摘 要:在无线移动通信中,要求提供高速率和高质量的通信服务,而正交频分复用(OFDM)技术因具有频带利用率高和抗多径能力强等优点,近年来正受到广泛的重视,成为第四代移动通信系统的核心技术之一。在对该技术的基本思想介绍的基础上,分别对其优缺点进行了分析,且详细地阐述了OFDM系统中的关键技术及存在的问题。
关键词:正交频分复用; 峰平比; 同步; 符号间干扰; 信道间干扰
中图分类号:TN914 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)07-0077-04
Research on Orthogonal Frequency Division Multiplexing System and Its Key Technology
ZHAO Ze-wen
(Shanghai People′s Armed Police Corps, Shanghai 200336, China)
Abstract: The high-velocity and high-quality communication service is required in wireless communication applications. For the advantages of high bandwidth efficiency and strong ability of anti-multipath, the orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) has been attached wide importance and became one of the core technology in 4 G. Based on the introduction to the basic idea of OFDM system, the advantages and disadvantages are analyzed respectively. The key technologies and the existing problems in OFDM system are discussed in detail.
Keywords: orthogonal frequency division multiplexing; peak-to-average power ration; synchronization; ISI; ICI
0 引 言
随着通信技术的不断发展和成熟,人类社会正在进入一个新的信息化时代,宽带、高速已成为当今通信领域的发展趋势之一,3G在通信容量与质量方面将远远不能满足人们日益增长的通信需求。因此,世界各国在推动3G通信系统商业化的同时,已经将重点放在新一代移动通信系统上,使其可以容纳更多的用户数,进一步改善现有的通信质量,达到高速数据传输的需求。新一代通信系统具有更高的数据速率和频谱利用率,更高的安全性、智能型和灵活性,更高的传输质量和更好的业务质量。因此,在新一代移动通信系统性能指标的要求下,为了克服多径衰落、消除高速数据传输时严重的ISI,并大大提高频谱利用率,必须寻求新型的调制技术。
从物理层技术层面上看,3G以后的移动通信系统有三种备选方案:正交频分复用(OFDM)、超宽带(UWB)和空时处理(STP)[1]。其中,又以OFDM最受瞩目。OFDM技术使用多个较低速的正交子载波传输单个高速数据流,是高速无线通信系统中具有广阔应用前景的一种特殊的多载波调制技术。该技术具有频谱利用率高、抗多径和脉冲噪声、在高效带宽利用率情况下具有高速传输能力、能根据信道条件对子载波进行灵活调制及功率分配等优点;同时也存在一些需要解决的问题,对降低峰平比、同步、信道估计和信道编码等关键技术需要进一步的研究[2]。OFDM技术已经在数字音频广播、数字电视以及无线局域网等无线高速数据传输系统中广泛应用,成为高速宽带无线通信中极具竞争力的候选关键技术[3]。
1 OFDM系统及其优缺点
1.1 OFDM系统的基本思想
