由于人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的迫切需求,OFDM 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。随着DSP芯片技术的发展,傅立叶变换/反变换、高速Modem采用的64/128/256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入,人们已开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用.预计第三代以后的移动通信的主流技术将是OFDM技术。
20世纪中期,人们提出了频带混叠的多载波通信方案,选择相互之间正交的载波频率作子载波,也就是我们所说的正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想,OFDM既能充分利用信道带宽,也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。
目前,OFDM已经被国外的多个标准采用,如IEEE802.11a和ETSI(欧洲通信标准学会)的HiperL-AN/2标准同样采用OFDM作为调制方式,有线传输系统的应用也同样采用了基于OFDM的调制复用技术,如在xDSL中的离散多音频系统和有线调制器应用。
OFDM是一种特殊的多载波调制技术,用户的信息首先要经过串行到并行的转换,转变成多个低速率的数据码流,通过编码之后,调制为射频信号,传统的调制技术在同一个时刻只能用一种频率进行数据的传送,而OFDM则可以在正交的频率上同时发送多路信号,可以说是并行的传送多路信号,这样OFDM能够充分地利用信道的带宽。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波,而是通过快速傅立叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。
OFDM尽管还是一种频分复用(FDM),但已完全不同于过去的FDM。OFDM的接收机实际上是通过FFT实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频,然后在一个码元周期内积分,其他载波信号由于与所积分的信号正交,因此不会对信息的提取产生影响。OFDM的数据传输速率也与子载波的数量有关。
OFDM系统的子载波可以自适应地根据信道的情况选择调制方式,并且能够实现在各种调制方式之间的切换。选择和切换的原则是频谱利用率和误码率之间的平衡选择。在通常的通信系统中,为了保持一定的可靠性,选择通过采用功率控制和自适应调制协调工作的技术。信道好的时候,发射功率不变,可以增强调制方式(如64QAM),或者在低调制(如QPSK)时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡,也就是说对于一个远端发射台,它有良好的信道,若发送功率保持不变,可使用较高的调制方案如64QAM;若功率可以减小,调制方案也相应降低,可使用QPSK。
①帧检测,②载波频率偏差及校正,③采样偏差及校正。
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。对OFDM技术的同步算法研究得比较多,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[%]。
(1)编码:在基于OFDM调制技术的系统中,编码采用Reed-Solomon码、卷积纠错码、维特比码或TURBO码。
(2)交织:交织器用于降低在数据信道中的突发错误,交织后的数据通过一个串并行转换器,将IQ映射到一个相应的星座图上。在这里I代表同相信号,Q代表正交信号。
(3)数字调制:在OFDM方式中,采用星座图将符号映射到相应的星座点上。这一过程产生IQ值,它们被过滤并送到IFFT上进行变换。
(4)插入导频:为了能够使接收稳定,在每48个子载波中插入4个导频信息。
(5)串并转换:使串行输入的信号以并行的方式输出到M条线路上。这M条线路上的任何一条上的数据传输速率则为R/M码字/秒。
(6)快速傅立叶逆变换:快速傅立叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此,用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了处理。
(7)并串转换:用于将并行数据转换为串行数据。
(8)插入循环前缀并加窗:循环前缀为单个的OFDM符号创建一个保护带,在信噪比边缘损耗中被丢掉,以极大地减少符号间干扰。
由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差,每个信号样本都一定程度地偏离它正确的采样时间,此偏差随样本数量的增加而线性增大,尽管时间偏差破坏子载波之间的正交性,但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时,就可以用内插滤波器来控制正确的时间进行采样。
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,其次也会引入一定量的信道间干扰(ICI),因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/T了。
载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加,它们之间的正交性有严格的要求。无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移,多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。多普勒展宽会导致频率发生弥散,引起信号发生畸变。从频域上看,信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此对于要求子载波严格同步的OFDM系统来说,载波的频率偏移所带来的影响会更加严重,如果不采取措施对这种信道间干扰(ICI)加以克服,系统的性能很难得到改善。
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