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(jìn)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(dāng)時(shí)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(duì)高速和可靠傳輸?shù)囊?，OFDM技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。像歐洲的DAB，DVB-T，HiperLAN-Ⅱ，日本的ISDB-T，國(guó)際上的802．11a，AD-SL，VDSL等標(biāo)準(zhǔn)都采用了OFDM技術(shù)，在無(wú)線寬帶接人以及第4代移動(dòng)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(guò)多個(gè)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(gè)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?dāng)_(1S"，降低系統(tǒng)對(duì)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(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線環(huán)境中尤為重要。目前，OFDM技術(shù)都可以通過(guò)FFY技術(shù)實(shí)現(xiàn)，所以簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。但OFDM技術(shù)同時(shí)也存在缺陷，首先是對(duì)頻率偏移敏感，對(duì)同步技術(shù)的要求較高，其次，OFDM信號(hào)的峰均功率比大，對(duì)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(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，需要根據(jù)相應(yīng)的信道條件和系統(tǒng)要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)的參數(shù)選擇，導(dǎo)頻和同步方案的設(shè)計(jì)，均衡和編碼技術(shù)的結(jié)合使用，都需要在實(shí)現(xiàn)之前進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合筆者的工作，通過(guò)對(duì)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(gè)正交的子載波上，這樣可降低每個(gè)子載波的碼元速率，增大碼元的符號(hào)周期，提高系統(tǒng)的抗衰落和干擾的能力，同時(shí)由于每個(gè)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(dòng)場(chǎng)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(duì)其實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究，可進(jìn)一步得出仿真過(guò)程中需要注意的問(wèn)題，從而給出一個(gè)基本的仿真框架。

　　3 0FDM實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 保護(hù)間隔(循環(huán)前綴／后綴)

　　在無(wú)線衰落信道中，多徑的影響導(dǎo)致接收信號(hào)產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)展，因此一個(gè)碼元的波形可能擴(kuò)展到其它碼元的周期中，引起碼間串?dāng)_(1S1)，這也是導(dǎo)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(shí)延擴(kuò)展，實(shí)際中應(yīng)大于最大多徑時(shí)延。

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

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　　圖2中，Tofdm硼為擴(kuò)展后的OFDM符號(hào)時(shí)間；r，為OFDM符號(hào)幀時(shí)間，即FFT的間隔；Tprefix為循環(huán)前綴的長(zhǎng)度；Tpostfix為循環(huán)后綴的長(zhǎng)度；TG=Tprefix+Tpostfix為保護(hù)間隔時(shí)間；了為系統(tǒng)的碼元周期。其中Ts=NT。

　　此處通過(guò)使用長(zhǎng)度為／V的窗函數(shù)[RN(n)]，可更好地控制傳輸信號(hào)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(duì)較寬，所以系統(tǒng)對(duì)定時(shí)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(duì)頻率偏移比較敏感，相位噪聲對(duì)系統(tǒng)也有很大的損害。

　　定時(shí)偏移，或者說(shuō)包絡(luò)的延遲失真，并不破壞子載波的正交性，定時(shí)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(jì)可以有效地消除這些影響。抽樣頻率的誤差會(huì)產(chǎn)生時(shí)變的定時(shí)偏移，導(dǎo)致時(shí)變的相位變化，也會(huì)引入少量的載波間干擾(ICI)，實(shí)際中由于定時(shí)偏移引入的ICI非常小，Es／No為20dB時(shí)，也只有0．01dB左右。

　　相位噪聲有兩個(gè)基本的影響，其一是對(duì)所有的子載波引入了一個(gè)隨機(jī)相位變量，跟蹤技術(shù)和差分檢測(cè)可以用來(lái)降低共同相位誤差的影響，其次也會(huì)引人一定量的ICI，因?yàn)橄辔徽`差導(dǎo)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(dǎo)致ICI，破壞子載波的正交性。ISI與ICI是矛盾的，一個(gè)減少，另一個(gè)會(huì)增大，由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)現(xiàn)的難度，殘留的ISI可以通過(guò)簡(jiǎn)單的均衡消除。頻率偏移導(dǎo)致FFT的間隔周期不再是一個(gè)整數(shù)，所以變換后會(huì)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(dá)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(gè)過(guò)程：粗定時(shí)恢復(fù)／分組／時(shí)隙／幀同步，粗頻偏估計(jì)／校正，精頻率校正(F1T以后做)，精定時(shí)校正(F叮以后做)。

　　由于同步是OFDM技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是針對(duì)循環(huán)擴(kuò)展和特殊的訓(xùn)練序列以及導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)進(jìn)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(jì)算法，其中ESPRIT算法雖然估計(jì)精度高，但計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大，而ML算法利用OFDM信號(hào)的循環(huán)前綴，可以有效地對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行頻偏和時(shí)偏的聯(lián)合估計(jì)，而且與ESPRIT算法相比，其計(jì)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(jì)和研究，利用各種算法融合進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)才是可行的。

