内容简介: 正交频分复用(OFDM)是一种多载波传输技术,目前已广泛应用于各种通信系统(特别是无线通信系统)中。本书在分析OFDM基本原理的基础上,重点阐述实现OFDM系统的各项关键技术,包括同步技术、信道估计技术、峰平比抑制技术、自适应位加载技术和快速傅里叶变换的硬件实现等。在内容的安排上,以分析各种算法及其性能为主,并配有丰富的图表以提高本书的可读性,避免过于繁复的理论推导。.

本书可作为高等院校通信工程及其相关专业研究生、高年级本科生的教材和参考书,也可作为从事通信及其相关领域的工程技术人员的参考书。...　

目录: 第一章正交频分复用的基本原理
1．1频率选择性信道的通信.
1．2正交频分复用基础
1．3正交频分复用基本原理
1．4上采样和成形滤波对OFDM信号的影响
1．5本章小结
参考文献
第二章OFDM同步
2．1同步偏差对OFDM信号的影响
2．2符号(帧)定时同步
2．3频率同步
2．4采样时钟同步
2．5基于频域导频的相位补偿
2．6本章小结
参考文献
第三章OFDM信道估计
3．1导频图案的选择，
3．2导频(或训练序列)位置的信道估计
3．3基于内插的信道估计
3．4基于DFT的信道估计方法
3．5OFDM信道估计实例
3．6本章小结
参考文献
第四章峰平比抑制技术
4．1峰平比PAPR的产生原理
4．2直接削波法
4．3部分传输序列法和选择映射法
4．4压扩削波
4．5编码法
4．6升余弦脉冲峰值抵消方法
4．7预测削波
4．8本章小结
参考文献
第五章OFDM系统中的自适应位加载技术
5．1信息论基础
5．1．1并行高斯信道的容量
5．1．2高斯信道的信噪比差额
5．1．3高斯信道的信噪比裕量
5．1．4并行高斯信道的几何信噪比
5．1．5并行离散高斯信道的注水算法
5．2位加载准则
5．2．1速率最大化准则
5．2．2裕量最大化准则
5．3常见的位加载算法
5．3．1贪婪算法..
5．3．2Chow算法
5．3．3Fischer算法
5．3．4Campello算法
5．4一种基于裕量最大的快速最优比特分配算法
5．4．1算法分析
5．4．2性能仿真与算法复杂度分析
5．5一种基于贪婪算法的改进算法
5．5．1算法分析
5．5．2性能仿真
5．6本章小结
参考文献
第六章快速傅里叶变换(FFr)的实现
6．1基四FFT算法
6．1．1频率抽取的基四FFT算法
6．1．2硬件实现结构
6．1．3并行双蝶算结构
6．2分裂基FFT算法
6．2．1频率抽取的分裂基FFT算法
6．2．2硬件实现结构
6．2．3分裂基与基二、基四算法的比较
6．3本章小结
参考文献
第七章其它技术
7．1直接变换和模拟正交调制
7．1．1直接变换发射机方案
7．1．2模拟正交调制和预补偿建模
7．1．3基于测试音的模拟正交调制失衡补偿算法
7．2突发信号检测与自动增益控制
7．3物理层与MAC层接口的实现
7．4多普勒频移估计
7．4．1估计方法分类
7．4．2基于OFDM循环前缀的多普勒频移估计
7．5本章小结
参考文献...
