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1、 题 目 OFDM的基本原理与关键技术研究 学生姓名 陈 悠 学号 1113024080 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1103 班 指导教师 王 桂 宝 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015 年 5月31日 OFDM的基本原理和关键技术研究陈悠（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1103班，陕西 汉中 723003）指导教师：王桂宝 摘 要 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是未来移动通信中具有应用前景和竞争力的一项技术。该技术具有频谱利用率高、抗衰落
2、能力强、调制和解调容易实现等优点。但是对时频偏差非常敏感，特别是载波频率偏差。当存在频率偏差时，子载波之间的正交性遭到破坏，从而引起严重的载波间干扰。在OFDM 系统中，进行精确的时频偏差估计非常重要。因此，本论文围绕 OFDM系统中的同步问题开展研究。本文所做的工作主要有：首先，介绍了 OFDM 系统原理，对系统存在的关键技术进行了探讨，建立了OFDM仿真系统。并对系统存在的优缺点进行了分析和归纳。其次，研究了 OFDM 系统中的同步原理，并分析了系统中存在的载波同步偏差、样值同步偏差、符号定时同步偏差对系统性能造成的影响。第三，对基于循环前缀的同步算法进行了理论分析和仿真实现，提出了一种充
3、分利用循环前缀和相对应部分相关性的改进算法，这是以后研究的重点最后，对本毕业设计做出了总结和展望 关键词正交频分复用（OFDM);同步;符号定时偏移估计；频率偏移估计Research on basic principle and key technology of OFDMChenYou(Grade 11,Class 3,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 72300
4、3,China)Tutor: Wang Guibao Abstract: Orthogonal Frequency Division Multiple (OFDM) is an effective and promising technique in future mobile communications. It has efficient bandwidth utilization and the robustness against Multi-path delay, and else it is easier to implement the modulation and demodu
5、lation. But OFDM is very sensitive to symbol timing offset and carrier frequency offset. When there is a carrier frequency synchronization error in OFDM systems, the orthogonality between sub-carriers cant be maintained, serious inter-carrier interference is introduced. Therefore precise timing and
6、frequency offset estimation is very important for OFDM systems. So we study the synchronization of the OFDM systems in the thesis. Main works in the thesis: Firstly, the principle and the primary technology of OFDM systems is introduced in the article, in addition it introduces the advantages and di
7、sadvantages of the OFDM systems. Secondly, we study the synchronization principle and analyze the performance influence in OFDM systems which have the errors of timing synchronization、frequency synchronization and the sampling rate synchronization. Thirdly, the synchronization algorithm based on cyc
