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OFDM原理和DOCSIS3.1的OFDM信號(hào)產(chǎn)生和分析

 曹金龍n8fcuihm 2019-03-12

     看到越來(lái)越多的通信標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用OFDM技術(shù),比如:40G/100G的光傳輸,802.11AC,DOCSIS3.1,UWB,WirelessHD,LTE等,有必要對(duì)OFDM的原理要點(diǎn)有一個(gè)比較清晰的了解,所以整理了這個(gè)材料,供需要時(shí)參考。最后以DOCSIS3.1為例,介紹最新的DOCSIS3.1的OFDM信號(hào)的產(chǎn)生和分析的架構(gòu)和方法。

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一、概述

    正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)被設(shè)計(jì)為一種無(wú)線環(huán)境下高速傳輸技術(shù)。信道的頻率響應(yīng)大多是非平坦的,OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將所給信道分成許多正交子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,各個(gè)子載波并形傳輸。這樣,盡管總的信道是非平坦的,但每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的,并且每個(gè)子信道上市窄帶傳輸,信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬,可以大消除信號(hào)波形間的干擾。又由于各子信道的載波間相互正交,于是它們的頻譜是相互重疊,這樣既減小了子載波間干擾同時(shí)又提高了頻譜利用率。OFDM技術(shù)具有較強(qiáng)的抗信道頻率選擇性衰落的性能,是抗信道多徑的有效方法。

 

    OFDM技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn):

    1)帶寬利用率高。在傳統(tǒng)的并行傳輸系統(tǒng)中,整個(gè)帶寬經(jīng)分割后被送到子信道中,各子信道頻帶間嚴(yán)格分離,接收端通過帶通濾波器慮除帶外的信號(hào)來(lái)接收每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù),頻譜利用率低。OFDM系統(tǒng)中由于各個(gè)子載波之間存在正交性,允許子信道的頻譜相互混疊,因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比,可以最大限度的利用頻譜資源。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí),系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Band/Hz(baud 即 波特;1 Baud = log2M (bit/s) ,其中M是信號(hào)的編碼級(jí)數(shù))。

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圖1  OFDM的帶寬利用

        2)把高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換,調(diào)制到每個(gè)子載波上進(jìn)行并發(fā)傳輸,使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)增加,有效地減小由于無(wú)線信道的時(shí)間彌散所帶來(lái)的ISI。此外,OFDM采用了循環(huán)前綴技術(shù),即將OFDM符號(hào)的后幾個(gè)樣值復(fù)制到OFDM符號(hào)的前面,有效的抵抗多徑衰落的影響。減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度,甚至可以不采用均衡器。

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圖2  OFDM符號(hào)的循環(huán)前綴結(jié)構(gòu)

 

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圖3   兩徑信道中OFDM符號(hào)的傳輸

 

               圖3中的保護(hù)時(shí)間大于多徑時(shí)延,因此第二條徑的相位跳變點(diǎn)正好位于保護(hù)時(shí)間內(nèi),因此接收機(jī)收到的是滿足正交特性的多載波信號(hào),不會(huì)造成性能損失。如果保護(hù)時(shí)間小于多徑時(shí)延,則相位跳變點(diǎn)位于積分時(shí)間內(nèi),則多載波信號(hào)不再保持正交性,從而會(huì)引入子載波干擾。

 

        3)各個(gè)子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可以通過離散傅立葉反變換(IDFT,Inverse  Discrete Fourier Transform)和離散傅立葉變換(DFT,Discrete Fourier Transform)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在子載波數(shù)很大的情況下,可以通過采用快速傅立葉變換(FFT)來(lái)實(shí)現(xiàn)。近年來(lái),隨著大規(guī)模集成電路和DSP 技術(shù)的發(fā)展,FFTIFFT 技術(shù)都非常容易實(shí)現(xiàn),進(jìn)一步推動(dòng)了OFDM技術(shù)的發(fā)展。

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圖4   基于FFT的OFDM原理框圖

 

        4)無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對(duì)稱性,即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)量。另一方面,移動(dòng)終端功率一般比較小,傳輸速率較低,而基站恰恰相反。因此無(wú)論從用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的使用要求,還是從移動(dòng)通信系統(tǒng)自身的要求考慮,都希望物理層支持非對(duì)稱高速數(shù)據(jù)傳輸,而OFDM系統(tǒng)可以很容易地通過使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

