一種突發(fā)OFDM傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)要求有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更好的傳輸質(zhì)量且同時(shí)能很好地克服多徑衰落，消除高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)嚴(yán)重的符號間干擾并大大提高頻譜利用率，正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)作為一種強(qiáng)有力的數(shù)字調(diào)制方式，以其突出的優(yōu)點(diǎn)成為4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。在多徑時(shí)延、信息速率以及帶寬等特定背景條件確定的情況下，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)該背景條件的突發(fā)OFDM傳輸系統(tǒng)，并且確定予載波數(shù)量、符號速率、OFDM幀結(jié)構(gòu)等總體參數(shù)。最后給出了該OFDM傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。
關(guān)鍵詞：OFDM；卷積編碼；多普勒頻移；定時(shí)估計(jì)

0 引言
    國外對OFDM技術(shù)的研究已有近50年的歷史。最初無線OFDM傳輸系統(tǒng)是用在軍用無線高頻通信鏈路中，隨著數(shù)字信號處理(DSP)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術(shù)的發(fā)展，OFDM技術(shù)獲得了長足的進(jìn)步并廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)方面。其應(yīng)用主要有：
    (1)廣泛應(yīng)用于音頻和視頻傳輸中，如歐洲數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)以及日本的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播(ISDB)等；
    (2)非對稱數(shù)字用戶鏈路(ADSL)；
    (3)無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802．11a、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)推出的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Hyperlan2等；
    (4)無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802．16a；
    (5)已具雛形的4G蜂窩系統(tǒng)(大唐TD-LTE)。
    本文根據(jù)特定的背景需求，設(shè)計(jì)了一種突發(fā)OFDM系統(tǒng)。該特定的移動(dòng)傳輸?shù)谋尘靶枨笕缦拢?br />     (1)多徑最大時(shí)延擴(kuò)展τ為20μs；
    (2)信息速率Rb為5～36 Mb／s；
    (3)帶寬W<20 MHz；
    (4)接收機(jī)運(yùn)動(dòng)速度小于80 km／h；
    (5)采用突發(fā)傳輸模式；
    (6)射頻中心頻率在5 GHz。
     多徑最大時(shí)延擴(kuò)展反映了信道的惡劣程度。從以上參數(shù)可以看出，該背景需求的信道是相當(dāng)惡劣的。若采用單載波傳輸，由于多徑時(shí)延太大，接收端均衡器將過于復(fù)雜。在這種情況下，根據(jù)前面分析，采用OFDM的調(diào)制方式具有很大的優(yōu)勢。

1 總體參數(shù)設(shè)計(jì)
    根據(jù)背景需求和工程經(jīng)驗(yàn)，按以下步驟進(jìn)行總體參數(shù)設(shè)計(jì)：
1．1 確定保護(hù)間隔
    OFDM符號保護(hù)間隔的時(shí)間一般要大于最大時(shí)延擴(kuò)展。因?yàn)樽畲髸r(shí)延擴(kuò)展為20μs，取保護(hù)間隔即循環(huán)前綴時(shí)間長度為：Tg=25μs。
1．2 選擇符號周期、有效符號長度、子載波間隔
    考慮到保護(hù)間隔的引入帶來的信息傳輸效率的損失和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度及系統(tǒng)的峰值平均功率比因素，在實(shí)際系統(tǒng)中，選擇符號長度Ts至少是保護(hù)間隔的5倍，即：Ts≥125μs。
    有效信息符號長度至少為保護(hù)間隔的4倍，即：Tu≥100μs。
    子載波間隔為有效信息符號長度Tu的倒數(shù)，即：。
1．3 確定子載波數(shù)量
    利用要求的比特速率除以每個(gè)子信道中的比特速率來確定。每個(gè)子信道中傳輸?shù)谋忍厮俾视烧{(diào)制類型、編碼速率以及符號速率來確定。
    若在發(fā)射端采用卷積編碼(碼率固定為r為1／2，暫不考慮刪節(jié)編碼)和QPSK調(diào)制或QAM調(diào)制方式(M為調(diào)制階數(shù))，可得到一個(gè)OFDM符號有效子載波數(shù)應(yīng)該為：
   
