OFDM系统子载波干扰分析及抑制探讨

OFDM 系统子载波间干扰分析及抑制讨论 摘要 OFDM技术是一种在无线环境下的高速多载波传输技术 其抗频率选择性衰落和抗 窄带干扰能力较强 同时又有很高的频谱利用率 适合在多径传播的无线移动信道中传输 高速数据 本文着重分析了OFDM技术的基本原理 OFDM系统的基本原理及实现方案 同时 论述了其优缺点 在此基础上 对系统子载波间干扰产生原因进行了较为详细的分析 并 对几种常见的抑制方案进行了对比讨论 关键词 OFDM 子载波间干扰 抑制方案 1 引言 随着世界范围内通信技术的不断发展 如今的通信传输方式呈现出多元化发展的特点 逐渐摆脱单一的传输方式 从最初的有线通信逐渐形成有线通信 无线通信 光纤通信等 多方式共存的局面 但是从实质上来看 具有突破性的通信技术并不多 大多技术革新基 本上都是将重心放在传输介质和信道的改进 在为数不多有实质改进的传输方式中 OFDM 即正交频分复用技术 因其频谱利用率更高 调制方式更加灵活 网络结构的可扩展性较 为理想和较强的抗多径干扰能力 逐渐发展成为应用非常广泛且较为成熟的一种技术 2 OFDM系统简介 2 1 OFDM技术的基本原理 OFDM 技术属于多载波调制 Multi Carrier Modulation MCM 技术 其调制基本思 想是 将信道划分为若干个正交的子信道 同时在每个子信道上进行窄带调制和传输 这 样既能减少子信道间的相互干扰 又能提高频谱利用率 由于每个子信道上的信号带宽要 小于信道的相关带宽 就会使每个子信道上的频率选择性衰落呈现平坦的状态 进而大大 消除了符号间干扰 保护间隔通常以插入循环前缀的方式实现 从而保证了子信道之间的正交性 相比于 各子信道的频谱完全分开的多载波调制系统而言 在OFDM系统中 各子信道采用的载波间 的频谱是相互重叠的 这样有助于接收端借助载波间的正交性达到分离数据的目的 OFDM 信号的频谱如图1所示 图 1 OFDM 信号的频谱示意 2 2 OFDM 系统原理及实现框图 一个 OFDM 系统内包含多个经过调制的子载波的合成信号 每个子信道中的载波都可以 使用相移键控 PSK 或者正交幅度调制 QAM 进行调制 用 N 表示子信道的个数 表示 OFDM 符号的周期 表示分配给每个子信道载波的符 号 表示第 0 个载波的载波频率 表示矩形脉冲 则从时 刻开始的 OFDM 符号在时域中的表达式为 1 可以根据下图 2 构建 OFDM 系统框图 图 2 OFDM 系统框图 3 OFDM 系统的优缺点 3 1 OFDM 系统的优点 1 频谱利用率高 频谱利用率较高 这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要 由于各个子信道的载 波间存在着正交性 OFDM系统允许子信道的频谱相互重叠 相比于其他常规的频分复用系 统 OFDM系统可以大大提高了频谱利用率 从而最大限度地利用频谱资源 2 抗多径衰落能力强 当信号在信道中 由于多径效应导致频率选择性衰落时 频带凹处的子信道载波及其 携带的信息会受影响 造成丢失或者错误 通过各个子信道载波的联合编码 使其抗衰落 能力大大提升 从而避免了其他的子信道载波受影响 故OFDM系统的总误码率低得多 还 需要注意一点的是 OFDM技术利用了信道的频率分集 在衰落不是特别严重的情况下 可 以根据情况不再添加时域均衡器 OFDM系统能有效地减少载波间的干扰 这一优势使其在 多径环境中和衰落信道中也能实现数据的高速传输 3 易于实现 在OFDM系统的各个子信道中 载波的正交调制和解调可以通过采用离散傅里叶变换 DFT Discrete Fourier Transform 和离散傅立叶反变换 IDFT Inverse Discrete Fourier Transform 的方法来实现 特别情况下 在子信道载波数目很大的OFDM系统中 通常采用快速傅里叶变换 FFT Fast Fourier Transform 来实现 当然 随着当代DSP技 术的进一步发展 OFDM技术在不断革新 3 2 