 
    OFDM技術(shù)的主要缺點(diǎn):
 
    1)對(duì)相位噪聲和載波頻偏十分敏感。
    這是OFDM技術(shù)一個(gè)非常致命的缺點(diǎn),整個(gè)OFDM系統(tǒng)對(duì)各個(gè)子載波之間的正交性要求格外嚴(yán)格,任何一點(diǎn)小的載波頻偏都會(huì)破壞子載波之間的正交性,引起ICI(子信道干擾,Inter Channel Inferference),同樣,相位噪聲也會(huì)導(dǎo)致碼元星座點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)、擴(kuò)散,從而形成ICI。而單載波系統(tǒng)就沒有這個(gè)問題,相位噪聲和載波頻偏僅僅是降低了接收到的信噪比SNR,而不會(huì)引起互相之間的干擾。
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圖5   保護(hù)時(shí)間內(nèi)發(fā)送全零信號(hào)由于多徑效應(yīng)造成的子載波間干擾(ICI)
 
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圖6  頻率誤差造成OFDM系統(tǒng)產(chǎn)生載波間干擾
 
    2)峰均比過大。
    OFDM信號(hào)由多個(gè)子載波信號(hào)組成,這些子載波信號(hào)由不同的調(diào)制符號(hào)獨(dú)立調(diào)制。同傳統(tǒng)的恒包絡(luò)的調(diào)制方法相比,OFDM調(diào)制存在一個(gè)很高的峰值因子。因?yàn)镺FDM信號(hào)是很多個(gè)小信號(hào)的總和,這些小信號(hào)的相位是由要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列決定的。對(duì)某些數(shù)據(jù),這些小信號(hào)可能同相,而在幅度上疊加在一起從而產(chǎn)生很大的瞬時(shí)峰值幅度。而峰均比過大,將會(huì)增加A/D和D/A的復(fù)雜性,而且會(huì)降低射頻功率放大器的效率。同時(shí),在發(fā)射端,放大器的最大輸出功率就限制了信號(hào)的峰值,這會(huì)在OFDM頻段內(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生干擾。
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圖7  子載波數(shù)目N=4時(shí),承載的數(shù)據(jù)為d=(1,1,1,1),四個(gè)載波獨(dú)立的波形和迭加后的信號(hào)
   
    3)所需線性范圍寬。
    由于OFDM系統(tǒng)峰值平均功率比(PAPR)大,對(duì)非線性放大更為敏感,故OFDM調(diào)制系統(tǒng)比單載波系統(tǒng)對(duì)放大器的線性范圍要求更高。
 

二、OFDM原理和信號(hào)特征

    輸入的串行數(shù)據(jù)先經(jīng)過串/并信號(hào)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的多路分離,然后再通過IFFT完成相應(yīng)的調(diào)制,經(jīng)過并/串信號(hào)轉(zhuǎn)換后,加入保護(hù)時(shí)間間隔也就是整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)循環(huán)前綴,然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換,上變頻至高頻區(qū)將信號(hào)發(fā)射出去。接收端進(jìn)行相反的過程,信道出來(lái)的信號(hào)先經(jīng)過下變頻,模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后去除整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)的循環(huán)前綴,再通過串/并信號(hào)轉(zhuǎn)換、FFT解調(diào)、并/串信號(hào)轉(zhuǎn)換,還原得到信宿序列。

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圖8   OFDM收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

 

    OFDM調(diào)制原理框圖

    OFDM通過把需要發(fā)射的數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)并行的數(shù)據(jù)子流,這樣每個(gè)數(shù)據(jù)子流在速率上就會(huì)降低很多,然后再進(jìn)行相關(guān)調(diào)制,將它們調(diào)制到一組總數(shù)為N,頻率之間的間隔相等,且又兩兩正交的子載波上。

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圖9  OFDM調(diào)制原理框圖
 
        OFDM解調(diào)原理框圖

OFDM的調(diào)制可以用離散傅里葉反變化(IDFT)來(lái)實(shí)現(xiàn),相應(yīng)的有在解調(diào)端可以用離散傅里葉變換(DFT)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而這兩種傅里葉變換都有相應(yīng)的快速算法,在系統(tǒng)的效率和相應(yīng)時(shí)間上會(huì)有所提高。系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中一般采用IFFTFFT技術(shù)。

