2.1保護(hù)間隔和循環(huán)前綴

　　2.1.1保護(hù)間隔(GI)

　　無(wú)線多徑信道會(huì)使通過(guò)它的信號(hào)出現(xiàn)多徑時(shí)延，這種多徑時(shí)延如果擴(kuò)展到下一個(gè)符號(hào)，就會(huì)造成符號(hào)問(wèn)串?dāng)_，嚴(yán)重影響數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量。采用OFDM技術(shù)的最主要原因之一是它可以有效地對(duì)抗多徑時(shí)延擴(kuò)展。通過(guò)把輸入的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)串／并變換分配到N個(gè)并行的子信道上，使得每個(gè)用于去調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符號(hào)周期可以擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號(hào)周期的N倍，因此時(shí)延擴(kuò)展與符號(hào)周期的比值也同樣可降低為1／N。在OFDM系統(tǒng)中，為了最大限度地消除符號(hào)間干擾，可以在每個(gè)OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，而且該保護(hù)間隔的長(zhǎng)度Tg一般要大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾。

　　當(dāng)多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔時(shí)，可以保證在FFT的運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，不會(huì)發(fā)生信號(hào)相位的跳變。因此，OFDM接收機(jī)所看到的僅僅是存在某些相位偏移的、多個(gè)單純連續(xù)正弦波形的疊加信號(hào)，而且這種疊加也不會(huì)破壞子載波之間的正交性。然而，如果多徑時(shí)延超過(guò)了保護(hù)間隔，則在FFT運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)相位的跳變，因此在第一路徑信號(hào)與第二路徑信號(hào)的疊加信號(hào)內(nèi)就不再只包括單純連續(xù)正弦波形信號(hào)，從而導(dǎo)致子載波之間的正交性有可能遭到破壞，就會(huì)產(chǎn)生信道間干擾(ICI)，使得各載波之間產(chǎn)生干擾。

　　2.1.2循環(huán)前綴(CP)

　　為了消除由于多徑傳播造成的信道間干擾ICI，一種有效方法是將原來(lái)寬度為T的OFDM符號(hào)進(jìn)行周期擴(kuò)展，用擴(kuò)展信號(hào)來(lái)填充保護(hù)間隔。將保護(hù)間隔內(nèi)(持續(xù)時(shí)間用Tg表示)的信號(hào)稱為循環(huán)前綴(CyclicPrefix，CP)。在實(shí)際系統(tǒng)中，當(dāng)OFDM符號(hào)送入信道之前，首先要加入循環(huán)前綴，然后進(jìn)入信道進(jìn)行傳送。在接收端，首先將接收符號(hào)開始的寬度為Tg的部分丟棄，然后將剩余的寬度為T的部分進(jìn)行傅里葉變換，再進(jìn)行解調(diào)。在OFDM符號(hào)內(nèi)加入循環(huán)前綴可以保證在一個(gè)FFT周期內(nèi)，OFDM符號(hào)的時(shí)延副本內(nèi)所包含的波形周期個(gè)數(shù)也是整數(shù)，這樣，時(shí)延小于保護(hù)間隔Tg的時(shí)延信號(hào)就不會(huì)在解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生信道間干擾ICI。

　　2.2 OFDM基本參數(shù)的選擇

　　各種OFDM參數(shù)的選擇就是需要在多項(xiàng)要求沖突中進(jìn)行折衷考慮。通常來(lái)講(如前所述)，首先要確定三個(gè)參數(shù)：帶寬、比特率以及保護(hù)間隔。按照慣例，保護(hù)間隔的時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)該為應(yīng)用移動(dòng)環(huán)境信道下時(shí)延均方根值的2～4倍。

　　一旦確定了保護(hù)間隔，則OFDM符號(hào)周期長(zhǎng)度就可以確定。為了最大限度地減少由于插入保護(hù)間隔所帶來(lái)的信噪比損失，希望OFDM符號(hào)周期長(zhǎng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于保護(hù)間隔長(zhǎng)度。但是符號(hào)周期長(zhǎng)度又不可能任意大，否則OFDM系統(tǒng)中包括更多的子載波數(shù)，從而導(dǎo)致子載波間隔相應(yīng)減少，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度增加，而且還加大了系統(tǒng)的峰值平均功率比，同時(shí)使系統(tǒng)對(duì)頻率偏差更加敏感。因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般選擇符號(hào)周期是保護(hù)間隔長(zhǎng)度的5倍，這樣由于插入保護(hù)比特所造成的信噪比損耗只有1 dB左右。

