1 引言

　　OFDM是一種特殊的多載波調制技術，它利用載波間的正交性進一步提高頻譜利用率，且可抗窄帶干擾和多徑衰落。OFDM技術的基本原理雖早已提出，但當時的器件水平限制了其應用。近幾年隨著技術和器件水平的發展，以及對高速和可靠傳輸的要求，OFDM技術的應用越來越廣泛。像歐洲的DAB，DVB-T，HiperLAN-Ⅱ，日本的ISDB-T，國際上的802．11a，AD-SL，VDSL等標準都采用了OFDM技術，在無線寬帶接人以及第4代移動通信中，OFDM技術都將成為繼CDMA技術之后的又一核心技術。

　　OFDM通過多個正交的子載波將串行的數據并行傳輸，可以增大碼元的寬度，減少單個碼元占用的頻帶，抵抗多徑引起的頻率選擇性衰落，可以有效克服碼間串擾(1S"，降低系統對均衡技術的要求，適用于多徑環境和衰落信道中的高速數據傳輸，而且信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環境中尤為重要。目前，OFDM技術都可以通過FFY技術實現，所以簡化了系統的結構。但OFDM技術同時也存在缺陷，首先是對頻率偏移敏感，對同步技術的要求較高，其次，OFDM信號的峰均功率比大，對系統中的非線性敏感，需采用特殊技術以降低峰均功率比。

　　OFDM技術在實現的過程中，需要根據相應的信道條件和系統要求進行合理設計，才能發揮其優勢。系統的參數選擇，導頻和同步方案的設計，均衡和編碼技術的結合使用，都需要在實現之前進行優化設計。結合筆者的工作，通過對OFDM關鍵技術的分析研究，提出OFDM系統仿真的基本框架。

　　2 0FDM的基本原理

　　OFDM的基本思想是將串行的數據并行地調制在多個正交的子載波上，這樣可降低每個子載波的碼元速率，增大碼元的符號周期，提高系統的抗衰落和干擾的能力，同時由于每個子載波的正交性，頻譜的利用率大大提高，所以非常適合衰落移動場合中的高速傳輸。

　　OFDM傳輸系統的基本原理框圖如圖1所示。

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　　以下結合OFDM傳輸系統中的關鍵環節，對其實現中的關鍵技術進行分析研究，可進一步得出仿真過程中需要注意的問題，從而給出一個基本的仿真框架。

　　3 0FDM實現的關鍵技術

　　3.1 保護間隔(循環前綴／后綴)

　　在無線衰落信道中，多徑的影響導致接收信號產生時延擴展，因此一個碼元的波形可能擴展到其它碼元的周期中，引起碼間串擾(1S1)，這也是導致傳輸性能下降的主要原因。為避免ISI，應使碼元周期大于多徑效應引起的時延擴展，實際中應大于最大多徑時延。

　　OFDM系統中，通過降低碼元速率使得ISI的影響降低，同時可以在每個OFDM符號之間加人保護間隔，進一步消除殘留的ISI，目前比較有效的方式是插入循環擴展(前綴和后綴，有時可以只插人循環前綴)，循環擴展的長度取決于信道的時延擴展，同時循環擴展還有一個更重要的作用，即可以實現系統的同步。循環擴展的示意圖如圖2所示。

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　　圖2中，Tofdm硼為擴展后的OFDM符號時間；r，為OFDM符號幀時間，即FFT的間隔；Tprefix為循環前綴的長度；Tpostfix為循環后綴的長度；TG=Tprefix+Tpostfix為保護間隔時間；了為系統的碼元周期。其中Ts=NT。

　　此處通過使用長度為／V的窗函數[RN(n)]，可更好地控制傳輸信號頻譜，降低頻偏影響，減少同步難度。

　　3.2 同步技術

　　在OFDM系統中，由于碼元寬度相對較寬，所以系統對定時偏移不是很敏感，ISI得到了很好的抑制。但由于子載波的間隔小，所以對頻率偏移比較敏感，相位噪聲對系統也有很大的損害。