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圖10   OFDM解調(diào)原理框圖
 
    OFDM信號(hào)特征
 
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圖11   OFDM信號(hào)的立體特征

 
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圖12  OFDM信號(hào)的真實(shí)時(shí)域電壓波形(水平軸是時(shí)間,垂直軸是電壓(線性))

 
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圖13  OFDM信號(hào)的真實(shí)頻譜(水平軸是頻率,垂直軸是功率(用dB表示))

 
 
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圖14   OFDM信號(hào)的頻域特征 
 
 
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圖15   以802.11a為例的OFDM信號(hào)的頻域特征和物理層參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系
 
 
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圖16   以802.11a為例的OFDM信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)

 
三、OFDM關(guān)鍵技術(shù)

 

    1.時(shí)域和頻域同步

    OFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感,特別是實(shí)際應(yīng)用中與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結(jié)合使用時(shí),時(shí)域和頻率同步顯得尤為重要。與其它數(shù)字通信系統(tǒng)一樣,同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段,較易實(shí)現(xiàn)。在上行鏈路中來(lái)自不同移動(dòng)終端的信號(hào)必須同步到達(dá)基站,才能保證子載波間的正交性?;靖鶕?jù)各移動(dòng)終端發(fā)來(lái)的子載波攜帶信息進(jìn)行時(shí)域和頻域同步信息的提取,再由基站發(fā)回移動(dòng)終端,以便讓移動(dòng)終端進(jìn)行同步。具體實(shí)現(xiàn)時(shí),同步將分為時(shí)域同步和頻域同步,也可以時(shí)域和頻域同時(shí)進(jìn)行同步。

    接收機(jī)正常工作以前,OFDM系統(tǒng)至少要完成兩類同步任務(wù):

    1)時(shí)域同步,要求OFDM系統(tǒng)確定符號(hào)邊界,并且提取出最佳的采樣時(shí)鐘,從而減小載波干擾(ICI)和碼間干擾(ISI)造成的影響。

    2)頻域同步,要求系統(tǒng)估計(jì)和校正接收信號(hào)的載波偏移。

 

        OFDM系統(tǒng)中,只有發(fā)送和接收的子載波完全一致,才能保證載波間的正交性,從而可以正確接收信號(hào)。任何頻率偏移必然導(dǎo)致ICI。實(shí)際系統(tǒng)中,由于本地時(shí)鐘源(如晶體振蕩器)不能精確的產(chǎn)生載波頻率,總要附著一些隨機(jī)相位調(diào)制信號(hào)。結(jié)果接收機(jī)產(chǎn)生的頻率不可能與發(fā)送端的頻率完全一致。對(duì)于單載波系統(tǒng),相位噪聲和頻率偏移只是導(dǎo)致信噪比損失,而不會(huì)引入干擾。但對(duì)于多載波系統(tǒng),卻會(huì)造成子載波間干擾(ICI),因此OFDM系統(tǒng)對(duì)于載波偏移比單載波系統(tǒng)要敏感,必須采取措施消除頻率偏移。

    與頻率誤差不同,時(shí)間同步誤差不會(huì)引起子載波間干擾(ICI)。但時(shí)間同步誤差將導(dǎo)致FFT處理窗包含連續(xù)的兩個(gè)OFDM符號(hào),從而引入了OFDM符號(hào)間干擾(ISI)。并且即使FFT處理窗位置略有偏移,也會(huì)導(dǎo)致OFDM信號(hào)頻域的偏移,從而造成信噪比損失,BER性能下降。

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圖17   FFT處理窗位置與OFDM符號(hào)的相對(duì)關(guān)系

 

    一個(gè)OFDM符號(hào)由保護(hù)間隔和有效數(shù)據(jù)采樣構(gòu)成,保護(hù)間隔在前,有效數(shù)據(jù)在后。如果FFT處理窗延遲放置,則FFT積分處理包含了當(dāng)前符號(hào)的樣值與下一個(gè)符號(hào)的樣值。而如果FFT處理窗超前放置,則FFT積分處理包含了當(dāng)前符號(hào)的數(shù)據(jù)部分和保護(hù)時(shí)間部分。后者不會(huì)引入碼間干擾,而前者卻可能嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

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圖18   時(shí)域同步誤差對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響

 