　　在確定了符號(hào)周期和保護(hù)間隔之后，子載波的數(shù)量可以直接利用-3 dB帶寬除以子載波間隔(即去掉保護(hù)間隔后的符號(hào)周期的倒數(shù))得到或者可以利用所要求的比特速率除以每個(gè)子信道的比特速率來(lái)確定子載波的數(shù)量。每個(gè)信道中所傳輸?shù)谋忍厮俾士梢杂烧{(diào)制類型、編碼速率和符號(hào)速率來(lái)確定。

　　(1)有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間

　　有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間T對(duì)子載波之間間隔和譯碼的等待周期都有影響，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的吞吐量，子載波數(shù)目和FFT的長(zhǎng)度要有相對(duì)較大的數(shù)量，這樣就導(dǎo)致了有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間的增大。在實(shí)際應(yīng)用中，載波的偏移和相位的穩(wěn)定性會(huì)影響兩個(gè)載波之間間隔的大小，如果為移動(dòng)著的接收機(jī)，則載波間隔必須足夠大，這樣才能忽略多普勒頻移。總之，選擇有用符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，必須以保證信道的穩(wěn)定為前提。

　　(2)子載波數(shù)

　　子載波數(shù)目越多，有用信號(hào)越平坦，帶外衰減也快，越接近矩形，越符合通信要求，但子載波數(shù)目不能過(guò)多，越接近矩形的結(jié)果對(duì)接收端的濾波器要求越高(只有理想濾波器才能過(guò)濾，否則就造成交調(diào)干擾)。因此在子載波數(shù)目的選擇上要綜合考慮傳遞信息的有效性和可行性。

　　子載波數(shù)可以由信道帶寬、數(shù)據(jù)吞吐量和有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間T所決定：

　　N=1/T

　　子載波數(shù)可以被設(shè)置為有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間的倒數(shù)，其數(shù)值與FFT處理過(guò)的數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

　　(3)調(diào)制模式

　　可以通過(guò)改變發(fā)射的射頻信號(hào)幅度、相位和頻率來(lái)調(diào)制信號(hào)。對(duì)于OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只能采用前兩種調(diào)制方法，而不能采用頻率調(diào)制的方法，這是因?yàn)樽虞d波是頻率正交，而且攜帶獨(dú)立的信息，調(diào)制子載波頻率會(huì)破壞這些子載波的正交特性，這是頻率調(diào)制不能在OFDM系統(tǒng)中采用的原因。

　　短波通信中可以采用MPSK，MQAM的調(diào)制方式。正交幅度調(diào)制要改變載波的幅度和相位，他是ASK和PAK的結(jié)合。矩形QAM信號(hào)星座具有容易產(chǎn)生的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。此外，它們也相對(duì)容易解調(diào)。矩形QAM包括4QAM，16QAM以及64QAM等，因此每個(gè)星座點(diǎn)分別所對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù)量為2，4，6。采用這種調(diào)制方法的步長(zhǎng)必須為2，而利用MPSK調(diào)制可傳輸任意比特?cái)?shù)量如1，2，3，分別對(duì)應(yīng)2PSK，4PSK以及8PSK，并且MPSK調(diào)制的另一個(gè)好處就是該調(diào)制方案是等能量調(diào)制，不會(huì)由于星座點(diǎn)的能量不等而為OFDM系統(tǒng)帶來(lái)PAPR較大的問(wèn)題。

　　3系統(tǒng)仿真結(jié)果

　　根據(jù)OFDM的基本原理，利用Matlab編寫的系統(tǒng)仿真程序，仿真參數(shù)設(shè)置為：每信噪比條件下傳輸1 000個(gè)OFDM符號(hào)，共有64個(gè)子波，F(xiàn)FT／IFKT點(diǎn)數(shù)為64，循環(huán)前綴長(zhǎng)度為3μs，基帶調(diào)制模塊選擇為MPSK或者M(jìn)QAM方式，多普勒頻移為200 Hz，通過(guò)小尺度衰落信道模型進(jìn)行仿真。在上述前提條件下，仿真結(jié)果如下：