　　定時偏移，或者說包絡的延遲失真，并不破壞子載波的正交性，定時相位偏移引起的只是所有子載波的旋轉，合適的信道估計可以有效地消除這些影響。抽樣頻率的誤差會產生時變的定時偏移，導致時變的相位變化，也會引入少量的載波間干擾(ICI)，實際中由于定時偏移引入的ICI非常小，Es／No為20dB時，也只有0．01dB左右。

　　相位噪聲有兩個基本的影響，其一是對所有的子載波引入了一個隨機相位變量，跟蹤技術和差分檢測可以用來降低共同相位誤差的影響，其次也會引人一定量的ICI，因為相位誤差導致子載波的間隔不再是精確的1／T了。

　　頻率偏移在OFDM系統中是比較有害的，它將導致ICI，破壞子載波的正交性。ISI與ICI是矛盾的，一個減少，另一個會增大，由于在系統設計時，可以容忍一定量的ISI，所以，可盡量減少ICI，以便降低系統同步實現的難度，殘留的ISI可以通過簡單的均衡消除。頻率偏移導致FFT的間隔周期不再是一個整數，所以變換后會產生ICI。由資料可知，OFDM技術可接受的最大頻偏與信道信噪比及有效信噪比之差有關，通常頻率精度必須達到頻率間隔的1％-2％。

　　OFDM系統中主要涉及的同步有碼元同步，載波同步和采樣頻率同步。同步分為幾個過程：粗定時恢復／分組／時隙／幀同步，粗頻偏估計／校正，精頻率校正(F1T以后做)，精定時校正(F叮以后做)。

　　由于同步是OFDM技術中的一個難點，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是針對循環擴展和特殊的訓練序列以及導頻信號來進行，其中較常用的有利用奇異值分解的ESPRIT同步算法和ML估計算法，其中ESPRIT算法雖然估計精度高，但計算復雜，計算量大，而ML算法利用OFDM信號的循環前綴，可以有效地對OFDM信號進行頻偏和時偏的聯合估計，而且與ESPRIT算法相比，其計算量要小得多。

　　OFDM技術的同步算法研究的比較多，需要根據具體的系統具體設計和研究，利用各種算法融合進行聯合估計才是可行的。

　　OFDM系統對定時頻偏的要求是小于OFDM符號間隔的4％，對頻率偏移的要求大約要小于子載波間隔的1-2％，系統產生的-3dB相位噪聲帶寬大約為子載波間隔的0．01-0．1％。

　　3.3 訓練序列/導頻及信道估計技術

　　接收端使用差分檢測時不需要信道估計，但仍需要一些導頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統的復雜度和導頻的數量，但卻損失了信噪比。尤其是在OFDM系統中，系統對頻偏比較敏感，所以一般使用相干檢測。

　　在系統采用相干檢測時，信道估計是必須的。此時可以使用訓練序列和導頻作為輔助信息，訓練序列通常用在非時變信道中，在時變信道中一般使用導頻信號。在OFDM系統中，導頻信號是時頻二維的。為了提高估計的精度，可以插入連續導頻和分散導頻，導頻的數量是估計精度和系統復雜的折衷。導頻信號之間的間隔取決于信道的相干時間和相干帶寬，在時域上，導頻的間隔應小于相干時間；在頻域上，導頻的間隔應小于相干帶寬。圖3是導頻信號在時間和頻率上的一般模式，但實際中，導頻的模式的設計要根據具體情況而定，導頻信號的功率也可以適當大一些。

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　　信道估計器根據導頻就可以估計出信道的脈沖響應，估計的方法比較多，匹配濾波器法、最小均方值法、最大后驗概率法等都可以根據具體的系統要求選用。