    圖12中采用的是512個(gè)子載波的OFDM系統(tǒng),在白噪聲信道下仿真,子載波體制方式為差分QPSK(DQPSK)。不用信道均衡,超前放置FFT處理窗最多達(dá)六個(gè)樣值,幾乎不影響系統(tǒng)性能,但如果延遲放置FFT處理窗,如圖中的實(shí)心圖標(biāo)所示,由于存在碼間干擾,將會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。對(duì)于較小的時(shí)域同步誤差,如果增加一個(gè)短循環(huán)后綴,可以減輕ISI的影響。 

 

    OFDM系統(tǒng)的時(shí)頻同步處理分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段:

    在捕獲階段,系統(tǒng)使用比較復(fù)雜的同步算法,對(duì)較長(zhǎng)時(shí)段的同步信息進(jìn)行處理,獲得初步的系統(tǒng)同步。在跟蹤階段,可以采用比較簡(jiǎn)單的同步算法,對(duì)于小尺度的變化進(jìn)行校正。

    OFDM同步算法分類:

    1、OFDM數(shù)據(jù)幀和符號(hào)的粗同步算法

    2、OFDM符號(hào)的精細(xì)同步算法 

    3、OFDM頻域捕獲算法

    4、OFDM頻域跟蹤算法

    常用的OFDM同步算法主要分為兩類:

    1、利用循環(huán)前綴

    2、插入專門的訓(xùn)練序列

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圖19   采用循環(huán)前綴實(shí)現(xiàn)OFDM的同步

 

    由于OFDM符號(hào)中含有循環(huán)前綴,因此每個(gè)符號(hào)的前個(gè)樣值實(shí)際上是最后個(gè)樣值的拷貝。利用這種信號(hào)結(jié)構(gòu)的冗余特性可以實(shí)現(xiàn)上圖所示的時(shí)頻同步結(jié)構(gòu)。

    基于循環(huán)前綴的同步技術(shù),其估計(jì)精度與同步時(shí)間相互制約。如果要獲得較高的估計(jì)精度,則需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的同步時(shí)間。因此在沒有特定訓(xùn)練序列的盲搜索環(huán)境中或者系統(tǒng)跟蹤條件下比較適用。而對(duì)于分組傳輸,同步精度要求比較高,同步時(shí)間盡可能短。為了完成這種條件下的同步,一般采用發(fā)送特殊的OFDM訓(xùn)練序列。此時(shí)整個(gè)OFDM接收信號(hào)都可以用于同步處理。

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圖20  采用訓(xùn)練序列進(jìn)行OFDM同步

 

    在匹配濾波器輸出的相關(guān)峰值處,可以同時(shí)進(jìn)行符號(hào)同步和頻偏校正。注意上述的匹配濾波器操作是在接收信號(hào)進(jìn)行FFT變換之前進(jìn)行的。因此這一同步技術(shù)與DS-CDMA接收機(jī)中的同步非常類似。

 

    2.信道估計(jì)

    在OFDM系統(tǒng)中,信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題:一是導(dǎo)頻信息的選取。由于無(wú)線信道常常是衰落信道,需要不斷對(duì)信道進(jìn)行跟蹤,因此導(dǎo)頻信息也必須不斷地傳送;二是復(fù)雜度較低和導(dǎo)頻跟蹤能力良好的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,導(dǎo)頻信息的選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是相互關(guān)聯(lián)的,因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。

 

    信道估計(jì)模型

    信道估計(jì)算法分為盲估計(jì)和非盲算法兩類。盲算法基于信道的統(tǒng)計(jì)特性,需要大量數(shù)據(jù)才能夠獲得好的性能,快衰落信道中收斂性會(huì)急劇惡化,系統(tǒng)性能很差。

    非盲算法又可以劃分為兩大類:數(shù)據(jù)輔助和判決指導(dǎo)算法。數(shù)據(jù)輔助模式,OFDM符號(hào)的整體或部分用于訓(xùn)練數(shù)據(jù),利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行信道響應(yīng)估計(jì)。但增加了系統(tǒng)開銷,降低了頻譜效率。

    判決指導(dǎo)模式,類似于判決反饋均衡,可以降低系統(tǒng)開銷,提高頻譜效率。當(dāng)信道狀態(tài)劇烈變化時(shí),會(huì)導(dǎo)致估計(jì)質(zhì)量下降,需要周期性發(fā)送訓(xùn)練符號(hào),采用信道編碼與交織提升性能。

 

    導(dǎo)頻圖樣

    常用圖樣為兩類:訓(xùn)練符號(hào)與導(dǎo)頻子載波 

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圖21   導(dǎo)頻圖樣

 