OFDM系统的缺点 1 与单载波系统相比 OFDM系统更加易受频率偏差的影响 换言之 OFDM系统对频 率偏差表现更加敏感 无线信道通常具有时变性 而时变性非常容易造成的多普勒频移 同时由于发射机和接收机与本地振荡器之间的频率偏差 都会破坏子信道载波的正交性 从而产生ICI inter carrier interference 子载波间干扰 这种对频率偏差的较强敏 感性是OFDM系统的主要缺点之一 2 存在较高的峰值平均功率比 峰均比 多载波系统的输出是由多个子信道载波 信号进行的叠加 因此如果多个信号的相位一致时 当这些载波信号 假设N个 恰好同时 都以峰值点相加后 OFDM信号也将产生最大的峰值 该峰值功率是平均功率的N倍 从而输 出的叠加信号的瞬时功率便会远远大于信号的平均功率 进而导致较大的峰值平均功率比 PAPR Peak to Average power Ratio 这种情况的出现 会对发射机内置的放大器的线 性相关度提出很高的要求 同时 为了不失真地传输这些较高的峰值平均功率比的OFDM信 号 发送端对高功率放大器 HPA 的线性度需要很高的要求 且发送效率非常的低 同时 对接收端的前端放大器 以及A D变换器的线性度要求也非常高 因此 较高的峰值平均功 率比使得OFDM系统的性能 受到很大的负面影响甚至直接影响到实际应用 4 OFDM 系统子载波间干扰分析 4 1 子载波间干扰产生原因分析 OFDM 系统在运行过程中受到的主要干扰之一是子载波间干扰 它产生的主要原因包含 以下几个方面 1 多普勒频谱的开展引起的子载波间干扰 这种子载波间干扰通常是发生在用户的 移动时 用户的无规律移动会造成信道的时变性 进而产生多普勒频谱展开效应 从而影 响甚至破坏子载波的正交性 从而引起子载波间干扰 2 子载波的同步误差引起的子载波间干扰 在 OFDM 系统中 接收端和发射端的晶 振频率通常无法保持绝对的同步 这种晶振频率的不一致往往会导致的载波误差 进而会 引入干扰 造成子载波间干扰 但是这种子载波间干扰是可以进行补偿或削弱 通过是采 用同步偏差和信号补偿来消除 3 码间干扰 ISI Inter Symbol Interference 引起的子载波间干扰 当 OFDM 系统在多径的环境下运行是 一旦多径信道的最大时延超过了循环前缀 就会产生码间干 扰 而且传输速率也高 码间干扰也更加严重 同样的 这种码间干扰也会破坏子载波间 的正交性 从而引起子载波间干扰 不过 这种子载波间干扰也是削弱的 通常的解决办 法是降低数据的传输速率或者增加均衡模块 4 2 几种常见的抑制子载波间干扰的算法讨论 1 子载波间干扰的自消除算法 在相邻的子载波放置相反的符号数据信息 这样的调制方式可以在一定程度起到抵消 子载波间干扰的作用 在考虑到相邻子载波频点 会对其他载波频点所产生的干扰存在很 强的相关性的因素 如果在相邻子载波上放置相反数据信息 可以相互抵消其他子载波频 率上受到的上述两个相邻子载波的干扰 但是考虑到频谱利用率 需要将数据调制的阶数 提高一倍 所以 这种方法的缺陷是在信噪比较高的时候性能改善比较缓慢 2 时域中加窗的方案 时域中加窗的方案是在发送端将需要传输的时域信号与特定的窗函数进行乘运算 利 用时域下窗函数的特性来改善信号的频域特性 从而抑制子载波频谱旁瓣的泄露 进而减 小子载波间干扰的能量 达到抑制子载波间干扰的作用 但是时域中加窗的方案也有缺陷 因其往往是以牺牲 OFDM 系统抗时延扩展能力作为代价 3 均衡方案 均衡算法的基本思想就是使接收信号与均衡算子进行乘运算来获得干扰消除 通过迫 零法或者最小均方误差的方法将子载波间干扰降到最低 但是这种方法往往需要构建规模 很大的矩阵逆 算法较为复杂 而且对噪声有一定的放大作用 降低了信噪比 5 结束语 OFDM 技术有着非常广阔的发展前景 并且逐步成熟与完善 目前 OFDM 结合时空编码 分集 干扰和邻道干扰抑制以及智能天线技术 最大限度地提高了物理层的可靠性 结合 自适应调制 自适应编码以及动态子载波分配和动态比特分配算法等技术 可以使其性能 进一步优化 总之 由于