12 OFDM:正交频分复用
12.3 OFDM原理
为了实现更实用的MCM, OFDM采用正交子载波。正交特性允许子信道在频率上重叠，从而不需要保护带和昂贵的滤波器来保持子信道分离。此外，可以证明正交子载波的使用等同于数字域的IDFT，允许使用计算效率高的FFT算法实现调制和解调过程。
12.3.1 OFDM调制与解调
因此，通过采用正交子载波，信号可以在频率上重叠并在接收机上分离，而不需要昂贵的带通滤波器，这与通用MCM不同。图12.8说明了OFDM调制过程。
由于使用正交频率，子载波不会在其中心频率处干扰，从而允许它们在接收机处分离。
随着正交调制过程被IFFT所取代，OFDM发射机基本完成。然而，还有一种额外的成分被称为循环前缀(CP)。CP需要通过多径信道保持子载波的正交性，消除OFDM符号之间的ISI。
12.3.2 循环前缀
通过首先分析多径信道对各个子载波的影响，可以理解OFDM中CP的目的。
可以观察到，由于保护间隔是使用OFDM符号的一部分形成的，因此在CP和OFDM符号的开始之间没有不连续。这是有利的，因为CP和OFDM符号之间的任何不连续性都会导致带外频率分量的杂散。
注意，OFDM符号之间仍然存在不连续，但这些可以通过应用窗口技术在一定程度上减轻，以类似的方式在频谱分析中使用的窗口。
此外，如果我们将符号从CP的开始处开始，这相当于原始符号通过样本向右循环移动。因此，我们可以把OFDM符号的开始放在CP内的任何地方，只要我们补偿由此产生的相移可以观察到，由于保护间隔是使用OFDM符号的一部分形成的，因此在CP和OFDM符号的开始之间没有不连续。这是有利的，因为CP和OFDM符号之间的任何不连续性都会导致带外频率分量的杂散。
注意，OFDM符号之间仍然存在不连续，但这些可以通过应用窗口技术在一定程度上减轻，以类似的方式在频谱分析中使用的窗口。
此外，如果我们将符号从CP的开始处开始，这相当于原始符号通过样本向右循环移动。因此，我们可以把OFDM符号的开始放在CP内的任何地方，只要我们补偿由此产生的相移（这是由均衡器补偿的)。这是有利的，因为它允许更大的误差幅度在接收机的定时同步。但是，它不能从受ISI影响的CP的任何部分中取出。在大多数实际系统中，这是可以实现的，因为CP被设计得比预期的信道延迟扩展更长。
图12.15显示了通过多径信道滤波器后附加CP的子载波。在左边，多径信道的瞬态阶段现在发生在CP期间，因此不影响子载波。这意味着子载波只在稳态阶段进入信道，确保保持正交性。在右侧，衰减阶段被后续符号的CP所吸收(未显示)，从而防止了ISI。
12.4 OFDM发射机
在前面的章节中介绍了IFFT和CP之后，我们现在可以为OFDM发射机绘制一个更新的图，如图12.10所示，其中包括CP插入阶段。修改后的架构如图12.16所示。
应当指出，并非所有子载波都用于承载数据。特别是，同时传输零子载波和导频子载波。空子载波不包含数据，通常用于直流和外部子载波，以放松对抗混叠和抗成像滤波器的要求。此外，导频子载波携带称为“导频”或“参考信号”的特殊训练符号，例如在4G LTE和5G NR中，可用于同步目的、信道估计以及信号功率和信道质量测量。
作为示例，图12.17展示了基于IEEE 802.11-2012标准的OFDM符号的组成。OFDM符号的组成以频率与时间的关系表示。这种表示在4G LTE和5G NR标准中经常使用，在这些标准中，它被称为资源网格。这些标准采用一种称为正交频分多址(OFDMA)的多址方法，其中称为资源块的子载波块被分配给信道的不同用户。将资源块分配给不同的用户(在下行链路中，即基站到用户;与上行链路相反方向)由运行在基站(4G中的eNodeB或5G中的gNodeB)的介质访问控制(MAC)层的调度算法控制。
每个OFDM符号有四个导频子载波，它们分布在信号带宽上。在IEEE 802.11-2012标准中，这些用于接收机中的相位跟踪。信道估计是使用附加到每个数据包的特殊序言来处理的。这假设通道在单个数据包的持续时间内不会发生显著变化，这对于Wi-Fi是一个有效的假设通常是低的。相位误差是由残余频偏、振荡器相位噪声和采样频偏等无线电损伤引起的。由于这个相位误差因符号而异，它必须被“跟踪”，因此导频在每个OFDM符号中重复。图12.17所示的导频布置被称为梳状布置。
在4G和5G中，传输是连续的，因此数据不是以突发方式传输的，因此不能假设信道在传输期间保持恒定。因此，信道估计使用导频或参考信号通过频率和时间传播。为了简短起见，我们将只考虑4G的情况，因为5G中的参考信号配置需要比本章更彻底的处理。图12.18显示了4G中使用的试点安排。
试点分散在整个资源网格中，因此它被称为分散试点安排。导频在频率和时间上的间隔分别由信道的期望相干带宽和相干时间决定。特别是频率上的间隔必须小于相干带宽即：
这一要求意味着子载波间距应该比小。否则，将需要更多的导频来估计信道，从而降低频谱效率。在导频子载波上的信道估计在频率和时间上被插值(通常是线性的)来估计在数据子载波上的信道响应。这些信道估计可以用来平衡信道和恢复传输的数据符号。
零载波和导频子载波不携带数据，因此降低了OFDM可以实现的频谱效率。然而，通过精心设计，它们的使用可以尽可能地减少，同时仍然保证OFDM系统的性能。
文章来源：威视锐科技