    導(dǎo)頻插入需滿足2維Nyquest采樣定理。導(dǎo)頻序列的功率和時(shí)頻域位置的優(yōu)化,是影響信道估計(jì)的重要因素,一般遵循如下原則。

    理論分析證明,當(dāng)總功率一定的條件下,導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)等功率分配,所獲得的信道估計(jì)MSE性能較好。

    導(dǎo)頻子載波數(shù)目不小于CIR長(zhǎng)度,在系統(tǒng)信號(hào)有效分布的時(shí)頻范圍內(nèi),最好在頻域等間隔分配導(dǎo)頻,并且在時(shí)域上進(jìn)行交錯(cuò)配置,從而獲得頻率分集增益。如圖15(b)所示。

    除均方誤差MSE準(zhǔn)則外,其它系統(tǒng)指標(biāo),如PAPR峰平比也是導(dǎo)頻設(shè)計(jì)需要考慮的重要指標(biāo)。為了降低峰平比,一般要求導(dǎo)頻具有恒包絡(luò)性能,即具有CAZAC特性的序列(例如Zadoff-Chu序列)。

    LTE、WiMax等寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)就是按照這些設(shè)計(jì)原則進(jìn)行導(dǎo)頻圖樣分配的。

 

    數(shù)據(jù)輔助算法

    DA信道估計(jì)算法主要包括LS估計(jì)、LMMSE與變換域估計(jì)算法,一般的,LS估計(jì)可以作為其它算法的初始值,是信道估計(jì)的基礎(chǔ)。

    1.LS估計(jì)算法

    基于頻域LS算法得到信道響應(yīng)。

    2.插值方法

    線性插值是以增大導(dǎo)頻開銷提高估計(jì)性能。而采用多項(xiàng)式插值,則有可能減少導(dǎo)頻開銷。2D插值也可以應(yīng)用。所有這些插值方法可以等效為不同的低通濾波。

    3.變換域算法

    信道頻域響應(yīng)CFR具有高度相關(guān)性。采用正交變換,將CFR變換到其它域,則對(duì)應(yīng)變換域響應(yīng)具有稀疏性,只有少數(shù)重要分量取值較大,而其它分量很小,可以置為0,從而有效降低估計(jì)噪聲。這就是變換域算法的主要思想。

    4.LMMSE算法

    LMMSE由于利用了接收信噪比SNR和其它信道統(tǒng)計(jì)特性,因此其性能好于其它算法。LMMSE具有平滑/插值/外推的算法結(jié)構(gòu),因此非常適合于導(dǎo)頻子載波模式的OFDM系統(tǒng)。但LMMSE估計(jì)算法復(fù)雜   

 

      各種算法的性能比較如下:

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圖22   信道估計(jì)的MSE性能比較

   

    判決指導(dǎo)算法

    判決指導(dǎo)算法(DDCE)是另一大類OFDM信道估計(jì)算法。接收端的工作分為兩個(gè)階段:估計(jì)階段與跟蹤階段。

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圖23  判決指導(dǎo)算法

 

    MIMO-OFDM信道估計(jì)

    在MIMO-OFDM系統(tǒng)框架下,信道估計(jì)是更具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。導(dǎo)頻圖樣需要滿足采樣定理,而且要求各天線導(dǎo)頻互不干擾。

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圖24     MIMO-OFDM導(dǎo)頻圖樣

    3.編碼信道和交織

    為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能,信道編碼和交織是普遍采用的方法。對(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤,可以采用信道編碼;對(duì)于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤,可以采用交織技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中,通常同時(shí)采用信道編碼和交織,進(jìn)一步改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。在OFDM系統(tǒng)中,如果信道衰落不是太嚴(yán)重,均衡是無(wú)法再利用信道的分集特性來(lái)改善系統(tǒng)性能的,因?yàn)镺FDM系統(tǒng)自身具有,利用信道分集特性的能力,一般的信道特性信息已經(jīng)被OFDM這種調(diào)制方式本身所利用了。但是OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機(jī)會(huì),形成COFDM方式。編碼可以采用各種碼,如::分組碼、卷積碼等,其中卷積碼的效果要比分組碼好。

 