8、lic prefix of theory analysis and simulation implementation, put forward a kind of make full use of the cyclic prefix and the corresponding part of the correlation of the improved algorithm, which is the focus of future research. Finally, the graduation design made a summary and outlook Keywords: or
9、thogonal frequency division multiplexing；synchronization；symbol timing offset estimation；frequency offset 目录1、 绪论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状21.3 本文的主要工作及内容安排32、OFDM 系统原理及关键技术42.1 OFDM 系统原理42.1.1 OFDM 系统的基本模型42.1.2 OFDM 系统的调制和解调原理42.1.3 保护间隔和循环前缀62.1.4 建立OFDM系统仿真模型82.2 OFDM 技术的优缺点102.3 OFDM 系统的关键技术112.4 本章
10、小结123、 OFDM 系统的同步技术分析133.1 OFDM 系统中的同步原理133.2 同步偏差对 OFDM 系统性能的影响183.2.1 载波同步偏差分析183.3 OFDM 系统的同步算法183.4 本章小结204、 基于循环前缀的同步算法204.1基于循环前缀的OFDM联合同步算法204.1.1 ML估计原理204.1.2 ML算法仿真估计224.2 本章小结245、 总结与展望245.1 全文总结245.2进一步的研究工作25致谢26参考文献27 1、 绪论1.1 研究背景 近年来，移动通信技术发展迅速，已经从第一代模拟通信系统过渡到第二代数字通信系统，并已经开始第三代移动通信系统
11、的商业化部署和第四代移动通信技术标准的研究，网络的不断升级换代带来了传输速率的不断提高，第三代移动通信系统最大传输速率可达到 2Mbps。但是移动用户对信息传输速率的要求不断增加，未来移动通信将朝着高速率传输方向发展。 但是实际情况下由于无线信道的复杂性，存在不同程度的衰落和各种干扰，限制了信息速率的进一步提高。OFDM 技术可以有效克服频率选择性衰落和多径传播造成的 ISI(Inter-symbol Interference)，提高信息的传输速率，已引起了国内外广泛关注和研究。OFDM 是一种特殊的多载波传输方案，多载波调制本质上是一种频分复用(FDM, Frequency Division
12、 Multiplex)技术。FDM 技术早在 19 世纪以前就已经被提出，FDM 技术复杂性高，频谱利用率低。为了提高 FDM 技术的频谱利用率，G.A.Doelz 等在 20 世纪 50 年代提出了 Kineplex 系统1，该系统提高了系统的频谱利用率，但是此系统仍采用了传统的多载波调制2。美国军方在此时也创建了世界上第一个 MCM(Multi-carrier Modulation)系统，在 1970 年衍生出了采用大规模子载波和频谱重叠技术的 OFDM 系统。但在很长一段时间内 OFDM 技术由理论向实践迈进的过程放慢了。由于 OFDM 的各个子载波之间相互正交，S.B.Weinstei
13、n 和 P.M.Ebert 提出了使用离散傅立叶(DFT, Discrete Fourier Transform)实现多载波的基带调制和解调3，这样便不再对每个子载波都使用模拟前端，从而降低了系统的复杂度，为 OFDM 的演进过程做出了巨大的贡献。另外，Weinstein 等提出了通过插入一段空白区作为保护间隔来消除符号间干扰(ISI)2，但这种办法不能保证信号经过色散信道后各子载波仍然保持正交，为此，A.Peled 和 A.Ruiz 提出了采用循环前缀(CP , Cyclic Prefix)的方法保证信号经过色散信道后仍然保持各子载波之间正交性4。至此，现代OFDM 的概念便形成了。又由于大
14、规模集成电路和数字信号处理(DSP , Digital Signal Processing)的迅速发展，使得 OFDM 迅速登上了通信的舞台，逐步迈入数字移动通信的领域。 OFDM技术已经成功地应用于非对称数字用户线、无线本地环路、 数字音频广播、数字视频广播、无线局域网、 IEEE 802.16 Broadband Wireless Access System 等系统中。DAB 是在现有模拟 AM(Amplitude Modulation)和 FM(Frequency Modulation)音频广播的基础上发展起来的，它可以提供更优质的语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率，它所提供的语
