训练序列/导频及信道估计技术 - OFDM应用中的关键技术解析

　　3.3 训练序列/导频及信道估计技术

　　接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。

　　在系统采用相干检测时，信道估计是必须的。此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。在OFDM系统中，导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽，在时域上，导频的间隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小于相干带宽。图3是导频信号在时间和频率上的一般模式，但实际中，导频的模式的设计要根据具体情况而定，导频信号的功率也可以适当大一些。

 

　　信道估计器根据导频就可以估计出信道的脉冲响应，估计的方法比较多，匹配滤波器法、最小均方值法、最大后验概率法等都可以根据具体的系统要求选用。

　　3.4 峰均功率比控制

　　根据中心极限定理，N个等载波间隔的OFDM信号可等效成均值为0、方差为02的高斯分布随机过程("足够大，如厅>100)。因此在某些极限时刻，不同子载波在相位和时间上可能线性叠加，可能产生一些很大的幅度脉冲峰值，随着子载波数N的增大，脉冲峰值发生的概率会减少，但峰值会增大。所以在OFDM系统中，信号的峰值平均功率比(PAPR)起伏较大，对射频的线性功放提出了很高的要求，发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及A／D变换器的线性度要求也很高，因此应该尽可能地降低信号的PAPR。

　　为消除这种因为过高的峰均功率比信号而使功率放大器产生的限幅非线性失真，提出了很多方法、如限幅加窗选择映射方法、基于Golay序列的选择映射方法、循环码方法、部分发送序列相位反转方法和基于m序列方法等。通过选择合适的方法，PAPR的控制目前基本可以达到特定系统的要求，不再是限制OFDM技术应用的主要障碍。对PAPR的要求一般控制在3dB左右，通过合适的算法可以达到此要求。

　　3.5 信道编码和交织技术

　　在OFDM系统中，由于码间串扰不是很严重，所以随机误码得到了一定的限制，但对于突发误码，尤其是在军用场合，信道编码和交织技术还是必须的。由于OFDM信号具有时域和频域的二维结构特点，因此信道编码可以很好地利用此特点，得到更好的纠错性能。此时通过合理设计时域和频域的交织器，可以很好地对抗突发错误和人为干扰。

　　因此在OFDM系统中，信道编码和交织器结构要根据OFDM信号的特点来设计，编码的码率和交织器的长度与OFDM系统的参数密切相关。

　　3.6 均衡技术

　　由于OFDM技术本身利用了衰落信道的分集特性，系统的码间串扰问题已得到了很好的抑制，而均衡技术主要就是为了补偿多径信道引起的码间干扰，因此一般情况下，OFDM系统可以不用均衡措施，但在一些时延扩展较严重的信道中，循环扩展的长度要很长，才能有效克服ISI，此时可以采用一些简单的均衡技术来减少循环扩展的长度，而通过均衡克服残留的ISI。

　　4 系统仿真参数设it

　　OFDM系统的参数设计是许多需求的一个折衷。在参数设计时，首先需要明确系统的3个主要的指标：带宽、比特率和时延扩展。

　　时延扩展直接影响保护时间的设计，保护时间的长度应该是均方根延迟扩展的2-4倍，实际设计时，保护时间一般取大于等于信道的最大时延扩展。保护时间确定后，OFDM符号帧的宽度也可以定下来。为了降低保护时间引起的信噪比损失，符号宽度希望远大于保护时间，但是符号的宽度过大意味着更多的子载波数和更小的子载波间隔，增大了实现的复杂度，使得系统对相位噪声和频率偏移更加敏感，而且会增加峰均值功率比。因此实际的设计选择是使符号宽度至少是保护时间的5倍，此时保护时间会带来大约1dB左右的信噪比损失。符号宽度和保护时间确定后，子载波的间隔就是去掉保护时间后的符号宽度的倒数，此时根
据系统的带宽就可以确定子载波的数目，每个子信道的带宽应小于信道的相干带宽，子载波的数目也可以根据需要的比特率和每个子载波上的比特率来确定。每个子载波的比特率由调制的类型、信道编码的码率和符号率确定。同时还要使每个OFDM的符号时间小于信道的相干时间，避免产生时间选择性衰落。

　　5 结论

　　OFDM技术由于其独特的优点，所以在无线接人和移动高速传输中的应用前景非常广阔，下一代的移动通信已经将其作为全面提高性能的核心技术。在进行OFDM系统开发设计之前，系统的仿真可优化整个系统的参数和指标，缩短开发周期。笔者结合实践经验，系统地分析了OFDM实现中的关键技术，给出了系统设计时需要宏观考虑的问题。并通过实例给出了OFDM系统仿真的基本框架，但在具体的系统设计中，还有很多更复杂的问题需要解决，尤其是同步技术。