    根據(jù)公式(1)，若Ts=125 μs，Rb取最大值36 Mb／s，采用64QAM調(diào)制(M為6)，可計(jì)算出Nd為1 500個(gè)子載波。因?yàn)镺FDM符號子載波數(shù)N要滿足為2的冪次，便于FFT計(jì)算，這里取FFT點(diǎn)數(shù)N為2 048。為了便于系統(tǒng)時(shí)鐘控制，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取有效子載波數(shù)Nd為1 665(，其中129為插入導(dǎo)頻數(shù)Np)，其余OFDM符號分配虛載波，數(shù)值為0。因此一個(gè)OFDM符號占用帶寬和其中的有效子載波占用帶寬Ws是相同的，即Ws=Nd×△f= 16．65 MHz，小于要求的20 MHz。
    若Ts=125μs，若Rb取最小值為5 Mb／s，采用64QAM調(diào)制會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，考慮用QPSK調(diào)制方式代替。此時(shí)M=2，由公式(1)可計(jì)算得到Nd等于625。為了便于系統(tǒng)時(shí)鐘控制，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取有效子載波數(shù)Nd為833(，其中65為插入導(dǎo)頻數(shù)Np)，OFDM符號中其余非有效子載波處載波值為0。因此一個(gè)OFDM符號占用帶寬為8．33 MHz，遠(yuǎn)小于要求的20 MHz。
    當(dāng)5 Mb／s<Rb<36 Mb／s情況下，根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Rb較大時(shí)，要選擇高階的QAM調(diào)制方式，且選擇2 048點(diǎn)數(shù)的FFT變換；當(dāng)Rb較小時(shí)，要選擇低階的調(diào)制方式，且選擇1 024點(diǎn)數(shù)的FFT變換。通過選擇M值、OFDM符號有效子載波個(gè)數(shù)以及OFDM符號持續(xù)時(shí)間Ts總可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，且總的系統(tǒng)復(fù)雜度較低?？紤]到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一階段采用信息傳輸率Rb=6．144Mb／s，則Ts=125μs，調(diào)制階數(shù)M=2(QPSK調(diào)制)，子載波個(gè)數(shù)N=1 024的設(shè)計(jì)方案(有效子載波個(gè)數(shù)為833)。OFDM符號頻域上的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．4 確定符號速率
    當(dāng)子載波個(gè)數(shù)確定后，根據(jù)OFDM符號的有效信息符號長度持續(xù)時(shí)間，可以確定符號速率為Fs，即：Fs=N／Tu。
    若N=1 024，Tu=100μs，可以得到符號速率Fs等于10．24 MB／s。
1．5 確定過采樣倍數(shù)、成型因子、中頻頻率、接收機(jī)A／D采樣率
    發(fā)端的基帶信號先進(jìn)行過采樣，然后進(jìn)行成型濾波，最后送到數(shù)模器件(D／A)進(jìn)行上變頻。過采樣因子根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)為4，即符號速率為10．24 MB／s的基帶信號進(jìn)行過采樣后符號速率變?yōu)?0．96 MB／s。
    經(jīng)過過采樣后的數(shù)據(jù)要送入成型濾波模塊，根據(jù)文獻(xiàn)可知，成型因子越大，碼間干擾越小，但是OFDM帶外泄漏越嚴(yán)重，對接收端濾波器要求越高；成型因子越小，碼間干擾越大，但是OFDM帶外泄漏越少，對接收端濾波器要求越低。所以，要根據(jù)實(shí)際情況，折中選擇成型因子。在子載波數(shù)為N=1 024，選擇不同成型因子的情況下，OFDM頻譜仿真圖如圖2所示。