附录AIEEE 802．lla的系统参数
附录BDVB-T的系统参数
附录C缩略语表
编后语

前言: 在无线通信系统中，各种物体对传输信号的反射导致了多径传播。由于不同传播路径具有不同的、随机的延迟特性，从而使得无线信道表现出时间色散特性。由此引起的符号间干扰(ISI)是无线通信系统设计中必须考虑的问题，特别是在高速传输的环境中。
消除ISI的典型手段是采用信道均衡技术，可选的信道均衡算法包括最大似然序列检测、线性均衡、判决反馈均衡和自适应均衡等。所有均衡器的计算复杂度都随归一化信道色散长度L(L＝最大多径时延／符号周期)的增加而增加，当数据速率较低时，L较小，均衡器的实现是可行的；当数据速率较高时，L较大，均衡器的实现将变得复杂、难以实现。以传输符号速率20Msymbol／s、最大多径时延10us为例，ISI将扩展到200个符号(即L=200)，均衡器几乎不可能实现。
多载波传输技术是解决上述问题，让数据以较高的速率在较大时延的信道上传输的途径之一。它的基本思想是把一个高速率的数据流分解成许多低速率的子数据流，以并行方式在多个子信道上传输。在每个子信道上，符号周期将大于原始的符号周期，从而可以消除或部分消除ISI。多载波传输的思想可以追溯到20世纪60年代，从那时起逐渐有人提出并行数据传输、多信道数据传输、频谱交叠的频分复用(FDM)、用离散傅里叶变换(DFT)实现FDM等方案。
正交频分复用(OFDM)是多载波传输技术的一种，与其它多载波传输技术不同，在OFDM中各子信道之间在时域上互相正交，因此信道干扰的影响被减小为在每个子信道上乘以一个复传输因子，在接收端不需要时域的均衡器，大大简化了接收端的信号处理过程。与传统单载波传输技术相比，OFDM具有较高的频谱利用率，其频谱利用率随着子信道数目的增加而接近两倍于单载波系统，趋近Nyquist极限，并且可根据信道条件进行自适应的比特和功率分配，以充分利用信道容量，在无线频谱资源日益紧张的今天，OFDM的这一特性具有很大的吸引力。另外，由于功率可以按照子信道进行分配，可以将发射功率集中在某些子信道上，集中功率发射，扩大覆盖范围。
由于技术条件的限制，OFDM最早只被应用在军方高频(HF)无线通信之中。早期OFDM应用的一个例子，是用于高频(HF)无线电的AN／GSC-10(KATHRYN)可变速率数据调制解调器，该系统使用多达34个PSK调制的低速率并行信道，这些子信道采用正交频率配置，子信道间隔为82Hz信道，并提供了保护时间间隔。OFDM也曾被应用于其它高频(HF)军事系统，如KINE-PLEX和ANDEFT等。
当子信道数量很大时，并行系统所要求的正弦波发生器组和相关解调器组使设计变得极其昂贵和复杂。而且接受端需要解调载波和采样时间足够精确，以使各子信道间的串扰可以接受。为解决这一问题，Weinstein等人在1971年提出将DFT引入并行数据传输系统作为调制解调过程的一部分，并提出了一个完整的正交频分复用(OFDM)系统方案，包括用快速傅里叶(FFT)产生OFDM信号、在多径环境下加入循环前缀(又称保护间隔)等。于是采用FFT的专用硬件设备就可以实现全数字式OFDM系统，完全避免了FDM所需的大量子信道正弦波发生器组和相关解调器组等设备。
20世纪80年代，OFDM被研究用于高速调制解调器、数字移动通信和高密度记录等领域。Hirosaki探索了基于DFT、多路QAM复用的OFDM技术，并设计了一个使用多路QAM复用的19．2kb／s音频数据调制解调器。该系统采用了插入导频的方式来稳定载波频率和时钟频率，并采用网格编码来减少所需的载波噪声比(CNR)。在此阶段，OFDM技术被用于研制不同速率的调制解调器，以用于电话网络。.
OFDM还被用来抵消移动信道中频率选择性衰落和多普勒频移的影响，OFDM可以有效地减少由瑞利分布衰落引起的突发性误差，体现出很强的鲁棒性。如果说在信号频带中出现的深凹陷会严重损坏单载波系统的性能，那么对OFDM系统，只有落在频带凹陷处的子信道及其携带的信息受影响，其它的子信道未受损害，因此系统总的误比特率(BER)性能要好得多。1985年， L.JCimini分析和模拟了OFDM在数字移动信道中的性能，显示出在突发性瑞利衰落环境下OFDM系统比单载波系统具有更好的性能。1988年，D．Decker将网格编码引入到OFDM系统，并取得美国国家专利。
从20世纪90年代初开始，随着对OFDM及其相关技术研究的深入，随着DSP和VLSI技术的成熟，高速多阶QAM调制技术、网格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟的技术逐步引入到无线通信领域中来，妨碍OFDM实现的技术瓶颈(包括复杂计算、高速存储器等)不复存在。特别是随着无线多媒体业务的发展，OFDM被认为是一种实现高速双向无线数据通信的优选方案，得到了广泛应用。