15、音质量可以与 CD(Compact Disc)音质相媲美5。1995 年，由 ETSI(European Telecommunications Standard Institute) 制定地DAB(Digital Audio Broadcasting)标准，成为第一个使用的 ODFM 标准。接着在1997 年，基于OFDM 的 DVB(Digital Video Broadcasting)标准也开始采用。在ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)应用中， OFDM 被当作典型的离散多音频调制技术，成功地应用于有线环境中，可以在 1MHz 带宽内提供高达
16、8Mbps的数据传输速率。1998 年 7 月，经过多次修改之后，IEEE802.11 标准组决定选择 OFDM 作为 WLAN 的物理层标准6。1999 年 IEEE802.11a 通过了一个 5GHz的无线局域网标准， OFDM 调制技术作为其物理层标准。欧洲电信标准协会(ETSI)的宽带射频接入网(BRAN, Broad Radio Access Network) 的局域网标准也把OFDM 定为它的标准调制技术。 1999 年 12 月，包括 Ericsson、Nokia 和 Wi-LAN在内的 7 家公司发起了国际 OFDM 论坛，致力于策划一个基于 OFDM 技术的全球性统一标准。2
17、001年11月， OFDM 论坛的固定无线接入工作组向 IEEE802.16.3城域网委员会提交了一份建议书，提议采用 OFDM 技术作为 IEEE802.16.3 城域网的物理层(PHY , Physical Layer)标准。随着 IEEE802.11a 和 BRAN HiperLAN/2的两个标准在局域网的普及应用，OFDM 技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。 OFDM 由于其频谱利用率高、成本低等优点越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，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
18、叶变换/反变换、64/128/256QAM 的高速 Modem 技术、格状编码技术、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引入，人们开始集中精力开发 OFDM 技术在移动通信领域的应用，预计 3G(The 3rd Generation)以后移动通信的主流技术将是 OFDM 技术。但是该系统也存在一些缺点： 对频偏和相位噪声很敏感。 由于多普勒效应及发送端和接收端的振荡器带来的频率偏移，将会使子载波的正交性遭到严重的破坏，信噪比大幅度下降，使系统的误码率提升，解调性能很差，不能很好地恢复所要发送的信息。要想实现 OFDM 技术的一些优点，其同步技术是非常关键的一步，
19、 已是当今通信领域的研究热点。 因此,本文围绕 OFDM 系统中的同步问题开展研究和探索分析。1.2 国内外研究现状 OFDM 系统的同步任务包括时间同步和载波频率同步，时间同步的目的是确定 OFDM 符号的开始位置以对数据进行多载波解调，载波频率同步的任务是解决发射机和接收机由于载波频率不一致或多普勒频移造成的信号幅度衰减和子载波信道间干扰问题。其中， 时间同步通常按功能和操作过程进一步分为符号定时同步和采样时钟同步，符号同步就是确定 FFT 开窗位置，采样时钟同步是使收发两端的采样频率保持一致。在一个 OFDM 系统中，基本的同步顺序是：首先做的是符号定时同步，即找到 OFDM 符号的起始
20、位置，然后进行频率同步，包括细频率同步和粗频率同步，得到估计的频偏值之后，在把信号送入 FFT 模块解调之前，纠正频偏，消除 ICI(Inter-Carrier Interference)的影响。最后可以进行精确的定时同步，得到 FFT 的起始点。通常，定时粗同步和小数倍频偏估计可以组合成一个联合估计模块。 OFDM 系统的同步方法可分为数据辅助的同步方法和非数据辅助的同步方法。数据辅助的同步方法利用训练序列或导频符号进行同步估计，该方法捕获快、精度高而且一般计算量也较小，其缺点是降低了系统的传输效率。 在这类方法中，较早的具有代表性的一种是由 Classen 提出的方法7, 该方法利用散布在
21、两个OFDM 符号频域子载波上的导频数据进行频率的捕获和跟踪，其捕获过程是在一定范围内进行小步进的盲搜索，由于计算量很大，不能应用于具体的系统中。T. M. Schmidl 和 Cox 在文献7的基础上提出了一种改进的联合载波同步和符号定时同步的算法8， 在文献8中采用两个训练序列，第一个训练序列前后两半相同，用于符号定时和小数倍频偏估计，第二个训练序列完成整数倍频偏估计， FFT将经过小数倍频偏补偿之后的训练序列变换到频域，利用前后两个训练序列的差分关系，通过移位搜索估计整数倍频偏，该算法在每个 OFDM 符号中使用了两个训练序列，大大降低了系统的传输效率。由 Y. H. Kim 等人对文献