在无线信道有限频谱资源的条件下,如何稳定、可靠、有效地传输高速率的数据,已成为当今人们研究的热点。在传统的串行体制中,符号是逐次发送的,每一个数据符号的频谱允许占用所有的可利用带宽。在系统调制方式一定的条件下,信号占用带宽与信息速率成正比,当信息速率很高时,信号的占用带宽也将很高。对无线信道来说最重要的特性就是多径传播,多径传播将导致信道对不同的频率产生不同的衰减,在信道的幅频特性上出现零点和极点,传播波形的频谱将受到严重畸变,即频率选择性衰落。为实现高速数据传输,传统的串行体制必须使用均衡器来克服频率选择性衰落。当多径时延很大时,横向滤波器必须很长,滤波器的抽头数也将很多,而且在时变信道中,滤波器的抽头增益必须要能实时地跟踪信道的变化,这就需要采用高效的自适应算法,增加系统实现的复杂度[4]。
多载波调制技术(MCM)的出现就缓和了串行体制存在的这些问题。多载波调制本质上是一频分复用技术(FDM),OFDM是多载波调制技术应用于无线传播环境的典型代表,是实现复杂度低、应用最广的一种多载波传输方案[5]。OFDM技术的基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输,从而使各子载波上的符号速率大幅度降低。OFDM允许子载波频谱部分重叠,只要能满足子载波之间相互正交就可以从混叠的子载波上分理出数据信息。由于OFDM允许子载波频谱混叠,其频谱效率大大提高,因而是一种高效的调制方式。从时域上看,低速的子数据流的符号周期长,相同的时延扩展造成的符号间干扰比串行体制小,在采用循环前缀时,更可完全消除符号间干扰的影响。从频域上看,子信道带宽远小于相关带宽,在每个子信道上衰落是平坦的,频率选择性衰落仅影响系统中的一个或几个子信道,利用子信道之间的相关信息,可以恢复受干扰信道上的数据,从而有效地使衰落引起的错误随机化,因而OFDM调制技术可以有效地对抗频率选择性衰落。由于把整个可利用带宽划分成许多子信道,因此单个子信道上的频率相应很平坦,只需简单的均衡算法就能够使每个子信道的均方误差达到最小化,如采用差分编码甚至可以不用均衡。
1.2 OFDM系统的优点
1.2.1 抗干扰能力强
OFDM技术可以有效地抵抗频率选择性能衰落。通过串/并变换,OFDM技术把单路高速率数据流分解成多路低速率的子数据流,使调制符号的有效持续时间远大于信道的最大时延扩展,减少了系统对信道时延扩展的敏感程度,能在较大失真和突发脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效的保护,大大减小了ISI。同时通过添加循环前缀,可以很好地克服多径效应引起的ICI,保持子载波之间的正交性。
1.2.2 频谱利用率高
在OFDM系统中,由于各个子载波之间存在正交性,又允许子载波的频谱相互交叠,因此OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。随着子载波数目的增加,OFDM信号的合成频谱非常接近于矩形,其频带利用率可以接近100%。
1.2.3 系统结构简单
OFDM系统具有优良的抗多径干扰性能和直观的信道估计方法,无须设计单载波系统所需的复杂均衡器。随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展,IFFT和FFT的实现变得非常容易。因此,采用IFFT/FFT技术快速实现OFDM信号的调制和解调可以大大降低OFDM系统的实现复杂性,更进一步推动了OFDM技术的应用和发展。
1.2.4 易与其他多址方式相结合
OFDM系统能与其他多种多址方式相结合使用,其中包括多载波码分多址MC-CDMA,OFDM-TDMA以及跳频OFDM等,使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息传输。
1.2.5 动态子载波和比特分配
由于无线信道存在频率选择性,但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及动态子信道分配的方法,充分利用信噪比较高的子信道,从而提高系统的性能。通过信道估计技术,OFDM系统可以采用自适应调制机制使不同的子载波按照信道情况和背景噪声的不同,使用不同的调制方式。
1.3 OFDM系统存在的缺点
1.3.1 存在较高的峰平比(PAPR)