    4.降低峰值平均功率比

    由于OFDM信道時(shí)域上表現(xiàn)為N個(gè)正交子載波信號(hào)的疊加,當(dāng)這N個(gè)信號(hào)恰好均以峰值疊加時(shí),OFDM信號(hào)也將產(chǎn)生最大峰值,該峰值功率是平均功率的N倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低,但為了不知真地傳輸這些高PAPR的OFDM信號(hào),發(fā)送端對(duì)高功率放大器(HPA)的線性度要求也很高。因此,高的PAPR使得OFDM系統(tǒng)的性能大大下降甚至直接影響實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問題,人們提出了基于信號(hào)畸變技術(shù)、信號(hào)擾碼技術(shù)和基于信號(hào)空間擴(kuò)展等降低OFDM系統(tǒng)PAPR的方法。

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圖25   不同子載波數(shù)目的CCDF

 

    降低OFDM信號(hào)PAPR的方法很多,大體可以分成三大類:信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)、編碼類技術(shù)和概率類技術(shù)。

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圖26   降低PAPR的方法分類


 

    1)信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)

    包括限幅類技術(shù)和壓縮擴(kuò)張變換。

    (1)限幅技術(shù)(Clipping)

    限幅是最簡(jiǎn)單的方法,它直接在OFDM信號(hào)幅度峰值或附近采用非線性操作來(lái)降低信號(hào)的PAPR值,能適用于任何數(shù)目子載波構(gòu)成的系統(tǒng)。限幅相當(dāng)于對(duì)原始信號(hào)加矩形窗,如果OFDM信號(hào)幅值小于預(yù)定門限,該矩形窗函數(shù)的幅值就為1,否則幅值小于1。限幅會(huì)不可避免地產(chǎn)生信號(hào)畸變,由于信號(hào)失真引入自干擾,從而造成系統(tǒng)性能下降。

    (2)壓縮擴(kuò)張變換(Companding)

    它是借鑒了PCM A律對(duì)數(shù)壓擴(kuò)的原理,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,計(jì)算復(fù)雜度不隨子載波數(shù)目增加而增加。

 

    2)編碼類技術(shù)

    編碼類技術(shù)主要是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余編碼,選擇PAPR較小的碼組作為OFDM符號(hào)發(fā)送,從而避免了信號(hào)峰值。

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圖27   編碼類技術(shù)


 

    應(yīng)用編碼方法降低PAPR的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定,降低PAPR的效果好。但是,它的缺點(diǎn)也非常明顯:(1)編碼調(diào)制方式受限,比如分組編碼只適用于PSK的調(diào)制方式,而不適用于基于QAM調(diào)制方式的OFDM系統(tǒng);(2)子載波個(gè)數(shù)受限,隨著子載波數(shù)的增加,計(jì)算復(fù)雜度增大,系統(tǒng)的吞吐量嚴(yán)重下降,帶寬的利用率顯著降低;(3)數(shù)據(jù)有效速率減小,這是因?yàn)榇蟛糠值木幋a方法都要引入一定的冗余信息。

    3)概率類技術(shù)

    概率類技術(shù)不是著眼于降低信號(hào)幅度的最大值,而是降低峰值出現(xiàn)的概率,一般而言,該類技術(shù)會(huì)帶來(lái)信息冗余,缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜度太大,要進(jìn)行多次IFFT運(yùn)算,并且需要可靠傳送邊信息。

    (1)相位優(yōu)化

    利用不同的加擾相位序列來(lái)對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理以改變其統(tǒng)計(jì)特性,主要包括選擇映射法(Selected Mapping,即SLM )、部分傳輸序列(Partial Transmit Sequences,即PTS)等。

    (2)交織技術(shù)(Interleaving)

    交織技術(shù)的原理和選擇映射類似。選擇性映射中通過使用隨機(jī)相位序列來(lái)降低多載波信號(hào)的峰均比,在交織技術(shù)中,通過使用一組交織器來(lái)達(dá)到相同的效果,交織器的作用是用來(lái)對(duì)長(zhǎng)度為的信號(hào)序列進(jìn)行重排。

    (3)沖激整形(Pulse Shaping,即PS)

    通過恰當(dāng)選擇OFDM調(diào)制中各個(gè)子載波的時(shí)域沖激波形,可以有效降低PAPR,其效果比前兩種方法要好。

    (4)多音加法

    多音加法包括多音預(yù)留(Tone Reservation,即TR)和多音內(nèi)插(Tone Injection,即TI)兩種方法。它們都是基于為原始信號(hào)增加一個(gè)獨(dú)立的時(shí)域數(shù)據(jù)塊信號(hào)以減小峰值的思想。