22、8提出了一种改进算法9,该算法用一个训练序列便能完成符号定时和频偏估计，该算法在不增加复杂度的情况下达到了同样的性能，而且还提高了系统的效率，因为只使用了一个训练序列就完成了符号定时估计和频率偏移估计。Baoguo Yang 提出了另一种基于导频的完整时间同步方案10，符号粗同步利用循环前缀的部分相关运算完成，将粗同步后的剩余误差看作物理路径的第一径时延，利用路径时延估计的方法获得符号精同步，同步跟踪主要是解决采样时钟频率偏差造成的符号定时漂移问题。文献10中的方案虽然估计精确度较高，捕获速度也比较快，但是它只能估计符号定时同步，对频偏估计无能无力。而文献9提出的算法，虽然较文献8有性能提高，
23、但是该算法在整数倍频偏估计的时候采用了矢量和的模最大化的值作为估计值，造成了估计精确度不高，论文准备利用最大似然估计理论推导出整数倍频偏估计方法，希望达到提高整数倍频偏估计的精确度的性能。 另一类是非数据辅助同步算法，即盲估计。 该类方法中分为基于虚拟子载波的同步估计和基于循环前缀的最大似然(ML, Maximum Likehood)估计。 利用虚拟子载波进行同步估计最早是由 Hui Liu 和 Ufuk Tureli 提出的算法11，被称为类MUSIC 算法。 类 MUSIC 频率同步算法估计精度高，但计算复杂度高，而且会造成系统效率的下降。Ufuk Tureli 等人为了降低类 MUSIC
24、 算法的复杂度，又提出了ESPRIT 算法12。后来文献13 通过计算接收信号自相关矩阵的秩来估计OFDM 系统的定时偏差；文献14利用冗余信息，即在接收端连续接收到的块之间的互相关特性估计频率偏差。这类算法总的特点是基于子空间的方法进行盲估计，充分利用 OFDM 信号的内在特点，不需要额外的辅助数据用于频率估计，但计算量较大，且虚拟子载波不能进行数据调制是对频率资源的浪费。 基于循环前缀的最大似然（ML）估计同步算法15由 Vanbe Beek J, Sandell M 等人首先提出的，该算法是利用循环前缀与其对应部分的相关性进行同步估计的。ML 估计具有算法简单、可以同时估计定时和频率偏移
25、、没有降低系统效率的情况下达到了估计性能等优点，但是该算法在AWGN 性能较好，不适合应用于瑞利多径信道，而且，ML算法在频偏估计时只能估计小数倍频偏估计。针对不适合瑞利多径信道，Yang-seok Choi 等人提出的在瑞利衰落信道中利用 ML 方法估计频率偏差的算法16、 还有很多文献17-20都对最大似然算法进行了改进使其适合于瑞利衰落多径信道。针对频偏估计范围较小的缺点，文献2122进行了改进，把频偏估计分为两个阶段分别进行估计。为了降低计算的复杂度，文献23-25把ML 迭代算法和迭代算法结合起来，使得很快就可以实现时频同步估计，文献26-28也针对降低复杂度进行了改进。本文针对在
26、ML 算法中，在对利用循环前缀和其相对应部分的相关性来完成同步的过程中，发现此类算法中没有完全利用两者之间的相关性，造成了估计性能的降低。基于这一点，对 ML 算法进行了详细研究分析的基础上，对原有的基于循环前缀的同步算法改进并进行性能仿真。1.3 本文的主要工作及内容安排论文主要工作及内容如下： 第一章主要讲述了论文的研究背景以及国内外研究现状。第二章给出了 OFDM 系统模型并分析了和研究了系统原理、关键技术及系统的技术特点。第三章研究了 OFDM 系统中的同步原理并分析了同步偏差对系统性能的影响，并对已有的几类同步算法进行了分析和归纳。 第四章分析了基于循环前缀的 ML 同步算法15，
27、基于循环前缀的同步算法利用循环前缀和相对应部分的相关性， 在接收端利用最大似然算法同时估计符号定时和频率的偏移，较好的恢复了符号定时偏差和小数倍频率偏移。 最后，对全文进行了总结并提出了进一步的研究工作2、OFDM 系统原理及关键技术2.1 OFDM 系统原理 OFDM 是一种无线环境下的高速传输技术，其原理是把高速的数据流通过串并变换为若干路低速的数据流，并分配到若干子信道上，即用这些低速的数据流去调制相应的子载波。这种并行传输体制扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。这些子载波是相互正交的， 调制后的频谱可以互相重叠， 从而提高了频谱利用率。另外，在 OFDM 符号之间插入保护间隔
28、(GI, Guard Interval),且令其长度大于无线信道的最大时延扩展，则可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰(ISI)。如果采用循环前缀(CP , Cyclic Prefix)作为保护间隔，就可以完全避免符号间干扰（ISI）和减少子载波间的干扰。2.1.1 OFDM 系统的基本模型 图2.1 OFDM系统的基本模型 OFDM 系统基本模型如图 2.1 所示。图中的上半部分为发送端部分，而下半部分为接收端部分。一般来说，待发送的数据首先通过串并变换成 N 路并行的比特流，各支路上的信息比特数可以根据信道的频谱特性进行优化，然后各支路上的信息比特流根据各自的调制方式分别进行星座映
