作者：威视锐科技
12 OFDM:正交频分复用
OFDM是一种数字多载波调制方法，它允许在无线多径信道上高效、可靠地传输和接收数据。因此，它已成为各种无线通信技术和标准的首选调制方案，包括4G LTE，5G NR，Wi-Fi以及数字音频和视频广播。
在通过信道的传输过程中，无线电信号在其所占用的频带内可能会经历非线性增益。对于宽带信号尤其如此，它可能会受到占用频带的复杂响应的影响。在这种情况下，通道被称为“频率选择性”，因为信号中存在的频率分量范围经历不同的增益。通常情况下，通过在接收机内施加补偿频率响应来均衡信道响应(在整个信号带宽上实现近似线性增益)是可取的。这种均衡响应是通过测量和适应信道环境来计算的。当信道具有复杂的频率响应时(即“时变”)，均衡可能特别困难。
OFDM通过将宽带、频率选择信道分成几个并行子信道来解决这个问题。这些子通道中的每一个都足够窄，以确保它们单独经历“平坦衰落”，这意味着单个子通道的响应是恒定增益，或简单的线性响应。因此，子通道可以单独使用一个非常简单的补偿响应均衡。子信道的使用显著降低了均衡时变多径信道的总体复杂性。图12.1对比了这两种
在每一子信道上传输的数据在组合形成最终传输信号以不同的子载波调制。子载波频率是正交的，这使得干扰子信道可以在接收机处分离，与非正交多载波调制(MCM)相比，提高了频谱效率。正交子载波的使用相当于反离散傅立叶变换(IDFT)，这意味着调制和解调过程可以使用快速傅立叶变换(FFT)算法有效地实现。此外，循环前缀(CP)保持了多径信道中子载波的正交性，提供了一种防止信道引起的码间干扰(ISI)的机制。
12.1 OFDM机理
在无线信道中，传输的信号被信号路径中的物体反射、折射、衍射和散射。这导致信号通过多个不同的路径到达接收机的是几个延迟和缩放版本。图12.2显示了一个示例信道，包括一个直接视距(LoS)路径和两个非视距(NLoS)路径。NLoS路径的产生是因为一些信号成分被位于发射机和接收机之间的物体反射。
每个可解析多径分量可以建模为具有时变复幅度(由幅值分量和相位分量组成)和时变延迟。它表示为：
与平坦衰落信道相反，在频率选择信道中，不同的信号频率经历不同的衰落量，ISI更显著，这使得均衡信道更加困难。然而，对于具有显著延迟扩展的信道中的高数据速率通信，有必要均衡频率选择信道。
图12.3展示了基带信道滤波器的示意图。如果没有LoS分量，则从零均值复正态分布中提取系数，并且信道称为瑞利衰落。相反，如果存在LoS分量，则系数遵循均值非零的复正态分布，因此信道被归类为梯度衰落。
在接收机中，有必要实现均衡器来补偿信道的影响。在单载波系统中，如QPSK和QAM，均衡器通常在时域中使用自适应滤波器实现，其权重使用发送端和接收端都已知的训练序列更新以及自适应算法，如递归最小二乘(RLS)或最小均二乘(LMS)。图12.4显示了训练模式下的线性均衡器。
线性均衡器也被称为零强迫均衡器，因为它试图反转通道，从而消除ISI。它的主要缺点是它放大了通道响应中的大衰减处的噪声，因为它应用了大增益来补偿信号功率的损失。因此，线性均衡器通常限于平坦衰落信道。在初始训练模式之后，均衡器切换到决策导向模式(DDM)来跟踪训练期间信道的变化。
另一种常见的均衡器形式是决策反馈均衡器(DFE)。DFE使用一种反馈滤波器的形式，其中输入是期望的信号d[n]。图12.5显示了训练模式下的DFE。
由于我们对在高延迟传播环境中实现100 Mbps(和接近Gbps)的数据速率感兴趣，因此很明显，需要更多计算效率更高的均衡方法。这为MCM, 更具体地说是OFDM技术的发展提供了动力和基本原理。
12.2 多载波调制
在MCM中，高速率符号流被分成几个并行的低速率流，每个流调制一个不同的子载波。选择子载波的个数是为了保证每个子载波的带宽小于信道相干带宽。因此，每个子载波经历一个平坦衰落信道，可以在接收机中以低复杂度进行均衡，这样，就不再需要直接均衡频率选择通道，从而降低了均衡过程的总体复杂性。图12.6展示了MCM发射机。
很明显，MCM方案的潜在好处被计算和频谱使用方面的额外开销所抵消。
