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％。

　　OFDM系统中主要涉及的同步有码元同步，载波同步和采样频率同步。同步分为几个过程：粗定时恢复／分组／时隙／帧同步，粗频偏估计／校正，精频率校正(F1T以后做)，精定时校正(F叮以后做)。

　　由于同步是OFDM技术中的一个难点，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法，其中ESPRIT算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而ML算法利用OFDM信号的循环前缀，可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与ESPRIT算法相比，其计算量要小得多。

　　OFDM技术的同步算法研究的比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。

　　OFDM系统对定时频偏的要求是小于OFDM符号间隔的4％，对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的1-2％，系统产生的-3dB相位噪声带宽大约为子载波间隔的0．01-0．1％。