OFDM的关键技术
3、OFDM的关键技术
3.1同步技术
在OFDM系统中，N个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。
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。
OFDM中的同步通常包括3方面的内容：
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%。
3.2功率峰值与均值比（PARP）的解决
OFDM包络的不恒定性可以用PAPR来表示。PAPR（PeaktoAveragePower Ratio）是峰值功率与平均功率之比。PAPR越大，系统的包络的不恒定性越大。因此要改善系统性能，就是要设法减小PAPR。
由于OFDM信号为多个正弦波的叠加，当子载波个数多到一定程度时，由中心极限定理，OFDM符号波形将是一个高斯随机过程，其包络是不恒定的。这种现象在非线性限带信道中是不希望出现的，经非线性放大器后，包络中的起伏虽然可以减弱或消除，但与此同时却使信号频谱扩展，其旁瓣将会干扰临近频道的信号。这在OFDM系统中将引起相邻信道之间的干扰，破坏其正交性。一般而言，发射机中的高频放大器HPA具有很强的非线性特征。为了不使频谱扩展得太厉害，HPA必须工作在有很大回退量（Backoff）的状态，这样会浪费很大功率。因此如果没有改善OFDM对非线性的敏感性的措施，OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统，如手机等移动设备。一般通过以下几种技术解决。
（1）限幅（Clipping）技术：是一种简单而有效的降低PAPR的方法，但是它可以导致带内信号的失真和带外频谱弥散，从而使误码率性能恶化。高速率编码是一种对信码进行的简单编码，它可以从统计特性上降低大的PAPR出现的概率。
（2）编码技术：分组编码的方法既可以绝对地降低PAPR，也具有一定的纠错能力。OFDM信号的复包络依赖于发送数据信号序列的非周期自相关函数旁瓣。如果旁瓣小，则信号的起伏就小，即PAPR小，就可以得到准恒定（Quasi-Constant）幅度信号。因此，需要寻自相关函数旁瓣小的发送信号序列。Golay二进制序列（即Complementary）就是一种旁瓣小的序列。即使是它扩展到多相位序列，也仍然满足旁瓣小的特性。可以证明，Golay序列的PAPR不超过3dB。基于互余序列的分组码的基木思想就是避免使用PAPR高的码子。通过采用基于互余序列的分组码，在PAPR的控制在3-6dB情况下，系统可以得到很大的编码增益，并改善了error-floor性能。
（3）扰码技术：采用扰码技术，使生成的OFDM的互相关性尽量为0，从而使OFDM的PAPR减少。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和SLM。
3.3训练序列和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。在实际应用中，导频模式的设计要根据具体情况而定。
4、OFDM技术的优点
（1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA
技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎。
（2）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续进行成功的通信。该技术可以自动地检测到在传输介质下，哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。
接收频道信息失败
（3）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。

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