OFDM信号由多个正交子载波信号组成,这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。与任何多载波调制系统一样,OFDM系统也面临着峰平比(PAPR)过大的问题。由于传送的数据是一个随机过程,OFDM信号的幅值也是一个随机过程。根据中心极限定理,如果子载波的数目足够大(N≥64),OFDM信号的幅值将服从高斯分布。因此,OFDM信号的峰值功率和平均功率之比很大,即同传统的恒包络的调制方法相比,OFDM调制存在很高的峰平比。在某个时刻,如果多个子载波以同一个方向相加,就会产生很大的峰值,从而要求发射机内的功率放大器具有很大的线性区域。否则,当信号峰值进入放大器的非线性区域时,就会使接收信号产生畸变,产生子载波之间的互调干扰和带外辐射,破坏子载波之间的正交性,恶化系统性能。
1.3.2 对载波频偏和相位噪声敏感
OFDM系统采用IFFT来实现调制,每个子载波都采用矩形脉冲成型。当子载波频率间隔增加时,子载波系统频偏副瓣衰减减慢,产生带外干扰。如果频率同步误差不能被忽略,则每个子载波都会在其他子载波上引起干扰。对于OFDM系统来说,当由于射频收发载频不一致或多普勒频移影响而使发射机和接收机的频率偏移比较大时,将会造成各个子载波之间的正交性下降很多,从而引起ICI,使系统性能大大下降。因而如何在接收端准确地估计频率偏移,对于OFDM系统来说将是一个非常重要的问题。同样,相位噪声也会导致频率扩散,从而形成ICI,这种对频率偏差的敏感是OFDM系统的主要缺点之一。
2 OFDM系统中的关键技术
2.1 降低峰平比技术
高峰平比是影响OFDM技术应用的一个关键问题,为了降低OFDM系统的PAPR,国内外学者进行了大量深入的研究,提出了很多方法。目前解决高峰平比问题主要有两种途径:一是提高功率放大器的性能;二是降低OFDM信号的峰平比。其中,从提高功率放大器的性能着手解决OFDM系统存在的高峰平比问题有一定的局限性。实际应用中,更多的是从OFDM信号本身的角度出发,采取措施降低大峰值信号的出现概率或是避免大峰值信号的出现。降低OFDM信号峰平比的技术可以从本质上解决OFDM系统存在的高峰平比问题。目前降低OFDM信号PAPR的技术总体上可分为三类[6]:降幅类技术、编码类技术和信号扰码技术。
2.1.1 限幅类技术
限幅类技术采用了非线性过程,直接在OFDM信号幅度值或附近采用非线性处理来降低信号的PAPR,主要采用削波法、峰值窗法和压缩扩展法。限幅类技术的优点是简单、易实现。但非线性过程的缺点会引起信号的畸变,因此采用限幅类技术来降低OFDM系统的PAPR,会引起带内失真从而增加误码率,或者产生带外噪声从而引起邻近信道干扰,降低频偏效率。限幅后再进行滤波虽然可以减少频偏泄漏,但又会导致峰值再生。对于这类技术,降低峰平比的能力并非关键问题,关键在于其产生的这些副作用。
2.1.2 编码类技术
编码类技术的基本思想是只传输峰平比比较低的码字,可以基本上排除非线性失真,同时提高放大器的效率,是一种无失真的降低OFDM信号峰平比的方法。由于高峰平比发送的可能性极小,因此从理论上来说只需要引入适当的冗余就可以通过编码来降低峰平比。目前常用的编码方法有分组编码方法和格雷互补序列编码方法。
编码类技术的优点在降低峰平比的同时还提供了纠错性能。但是对于多子载波数目的OFDM系统,目前还没有找到合适的编码方法。几乎所有的编码技术都是采用穷尽搜索的方法寻找低峰平比的符号,这些方法以最小的数据速率损失获得大的峰平比降低。然而,搜索和存储这些码字的复杂度却随着子载波数目的增加呈指数增加,当N>16时复杂度已经很大。因此,编码类技术的主要问题是码率低、编解码开销大,主要适合于子载波数目较小的OFDM系统。
2.1.3 信号扰码技术
信号扰码技术的基本思想是减少高峰平比OFDM码字出现的可能性。在发送端,对每一个OFDM码字,根据某些规则产生多低频候选的时域波形并计算每一波形的峰平比,最终传输峰平比最小的那一个。典型的信号扰码技术方法有选择性映射方法和部分传输序列方法。该技术并不像限幅类技术和编码类技术那样将OFDM信号的峰平比限定在一定值范围内,它不能限定OFDM信号的峰值。但通过线性变换,信号扰码技术可以降低信号峰值出现的概率,改善OFDM系统的PAPR性能。信号扰码技术的优点不会引起信号的失真,适用于任意数目的子载波和任意的调制方式,且只引起很小数据速率损失(传递辅助信息)。但采用信号扰码技术降低OFDM系统的PAPR,需要计算许多并行的IFFT运算,增加了系统的复杂度。因此,信号扰码技术的主要问题是计算量大。此外,为了使接收端知道选择的是几个待选序列中的哪一个,一般需要额外的开销来确保准确无误地传递这些辅助信息。在系统复杂度允许的情况下,信号扰码技术是一种优选的降低OFDM系统峰平比的技术。
2.2 同步技术
