩形窗函數(shù)的頻譜來(lái)決定。為了克服矩形窗函數(shù)所造成的帶外輻射過(guò)大的問(wèn)題，可以利用其他的非矩形窗函數(shù)，如下圖所示。圖 2.41 對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行時(shí)域加窗總之，選擇窗函數(shù)的原則就是：其頻譜特性比較好，而且也不能在時(shí)域內(nèi)過(guò)長(zhǎng)，避免對(duì)更多個(gè)時(shí)域采樣信號(hào)造成影響。2.4.2 壓縮擴(kuò)張方法除了限幅方法之外，還有一種信號(hào)預(yù)畸變方法就是對(duì)信號(hào)實(shí)施壓縮擴(kuò)張。在傳統(tǒng)的擴(kuò)張方法中，需要把幅度比較小的符號(hào)進(jìn)行放大，而大幅度信號(hào)保持不變，一方面增加了系統(tǒng)的平均發(fā)射功率

34、，另一方面使得符號(hào)的功率值更加接近功率放大器的非線性變化區(qū)域，容易造成信號(hào)的失真。因此給出一種改進(jìn)的壓縮擴(kuò)張變換方法。在這種方法中，把大功率發(fā)射信號(hào)壓縮，而把小功率信號(hào)進(jìn)行放大，從而可以使得發(fā)射信號(hào)的平均功率相對(duì)保持不變。這樣不但可以減小系統(tǒng)的PAPR，而且還可以使得小功率信號(hào)抗干擾的能力有所增強(qiáng)。律壓縮擴(kuò)張方法可以用于這種方法中，在發(fā)射端對(duì)信號(hào)實(shí)施壓縮擴(kuò)張操作，而在接收端要實(shí)施逆操作，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信號(hào)。壓縮擴(kuò)張變化的OFDM系統(tǒng)基帶簡(jiǎn)圖如下所示。圖 2.42 壓縮擴(kuò)張變化的OFDM系統(tǒng)基帶簡(jiǎn)圖第3章 OFDM的應(yīng)用3.1 OFDM在下行鏈路中的應(yīng)用LTE系統(tǒng)下行鏈路采用OFDMA，Ortho

35、gonal Frequency Division Multiple Access，正交頻分多址接入方式，是基于OFDM的應(yīng)用。OFDMA將傳輸帶寬劃分成相互正交的子載波集，通過(guò)將不同的子載波集分配給不同的用戶，可用資源被靈活的在不同移動(dòng)終端之間共享，從而實(shí)現(xiàn)不同用戶之間的多址接入。這可以看成是一種OFDM+FDMA+TDMA技術(shù)相結(jié)合的多址接入方式。如下圖所示：如果將OFDM本身理解為一種傳輸方式，圖（a）顯示出就是將所有的資源包括時(shí)間、頻率都分配給了一個(gè)用戶，OFDM融入FDMA的多址方式后如圖（b）所示，就可以將子載波分配給不同的用戶進(jìn)行使用，此時(shí)OFDM+FDMA與傳統(tǒng)的FDMA多址接入

36、方式最大的不同就是，分配給不同用戶的相鄰載波之間是部分重疊的。一旦在時(shí)間對(duì)載波資源加以動(dòng)態(tài)分配就構(gòu)成了OFDM+FDMA+TDMA的多址方式，如圖（c）所示，根據(jù)每個(gè)用戶需求的數(shù)據(jù)傳輸速率、當(dāng)時(shí)的信道質(zhì)量對(duì)頻率資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。圖 3.11 基于OFDM的多址方式在OFDMA系統(tǒng)中，可以為每個(gè)用戶分配固定的時(shí)間-頻率方格圖，使每個(gè)用戶使用特定的部分子載波，而且各個(gè)用戶之間所用的子載波是不同的，如下圖所示。圖 3.12 固定分配子載波的OFDMA方案時(shí)頻示意圖OFDMA方案中，還可以很容易的引入跳頻技術(shù)，即在每個(gè)時(shí)隙中，可以根據(jù)跳頻圖樣來(lái)選擇每個(gè)用戶所使用的子載波頻率。這樣允許每個(gè)用戶使用不同的

37、跳頻圖樣進(jìn)行跳頻，就可以把OFDMA系統(tǒng)變化成為跳頻CDMA系統(tǒng)，從而可以利用跳頻的優(yōu)點(diǎn)為OFDM系統(tǒng)帶來(lái)好處。跳頻OFDMA的最大好處在于為小區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶設(shè)計(jì)正交跳頻圖樣，從而可以相對(duì)容易地消除小區(qū)內(nèi)的干擾，如下圖所示。圖 3.13 跳頻OFDMA方案OFDMA把跳頻和OFDM技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一種靈活的多址方案，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：l OFDMA系統(tǒng)可以不受小區(qū)內(nèi)干擾的影響，因此OFDMA系統(tǒng)可以獲得更大的系統(tǒng)容量；l OFDMA可以靈活的適應(yīng)貸款要求。OFDMA通過(guò)簡(jiǎn)單地改變所使用的子載波數(shù)量，就可以適用于特定的傳輸帶寬。l 當(dāng)用戶的傳輸速率提高時(shí)，OFDMA與動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)結(jié)合使用，可支持高速數(shù)據(jù)的傳輸。3.2 OFDM在上行鏈路中的應(yīng)用OFDM系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此，如果多個(gè)信號(hào)的相位一致，所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)的平均功率。PAPR高，對(duì)發(fā)射機(jī)的線性度提出了很高的要求。所以在上行鏈路，基于OFDM的多址接入技術(shù)并不適合用在UE側(cè)使用。LTE上行鏈路所采用的SC-FDMA多址接入技術(shù)基