    TR是將某些不用承載數(shù)據(jù)的子載波提取出來(lái),取而代之以能夠降低整個(gè)系統(tǒng)PAPR的信號(hào),使得噪聲集中分布在SNR較低的高頻區(qū)。

    TI把降低PAPR的信號(hào)也作為信息符號(hào)參與IFFT運(yùn)算,其基本思想是擴(kuò)展QAM星座,使同一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)星座上多個(gè)點(diǎn),恰當(dāng)?shù)剡x擇表示數(shù)據(jù)的星座點(diǎn),可以極大地降低信號(hào)的PAPR值。

    (5)ACE動(dòng)態(tài)星座擴(kuò)展技術(shù)

    動(dòng)態(tài)星座擴(kuò)展技術(shù)(ACE)同TI原理類似。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整原始星座中邊界信號(hào)點(diǎn)的位置達(dá)到降低峰均比的目的。

 

    各種算法性能比較

    (1)峰均比的降低能力

    選擇算法首要考慮的因素。但是需要注意有些方法帶來(lái)了負(fù)面效果。比如:限幅技術(shù)能夠很容易的降低時(shí)域信號(hào)幅值,但是同樣帶來(lái)了帶內(nèi)失真和帶外信號(hào)擴(kuò)散的負(fù)面效果;選擇性映射能達(dá)到很好的峰均比縮減效果,但是計(jì)算復(fù)雜度很高。

    (2)發(fā)送信號(hào)功率的增加

    一些降低峰均比技術(shù)需要增大發(fā)送信號(hào)的發(fā)送功率。比如TR技術(shù)發(fā)送端的部分功率被用作傳送PRC峰值降低的子載波。如果保持發(fā)送端功率不變,則某些信號(hào)的功率低于要求的正常功率,可能會(huì)帶來(lái)誤比特率的增加。

    (3)接收端誤比特率的增加

    在一些技術(shù)的運(yùn)用中,如果發(fā)送端功率等于或者低于要求的正常功率,則會(huì)帶來(lái)誤比特率的增加。例如:運(yùn)用動(dòng)態(tài)星座擴(kuò)展技術(shù)ACE,如果發(fā)送信號(hào)的功率固定不變,將會(huì)導(dǎo)致誤比特率的增大。其它一些技術(shù)比如SLM、PTS或者交織,如果附加信息的丟失同樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)塊的譯碼錯(cuò)誤。 

    (4)碼率的降低

    一些技術(shù)的使用要求降低碼率,比如分組碼,有四分之一的比特信息用來(lái)降低峰均比;SLM、PTS和交織也需要傳輸附加信息用于接收端準(zhǔn)確恢復(fù)原始信號(hào)。這些技術(shù)要采用合適的信道編碼,否則接收到的附加信息可能出錯(cuò),因此信道編碼的采用使得傳輸效率進(jìn)一步的降低。

    (5)計(jì)算復(fù)雜度

    計(jì)算復(fù)雜度也是選擇合適算法需要考慮的問題。例如PTS和SLM為了能找到合適的降低峰均比的隨機(jī)相位序列,需要多次的迭代運(yùn)算;對(duì)于交織來(lái)說,交織器越多,峰均比的減少程度就越大。一般說來(lái),峰均比降低技術(shù)越好,那么其復(fù)雜度也就相應(yīng)的越高。

 

    5.均衡

    在一般的衰落環(huán)境下,OFDM系統(tǒng)的均衡不是有效改善系統(tǒng)性能的方法。因?yàn)榫馐茄a(bǔ)償多徑信道引起的碼間干擾,而OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性,因此在一般情況下,OFDM系統(tǒng)就不必再做均衡了。在高度散射的信道中,信道記憶長(zhǎng)度很長(zhǎng),循環(huán)前綴的長(zhǎng)度必須很長(zhǎng),才能夠使ISI盡量不出現(xiàn)。但是,CP長(zhǎng)度過長(zhǎng)必然導(dǎo)致能量大量損失,尤其對(duì)子載波個(gè)數(shù)不是很大的系統(tǒng)。這是,可以考慮加均衡器以使CP的長(zhǎng)度適當(dāng)減小,即通過增加系統(tǒng)的復(fù)雜性換取頻帶利用率的提高。

 
四、DOCSIS3.1的信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)分析
 
 
 
 
 
 
 

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