2.2.1 载波同步
载波同步是指接收端的振荡频率要与发射端的载波保持同频同相。发射机与接收机之间的频率偏差会导致接收信号在频域内发生偏移,破坏子载波之间的正交性,引入干扰,恶化系统性能[7]。
在OFDM系统中产生频偏的主要原因有:发射机与接收机的载波振荡器产生的频率不可能完全一致;移动通信中的多普勒频率偏移效应;由非线性信道引入的相位噪声等。当存在频偏时,OFDM信号的载波之间不再保持正交,引起严重的ICI。如果载波频率偏差是子载波频率间隔的整数倍,虽然子载波之间仍然能够保持正交,但是频率采样值已经偏移,可能造成映射在OFDM频偏内的数据符号误码率很高;如果载波频率偏差不是子载波频率间隔的整数倍,则在子载波之间就会存在能量的“泄漏”,导致子载波之间的正交性遭到破坏,从而在子载波之间引入干扰,使得系统的误码率性能恶化。当OFDM系统中存在频率偏移时,所有子载波在一个FFT周期内的周期数目不再是整数,所以在进行FFT运算后将产生子载波干扰。FFT输出的每一个子载波里将包含其他子载波的干扰分量,并且干扰功率和子载波的间距成反比。位于OFDM频偏中间的子载波受到的干扰大约是边上子载波的两倍,这是由于中间子载波会受到来自两边子载波的干扰,而边上子载波仅受到单边子载波的干扰所致。
2.2.2 符号同步
符号同步是指接收端每个OFDM符号块的起始时刻要与发送的起始时刻一致,即保持IFFT与FFT起止时刻一致。虽然OFDM系统对符号定时同步的要求相对宽松,但在多径环境下,任何符号定时的变化,都会增加系统对时延扩展的敏感程度。符号定时同步误差不仅会使接收信号的幅度的相位发生畸变,还会引入符号间干扰ISI,严重影响系统性能。在OFDM系统中,OFDM信号是以符号形式处理的,为了能正确地进行解调,接收首先必须进行定时估计。符号定时同步的实质就是确定出OFDM符号的起始位置,以便能正确地进行FFT并解调数据[8]。
2.2.3 采样时钟同步
采样时钟同步是指使接收机与发射机的采样时钟频率一致。由于估计误差、噪声干扰、发射端晶体振荡器的偏移,接收端采样时钟不可能毫无误差地跟踪发射端晶体振荡器的变化,采样点总会稍慢或稍快于发射端时钟,因此产生采样时钟频率偏移。这种误差量常常被忽略,实际上对于子载波数目很大的系统,如数字电视地面传输系统,采样时钟频率偏移会造成两方面的影响:一是产生时变的定时误差,导致接收机必须要跟踪时变的相位变化;二是采样时钟频率的偏移就意味着FFT周期有偏差,因此经过采样的子载波之间不再保持正交性,从而产生ICI。在利用同步采样的OFDM系统中,可以从接收到符号星座点的相位旋转中得到瞬时的采样定时偏差,数字锁相环利用这一信息去控制,以确定采样时刻,这样就可以保证接收机和发射机之间的采样定时偏差的均值为零[9]。
2.3 信道估计
无线通信系统的性能主要受到无线信道的影响。无线信道的随机性导致接收信号的幅度、相位和频率失真,很难进行分析。为了恢复出原始数据流,接收端必须先进行信道估计,获得子载波上的参考相位和幅值。信道估计的准确性直接影响到整个OFDM系统的性能。常见的信道估计方法有两类:基于导频信息的信道估计和基于循环前缀的盲信道估计。
在OFDM系统中,信道估计器的设计主要有两个关键问题:一是导频信息的选择,由于无线信道的时变特性,需要接收机不断对信道进行跟踪,因此导频信息
也必须不断地传送;二是对既有较低复杂度又有良好导频跟踪能力的信道估计器设计,在确定导频发送方式和信道估计准则条件下,寻找最佳的信道估计器结构。
2.4 信道编码
信道编码可显著提高数字通信系统的抗干扰能力。在OFDM系统中,可使用任意传统的信道编码,如分组码、卷积码、网络编码以及Turbo码等。现在的发展方向是在OFDM系统中结合多天线技术使用空时编码,即MMO-OFDM技术,这项技术可显著提高OFDM系统性能,成为新一代无线通信系统的热点技术[10]。
3 结 语
OFDM系统具有较强的抗干扰能力及较高的频谱利用率,系统结构简单,且易与其他多址方式相结合,已经在数字音频广播、数字电视以及无线局域网等无线高速数据传输系统中广泛应用,并称为新一代移动通信中极具竞争力的关键技术之一,具有较大的应用潜力。但仍存在许多问题,需要对降低峰平比、同步、信道估计和信道编码等关键技术进行更为深入地研究,使OFDM技术在新一代移动通信中发挥更大的作用。
参考文献
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