29、射，得到复信号，然后经过快速傅立叶变换(IFFT, Inverse Fast Fourier Transform),再经过并串变换和加入循环前缀，通过 D/A(Digital/Analog)变换和上变频调制后，送入信道进行传输。在接收端，信号先经过下变频和 A/D (Analog /Digital)变换，然后进行时频同步，去除循环前缀，再进行傅立叶变换和信号解映射，则得到各个支路上的接收比特，再经过并串变换，得到串行的接收数据。2.1.2 OFDM 系统的调制和解调原理 每个 OFDM 符号包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到相移键控 (PSK, Phase Shift
30、 Keying) 或者正交幅度调制 (QAM, Quadrature Amplitude Modulation)符号的调制。如果N表示子信道的个数T 表示 OFDM 符号的宽度是分配给每个子信道的数据符号，是第 0 个子载波的载波频率，,则从 开始的 OFDM 符号可以表示为： （2.1） 其中实部和虚部分别对应于 OFDM 符号的同相分量和正交分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的 cos 分量和 sin 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 OFDM 符号。图 2.2 中给出了 OFDM 系统的调制和解调框图，其中。在接收端，将接收到的同相和正交矢量映射回数据信息，完成子载波解调。对式
31、（2.1）中的第 j 个子载波进行解调，然后在时间长度 T 内进行积分，即： （2.2）由式（2.2）可以看出，对第j个子载波进行解调可以恢复出期望符号。而对于其它载波来说，由于在积分间隔内，频率差别（i-j）/T可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为零。图2.2 OFDM系统的调制解调另外， 各个子载波之间满足正交性，我们既可以从时域里看出，也能从频域里看出。如图 2.3 所示为一个包含四个子载的 OFDM 符号的时域图和频域图。图2.3 包含四个子载波的时域图和频域图 图2.3中,左边为时域图，右边为频域图，从时域图可以看出，每个子载波在一个 OFDM 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各
32、个相邻子载波之间相差一个周期。各子载波信号之间满足正交性。从频域图看，在每个子载波频谱的最大值处，其他所有子信道的频谱值恰好为零。因为在对 OFDM 符号的进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，所以可以从各个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会受到其他子信道的影响。OFDM 符号频谱满足奈奎斯特准则，即多个子载波之间不存在相互干扰。若要实现上述多载波传输系统，一般需要多个振荡器和相应的带通滤波器组，系统结构非常复杂， 不能体现多载波传输技术的优势。但是，经过研究发现，上述多载波传输系统的调制和解调都可以利用逆离散傅立叶变换(IDFT,Inverse D
33、iscrete Fourier Transform)和离散傅立叶变换(DFT, Discrete Fourier Transform)实现,若使用其快速算法，则可使系统的结构大大简化，并在很大程度上提高系统的频谱利用率。实际上，式（2.1）中定义的OFDM复基带信号可以采用离散逆傅里叶变换（TDFT）L来实现。令式（2.1）中的,可以得到： (2.3)式（2.3）中，s（k）即为的IDFT逆运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号，可以对s（k）进行DFT变换，得到： (2.4)根据上述分析可以看到， OFDM 系统的调制和解调可以分别由 IDFT/DFT 来代替。通过 N 点 IDFT 运算
34、， 将频域数据符号变换为时域信号s（k），经过载波调制之后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行 N 点 DFT 运算，即可获得发送的数据符号。2.1.3 保护间隔和循环前缀应用 OFDM 的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。通过把输入数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降低N倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM 符号之间插入保护间隔(GI),而且该保护间隔长度 L 一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一