　　OFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)頻偏的要求是小于OFDM符號(hào)間隔的4％，對(duì)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(xùn)練序列/導(dǎo)頻及信道估計(jì)技術(shù)

　　接收端使用差分檢測(cè)時(shí)不需要信道估計(jì)，但仍需要一些導(dǎo)頻信號(hào)提供初始的相位參考，差分檢測(cè)可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和導(dǎo)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(duì)頻偏比較敏感，所以一般使用相干檢測(cè)。

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

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　　信道估計(jì)器根據(jù)導(dǎo)頻就可以估計(jì)出信道的脈沖響應(yīng)，估計(jì)的方法比較多，匹配濾波器法、最小均方值法、最大后驗(yàn)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(gè)等載波間隔的OFDM信號(hào)可等效成均值為0、方差為02的高斯分布隨機(jī)過(guò)程("足夠大，如廳>100)。因此在某些極限時(shí)刻，不同子載波在相位和時(shí)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(huì)減少，但峰值會(huì)增大。所以在OFDM系統(tǒng)中，信號(hào)的峰值平均功率比(PAPR)起伏較大，對(duì)射頻的線性功放提出了很高的要求，發(fā)送端對(duì)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(duì)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(hào)的PAPR。

　　為消除這種因?yàn)檫^(guò)高的峰均功率比信號(hào)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(guò)選擇合適的方法，PAPR的控制目前基本可以達(dá)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(duì)PAPR的要求一般控制在3dB左右，通過(guò)合適的算法可以達(dá)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?dāng)_不是很嚴(yán)重，所以隨機(jī)誤碼得到了一定的限制，但對(duì)于突發(fā)誤碼，尤其是在軍用場(chǎng)合，信道編碼和交織技術(shù)還是必須的。由于OFDM信號(hào)具有時(shí)域和頻域的二維結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此信道編碼可以很好地利用此特點(diǎn)，得到更好的糾錯(cuò)性能。此時(shí)通過(guò)合理設(shè)計(jì)時(shí)域和頻域的交織器，可以很好地對(duì)抗突發(fā)錯(cuò)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(hào)的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)，編碼的碼率和交織器的長(zhǎng)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?dāng)_問(wèn)題已得到了很好的抑制，而均衡技術(shù)主要就是為了補(bǔ)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(shí)延擴(kuò)展較嚴(yán)重的信道中，循環(huán)擴(kuò)展的長(zhǎng)度要很長(zhǎng)，才能有效克服ISI，此時(shí)可以采用一些簡(jiǎn)單的均衡技術(shù)來(lái)減少循環(huán)擴(kuò)展的長(zhǎng)度，而通過(guò)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(jì)是許多需求的一個(gè)折衷。在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要明確系統(tǒng)的3個(gè)主要的指標(biāo)：帶寬、比特率和時(shí)延擴(kuò)展。

　　時(shí)延擴(kuò)展直接影響保護(hù)時(shí)間的設(shè)計(jì)，保護(hù)時(shí)間的長(zhǎng)度應(yīng)該是均方根延遲擴(kuò)展的2-4倍，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，保護(hù)時(shí)間一般取大于等于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展。保護(hù)時(shí)間確定后，OFDM符號(hào)幀的寬度也可以定下來(lái)。為了降低保護(hù)時(shí)間引起的信噪比損失，符號(hào)寬度希望遠(yuǎn)大于保護(hù)時(shí)間，但是符號(hào)的寬度過(guò)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(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，使得系統(tǒng)對(duì)相位噪聲和頻率偏移更加敏感，而且會(huì)增加峰均值功率比。因此實(shí)際的設(shè)計(jì)選擇是使符號(hào)寬度至少是保護(hù)時(shí)間的5倍，此時(shí)保護(hù)時(shí)間會(huì)帶來(lái)大約1dB左右的信噪比損失。符號(hào)寬度和保護(hù)時(shí)間確定后，子載波的間隔就是去掉保護(hù)時(shí)間后的符號(hào)寬度的倒數(shù)，此時(shí)根
據(jù)系統(tǒng)的帶寬就可以確定子載波的數(shù)目，每個(gè)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(gè)子載波上的比特率來(lái)確定。每個(gè)子載波的比特率由調(diào)制的類型、信道編碼的碼率和符號(hào)率確定。同時(shí)還要使每個(gè)OFDM的符號(hào)時(shí)間小于信道的相干時(shí)間，避免產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落。

　　5 結(jié)論

　　OFDM技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以在無(wú)線接人和移動(dòng)高速傳輸中的應(yīng)用前景非常廣闊，下一代的移動(dòng)通信已經(jīng)將其作為全面提高性能的核心技術(shù)。在進(jìn)行OFDM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)之前，系統(tǒng)的仿真可優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)和指標(biāo)，縮短開(kāi)發(fā)周期。筆者結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)地分析了OFDM實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要宏觀考慮的問(wèn)題。并通過(guò)實(shí)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(jì)中，還有很多更復(fù)雜的問(wèn)題需要解決，尤其是同步技術(shù)。