    從圖2中可以看出，成型因子為0．2是較為合適的，這是因?yàn)樵谧虞d波分配過程中，在833個(gè)有效數(shù)據(jù)子載波兩端補(bǔ)0，從一定程度上抵消了由于成型濾波過程中帶來的頻譜泄漏的影響，所以此時(shí)OFDM頻譜的帶外頻譜泄漏基本上和成型因子為0時(shí)相同，信號帶寬變?yōu)?0.24x(1+ 0.2)=12．288 MHz。確定中頻為70 MHz，接收端A／D前帶通采樣速率為81．92 MHz。
1．6 確定OFDM幀結(jié)構(gòu)
    根據(jù)接收機(jī)的移動(dòng)速度，可以確定信道的多普勒頻移。相干時(shí)間與多普勒頻移成反比，從而確定了相干時(shí)間。根據(jù)相干時(shí)間可以確定OFDM符號幀長。
    因?yàn)榻邮諜C(jī)移動(dòng)速度v<80 km／h，且射頻頻率為5 GHz，可計(jì)算出波長λ=0．06 m，多普勒頻移fd為：。因此，最大多普勒頻移fdm≈370 Hz。相干時(shí)間Tc為最大多普勒頻移的倒數(shù)：Tc=1／fmd，即Tc≈2．7 ms。OFDM傳輸系統(tǒng)采用突發(fā)傳輸模式，每一次突發(fā)傳送一個(gè)OFDM幀，每幀包含m個(gè)符號數(shù)。由于后續(xù)信道估計(jì)算法基于相干時(shí)間之內(nèi)信道基本不變化，必須滿足的條件是：
    m·Ts<Tc        (2)
    即m<21．6，這里取m=21。
    根據(jù)系統(tǒng)接收端采用的定時(shí)估計(jì)和頻偏估計(jì)算法，設(shè)計(jì)OFDM幀前導(dǎo)序列。若前導(dǎo)序列占用OFDM符號數(shù)太多，系統(tǒng)信息傳輸效率太低；若前導(dǎo)序列占用OFDM符號數(shù)太少，定時(shí)和頻偏估計(jì)的效果達(dá)不到系統(tǒng)要求。綜合考慮后決定采用OFDM幀結(jié)構(gòu)中前兩個(gè)符號為前導(dǎo)序列。OFDM幀結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。第一個(gè)前導(dǎo)序列由10個(gè)相同的短前導(dǎo)序列構(gòu)成，每一個(gè)短前導(dǎo)序列是一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的復(fù)序列，在OFDM傳輸系統(tǒng)中用來做信號到達(dá)的檢測、自動(dòng)增益控制、定時(shí)估計(jì)以及時(shí)域粗頻偏估計(jì)；第二個(gè)前導(dǎo)序列用來進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)以及信道估計(jì)。

    經(jīng)過以上步驟的設(shè)計(jì)，OFDM移動(dòng)傳輸系統(tǒng)總體參數(shù)基本確定，總結(jié)如下：
    系統(tǒng)發(fā)射頻率為5 GHz；中頻為70 MHz；系統(tǒng)可用帶寬為20 MHz；系統(tǒng)實(shí)際占用帶寬為12．288 MHz；系統(tǒng)工作模式為突發(fā)傳送；接收機(jī)移動(dòng)速度小于80km；基帶信息速率為6．144 Mb／s；基帶符號速率為10．24 MHz；調(diào)制方式為QPSK；FFT點(diǎn)數(shù)為1 024；有效子載波個(gè)數(shù)為833；導(dǎo)頻數(shù)量為65；OFDM符號長度為125μs；循環(huán)前綴長度為25μs；子載波間隔為10 kHz；OFDM幀長為21；前導(dǎo)序列為2。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    在本文背景需求下，信道較為惡劣，采用突發(fā)傳送模式且每一個(gè)OFDM幀較短，只有21個(gè)符號，所以設(shè)計(jì)的OFDM接收機(jī)結(jié)構(gòu)無定時(shí)和頻偏估計(jì)的反饋環(huán)存在。雖然從結(jié)構(gòu)上看，本文所采用的發(fā)射接收系統(tǒng)比采用定時(shí)和頻偏估計(jì)反饋環(huán)的系統(tǒng)更為簡單，但是系統(tǒng)運(yùn)算量卻增加了(由于前饋系統(tǒng)比反饋系統(tǒng)需要更大的運(yùn)算量)，實(shí)際上增加了對所使用硬件設(shè)備性能的要求。OFDM傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

    在設(shè)計(jì)第一階段，不進(jìn)行射頻的設(shè)計(jì)。在硬件實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)射端將不包括射頻器件，接收端將不包括模擬下變頻器件以及無線信道，數(shù)據(jù)流經(jīng)過發(fā)射端的D／A后通過有線連接到接收端的A／D。
    成熟的OFDM發(fā)射機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)要考慮如何抑制峰均比的影響，但現(xiàn)有的抑制峰均比算法除限幅外，硬件實(shí)現(xiàn)都過于復(fù)雜，在第一階段將不考慮系統(tǒng)峰均比的影響，所以圖4中發(fā)射端沒有抑制峰均比的模塊。

3 結(jié)語
    本文根據(jù)特定的背景需求和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種突發(fā)傳輸?shù)?strong>OFDM傳輸系統(tǒng)。從設(shè)計(jì)過程可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)完全可以滿足背景需求，具有很高的可行性。