35、个符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不插任何信号，即是一段空白的传输时段，如图 2.4 所示。图2.4 插入保护间隔示意图然而在这种情况下，由于多径衰落信道传播的影响，则会产生载波间干扰, 即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰，如图 2.5 所示。由于在 FFT 运算时间长度内，第一个子载波和第二个子载波之间的周期数不再是整数，这两个子载波不再正交，所以当接收机试图对第一个子载波进行解调时，第二个子载波会对第一个子载波造成干扰。图2.5 多径情况下空白保护间隔在子载波间造成的干扰Peled 和 Ruiz 对 OFDM 技术做出了一个重大的贡献，即把循环前缀（CP）引入 OFD
36、M 以解决正交性问题29。为了克服 ICI，他们在保护间隔中加入的是OFDM 符号的循环扩展，而不是使用空白保护间隔。理论证明，在 OFDM 符号间加入循环前缀作为保护间隔，能有效地避免 ICI。由于 OFDM 信号是经过 IFFT得到的，发送的数据在频域被充分随机化，OFDM 信号可以认为是独立同分布的随机变量的线性组合。当子载波数目非常大时，由中心极限定理知其近似服从高斯分布。循环前缀的插入使得信号不再是白高斯过程，而具有一定的相关性。OFDM 系统的时频同步正是基于插入循环前缀带来的相关性进行的。由前面讲述可知，OFDM 是一种多载波调制技术，将信道分成若干正交子信道，将高速数据流转换成
37、并行的低速子数据流，并调制到每个子信道上进行传输。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道都可以看作是一个平坦衰落信道，从而可以减轻无线信道时间弥散性所带来的 ISI 影响。通过插入循环前缀的方法，可以非常有效地减轻或完全消除ISI影响。这样接收机就可以采用简单甚至不采用时域均衡器，降低了接收机设计的复杂度。OFDM各子载波间相互正交，相邻子载波频谱有1/2重叠，因此可以大大提高频谱利用率。正交调制和解调可以采用快速算法（FFT）实现,因而系统结构大大简化。但该系统也存在一些技术难题，比如：同步问题、峰均比等等一些问题。下面分析OFDM 的及技术特点以关键技术30312.1.4
38、 建立OFDM系统仿真模型通过前面介绍OFDM的基本原理，给出了系统的仿真模型。在仿真模型的基础上，用MATLAB语言编写出OFDM 系统的发送和接收端程序；结果很好的证明了仿真模型的正确性在OFDM 的仿真模型中，待传源文件经过转化为二进制数据流，进行串并变换成并行数据流，并行数据调制形成同相（I）、正交（Q）两路信号采用QAM调制方式。调制符号通过IFFT处理被调制到各个子载波上，从而形成OFDM符号。串并变化后加循环前缀，然后将待传输的信号经过数模转换器(DAC)变为连续波形，就可以送往发射机的射端进行高频载波的调制，形成发射过程。接收过程基本上是发射过程的逆过程，首先要使接收机与发射机
39、系统的时钟同步，还要考虑估计接收信号载波频率偏移，为了实现同步处理，系统会在数据帧头中加入训练序列，利用长训练字的特性，进行相关运算，进行小数倍的频偏估计，进行FFT之后，根据短训练子的相关运算，进行整数倍的频偏估计，然后通过信道估计补偿这部分的频差。信号经过同步处理和信道补偿后就可以进行QAM解调到原始信号。QAM映射调制表:通过MATLAB仿真得到了QAM 调制的映射星座图：图2.6 4-QAM调制后的星座图本程序中还得到了（图2.7图2.8）中我们可以看到接收信号由于信道的影响已经发生了畸变，接收端OFDM信号的频谱波形，是与其发端的信号的排布有关的。再发端的载波安排上，128个载波有前
40、后各32个载波是null载波（如果这前后各32个载波是带外频段，那么理论上他们应该是零），中间的64个载波是数据载波。这明显就是一个两边低，中间高的频谱形式。所以，收端也应该是这个轮廓。图2.7 发端的OFDM信号频谱图 图2.8接收端的OFDM信号频谱图2.2 OFDM 技术的优缺点 近年来，OFDM 系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于 OFDM系统有如下的优点：1. OFDM 系统把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的 ISI，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环
41、前缀的方法消除 ISI 的不利影响。2. OFDM 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因与常规的频分复用系统相比，OFDM 系统可以最大限度地利用频谱资源。3. 各个子信道中的这种正交调制和解调可以用 IDFT 和 DFT 方法来实现。对于 N 很大的系统中，我们可以通过采用快速傅立叶变换 (FFT)来实现。随着大规模集成电路技术与 DSP 技术的发展，IFFT 和 FFT 都是非常容易实现的。4. 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中的传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量，如 Internet 业务中的网页浏览、FTP(File TransferPr