在无线局域网(WLAN)方面，无论是欧洲的ETSI HYPERLANⅡ标准，日本的MMAC标准，还是美国的IEEE 802．11a标准，都把OFDM作为惟一的解决方案，来实现高速无线宽带数据传输。在高清晰度电视(HDTV)传输方面，在现有的三种地面传输协议中，欧洲的DVB-T标准和日本的ISDB-T标准都采用了OFDM技术；尽管美国提出了基于单载波残留边带调制(VSB)的ATSC标准，但是他们也看到了OFDM技术在该领域的巨大潜力，并投入了大量的人力和物力进行多载波OFDM传输方案的研究。在数字蜂窝移动通信系统方面，OFDM技术曾经作为第三代移动通信(3G)的备选技术，只是由于当时技术不成熟而未被采纳，但未来的新一代移动通信(B3G)已将OFDM列为主流的物理层技术之一，以实现高速移动数据传输，如AT&T的方案和中国的FuTURE计划。另外，OFDM还被应用于欧洲的数字音频广播(DAB)标准、宽带无线接人(例如IEEE 802．16)、宽带有线接人(例如xDSL)、卫星广播、短波／超短波通信、电力线通信等。
尽管OFDM有众多的优点，并得到了广泛的使用，但它本身也有一些技术难点需要解决。在基于DFT的OFDM系统中，所有子信道调制器的输出都自动地叠加在一起，合并后的信号具有类似于高斯噪声的幅度特性，从而使OFDM信号具有较大的动态范围，对射频功放的线性化要求较高。OFDM对定时和频率偏移也很敏感，当定时和频率偏移较大时，OFDM的正交性将无法保证，就必然引起各子信道之间的载波间干扰(ICI)及ISI。
本书围绕实现OFDM系统的各项关键技术而展开，全书总共由七章组成。
第一章是“正交频分复用的基本原理”，主要阐述OFDM的发展背景和基本知识。发展背景主要是对频率选择性信道的通信进行分析，基本知识包括OFDM的频谱效率、系统容量、优缺点、OFDM信号及其在不同类型信道中传输的特点、OFDM信号在连续时间域和离散时间域的表达形式、循环前缀的作用、OFDM系统参数的选择等。第一章是本书后续各章的基础。
第二章是“OFDM同步”，主要阐述OFDM系统中实现符号定时同步、载波频率同步、采样时钟同步和相位补偿的各种典型方法，是实现OFDM接收机的基础。本章还对各种同步误差对OFDM信号的影响进行了较为详细的分析。
第三章是“OFDM信道估计”，主要阐述基于导频辅助(PSAM)的各种信道估计方法，包括导频图案设计、导频点信道响应的获取和各种内插方法。本章还对IEEE 802．11a系统和DVB-T系统中的信道估计方案设计进行了探讨。..
第四章是“峰平比抑制技术”，主要阐述OFDM系统中峰平比(PAPR)产生的原理和各种峰平比抑制技术。峰平比产生原理包括其定义和理论公式推导，各种峰平比抑制技术包括直接削波、部分传输序列法和选择映射法、压扩削波、编码法、峰值抵消法、预测削波等。
第五章是“OFDM系统中的自适应位加载技术”，主要阐述与自适应位加载技术有关的信息论基础、位加载准则和各种位加载技术。信息论基础包括并行高斯信道的容量、高斯信道的信噪比差额、高斯信道的信噪比裕量、注水算法等，位加载准则包括速率最大化准则、裕量最大化准则，位加载技术包括常见于文献的几种传统位加载算法以及在它们基础上进行改进得到的新算法。
第六章是“快速傅里叶变换(FFT)的实现”，主要阐述FFT的高速硬件实现方案。考虑到目前流行的各种类型的OFDM系统中，子载波数目一般都是2的整数次幂，因此本章内容主要围绕基四FFT算法和分裂基FFT算法而展开，并把流水线结构和并行结构的思想融人其中。
第七章是“其它技术”，主要阐述OFDM实现过程中必须考虑但又相对独立的几项技术，包括中频方案中的直接变换和模拟正交调制，突发数据业务传输OFDM系统中的突发信号检测和自动增益控制，物理层与MAC层之间的接口设计，移动OFDM系统中的多普勒频移估计等。
本书是作者在参与国家自然科学基金重点项目、国家“十五”“863”重大专项FUTURE计划、IEEE 802．1la系统开发项目、DVB-T系统开发项目的基础上撰写而成，其中凝聚了上海交通大学无线通信技术研究所众多师生的集体智慧和研究成果。在此向参与本书工作的各位老师、同学表示衷心的感谢。本书的出版还得到国防工业出版社的大力支持，在此也向参与本书编辑工作的同志表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，本书难免有一些错误和不妥之处，欢迎读者批评指正。...
本书有关的科研工作得到国家自然科学基金项目(编号：60332030)的部分资助。
作者
2005年6月于上海