　　3.4 峰均功率比控制

　　根據中心極限定理，N個等載波間隔的OFDM信號可等效成均值為0、方差為02的高斯分布隨機過程("足夠大，如廳>100)。因此在某些極限時刻，不同子載波在相位和時間上可能線性疊加，可能產生一些很大的幅度脈沖峰值，隨著子載波數N的增大，脈沖峰值發生的概率會減少，但峰值會增大。所以在OFDM系統中，信號的峰值平均功率比(PAPR)起伏較大，對射頻的線性功放提出了很高的要求，發送端對高功率放大器(HPA)的線性度要求很高且發送效率極低，接收端對前端放大器以及A／D變換器的線性度要求也很高，因此應該盡可能地降低信號的PAPR。

　　為消除這種因為過高的峰均功率比信號而使功率放大器產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、循環碼方法、部分發送序列相位反轉方法和基于m序列方法等。通過選擇合適的方法，PAPR的控制目前基本可以達到特定系統的要求，不再是限制OFDM技術應用的主要障礙。對PAPR的要求一般控制在3dB左右，通過合適的算法可以達到此要求。

　　3.5 信道編碼和交織技術

　　在OFDM系統中，由于碼間串擾不是很嚴重，所以隨機誤碼得到了一定的限制，但對于突發誤碼，尤其是在軍用場合，信道編碼和交織技術還是必須的。由于OFDM信號具有時域和頻域的二維結構特點，因此信道編碼可以很好地利用此特點，得到更好的糾錯性能。此時通過合理設計時域和頻域的交織器，可以很好地對抗突發錯誤和人為干擾。

　　因此在OFDM系統中，信道編碼和交織器結構要根據OFDM信號的特點來設計，編碼的碼率和交織器的長度與OFDM系統的參數密切相關。

　　3.6 均衡技術

　　由于OFDM技術本身利用了衰落信道的分集特性，系統的碼間串擾問題已得到了很好的抑制，而均衡技術主要就是為了補償多徑信道引起的碼間干擾，因此一般情況下，OFDM系統可以不用均衡措施，但在一些時延擴展較嚴重的信道中，循環擴展的長度要很長，才能有效克服ISI，此時可以采用一些簡單的均衡技術來減少循環擴展的長度，而通過均衡克服殘留的ISI。

　　4 系統仿真參數設it

　　OFDM系統的參數設計是許多需求的一個折衷。在參數設計時，首先需要明確系統的3個主要的指標：帶寬、比特率和時延擴展。

　　時延擴展直接影響保護時間的設計，保護時間的長度應該是均方根延遲擴展的2-4倍，實際設計時，保護時間一般取大于等于信道的最大時延擴展。保護時間確定后，OFDM符號幀的寬度也可以定下來。為了降低保護時間引起的信噪比損失，符號寬度希望遠大于保護時間，但是符號的寬度過大意味著更多的子載波數和更小的子載波間隔，增大了實現的復雜度，使得系統對相位噪聲和頻率偏移更加敏感，而且會增加峰均值功率比。因此實際的設計選擇是使符號寬度至少是保護時間的5倍，此時保護時間會帶來大約1dB左右的信噪比損失。符號寬度和保護時間確定后，子載波的間隔就是去掉保護時間后的符號寬度的倒數，此時根
據系統的帶寬就可以確定子載波的數目，每個子信道的帶寬應小于信道的相干帶寬，子載波的數目也可以根據需要的比特率和每個子載波上的比特率來確定。每個子載波的比特率由調制的類型、信道編碼的碼率和符號率確定。同時還要使每個OFDM的符號時間小于信道的相干時間，避免產生時間選擇性衰落。

　　5 結論

　　OFDM技術由于其獨特的優點，所以在無線接人和移動高速傳輸中的應用前景非常廣闊，下一代的移動通信已經將其作為全面提高性能的核心技術。在進行OFDM系統開發設計之前，系統的仿真可優化整個系統的參數和指標，縮短開發周期。筆者結合實踐經驗，系統地分析了OFDM實現中的關鍵技術，給出了系統設計時需要宏觀考慮的問題。并通過實例給出了OFDM系統仿真的基本框架，但在具體的系統設計中，還有很多更復雜的問題需要解決，尤其是同步技術。