42、otocol)下载等，另一方面，移动终端功率一般小于1W，在大蜂窝环境下传输速率低于10-100kbits/s;而基站发送功率可以较大，有可能提供 1Mbit/s 以上的传输速率。因此无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而 OFDM 系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。5. 由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。 但是 OFDM 系统内由于存在多个正交子载波
43、，而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在以下主要缺点：1. 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们的正交性提出了严格的要求。然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机振荡器之间存在的频率偏差，都会使得 OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道的信号相互干扰(ICI)，对频率偏差敏感是 OFDM 系统的主要缺点之一。2. 存在较高的峰值平均功率比。与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果当多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功
44、率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比(PAR)。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。3. OFDM 所采用的自适应调制技术以及加载算法会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动时速高于 30km 时，信道变化加快，刷新频率增加，用于跳频的比特开销也相应增加，因此，自适应调制会变得比较不适合，同时也会降低系统效率。2.3 OFDM 系统的关键技术OFDM 系统中涉及到的关键技术主要有：1. 时频同步技术
45、在单载波系统中，载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的衰减和相位旋转，这可以通过均衡等方法来加以克服。而对于多载波系统来说，载波频率偏移会导致子信道之间生干扰，而且对于要求子载波保持严格同步的正交频分复用系统来说，准确的同步显得更加重要。OFDM 系统中的同步一般分为捕获和跟踪两个阶段。 对于连续模式的数据传输，一般利用循环前缀和导频实现同步。而对于突发模式的数据传输，一般是通过发送训练序列来实现同步的。由于发送端和接收端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本也都有一定程度的偏离它真实的采样时间，随偏差样本的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，但通常情况下可以忽略不计。当采样
46、错误可以校正时，就可以用内插滤波器来控制准确的时间进行采样。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。多普勒展宽会导致载波频率发生弥散，使信号发生畸变。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保证。2. 降低峰值平均功率比由于 OFDM 信号是由一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成较大
47、的 PAR(Peak-to-Average Power)。大的 OFDM 的 PAR 信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内失真。但是由于出现大的 PAR 的概率并不大，可以把具有大的 PAR 值的 OFDM 信号去掉。但是把大的 PAR 值的 OFDM 信号去掉会影响信号的性能，所以采用的技术必须保证这样的影响尽量小，一般通过以下几种技术解决：(a) 信号失真技术。采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅简单地线性去除。(b) 编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的 PAPR 的 OFDM 符号去除。(c) 扰码技术。采用扰码技术可以使生成的 OFDM 的互相关性尽量为 0，从而使 OFDM 的 PAPR 减小。这里的扰码技术可以对生成的 OFDM 信号的相位进行重置，典型的有 PTS(Partial