單載波調(diào)制和OFDM調(diào)制

1、單載波調(diào)制和OFDM調(diào)制單載波的調(diào)制： 單載波的調(diào)制就是采用一個(gè)信號(hào)載波傳送所有的數(shù)據(jù)信號(hào)。無線信道的多路徑散射會(huì)造成相 鄰符號(hào)之間的干擾，就是我們常說的符號(hào)間干擾（ISI）。如果這一信號(hào)使有用信號(hào)惡化， 影響到射頻信號(hào)的正確解調(diào)，那么有兩種方法來解決：一種是在接收機(jī)端采用均衡器來消除ISI干擾，可以達(dá)到接近OFDM調(diào)制的誤碼率。 另一種是采用分集天線的方式可以有效地消除這種干擾，即采用兩個(gè)不同方向的天線來進(jìn)行 接收。對(duì)于 3.5G 的頻段，在城市的覆蓋區(qū)中，不同天線接收的信號(hào)必須將延遲均方根值速 度限制在1us或者更少，盡量減少延遲速度大于10us的信號(hào)的比例。對(duì)于這些延遲速度的 值，本地時(shí)

2、間均衡器提供一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法。按照這種方式，單載波系統(tǒng)能夠與OFDM 調(diào)制方式提供相同的誤碼率。時(shí)分單載波處理系統(tǒng)提供很大的靈活性，因?yàn)榘l(fā)射的數(shù)據(jù)包能被動(dòng)態(tài)調(diào)整到恰當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，而 最小數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度上沒有限制。如果需要，很小長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包都能夠被處理，如短的確認(rèn)信 號(hào)等。這種方式相對(duì)于以數(shù)據(jù)塊交換的系統(tǒng)如0FDM有著更高的傳輸效率和更低傳輸延遲 的優(yōu)點(diǎn)。單載波調(diào)制的其它關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)： 單載波避免了多載波系統(tǒng)的在各相位相同時(shí)的最大瞬時(shí)電功率與平均電功率的比值（PAPR）很大的問題，這樣在設(shè)計(jì)中可以采用更經(jīng)濟(jì)高效的功率放大器，技術(shù)更成熟， 系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高。單載波系統(tǒng)對(duì)頻率偏移和相位噪聲要求相對(duì)于OFDM

3、系統(tǒng)要低得多。 對(duì)于突發(fā)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信系統(tǒng)，單載波的調(diào)制方式能夠使頻率和時(shí)間同步設(shè)計(jì)變 得更加簡(jiǎn)單，同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。OFDM 調(diào)制：OFDM 調(diào)制方式是一種多載波調(diào)制方式，這種方式將一個(gè)載波分為許多個(gè)帶寬較窄的次載 波，這些次載波相互正交，采用快速傅立葉變換將這些次載波信號(hào)進(jìn)行編碼。次載波頻分器將信號(hào)反轉(zhuǎn)，使之正交，對(duì)于n個(gè)次載波，每一個(gè)次載波的符號(hào)速率被載波 調(diào)制器分為整個(gè)符號(hào)速率的1/n,這使得調(diào)制后符號(hào)速率長(zhǎng)于多經(jīng)延遲從而減少符號(hào)間干擾 （ISI）。但是還是需要均衡器來糾正次載波的相位和增益。OFDM系統(tǒng)的復(fù)雜性在于同時(shí) 發(fā)射端和接收端進(jìn)行傅立葉變換。OFDM 調(diào)制并不能增加信

4、號(hào)電平 接收信號(hào)的電平取決于中心站收發(fā)信機(jī)的發(fā)射電平、回饋、天線增益和無線傳輸鏈路中的衰 落情況，也就是說，無論采用何種調(diào)制技術(shù)，對(duì)于同樣頻段的射頻信號(hào)，同樣的中心站發(fā)射 功率譜密度，在同一個(gè)CPE遠(yuǎn)端站處，接收到的信號(hào)電平是恒定的，采用OFDM技術(shù)并不 能提高該遠(yuǎn)端站的接收電平。那么，OFDM能解決什么問題呢？設(shè)計(jì)較好的OFDM系統(tǒng)可以有效解決多經(jīng)干擾問題 （請(qǐng)注意，并不是所有的OFDM系統(tǒng)都可以有效作到這一點(diǎn)）。OFDM系統(tǒng)通過多個(gè)次載 波同步傳輸有效載荷，并采用差錯(cuò)糾正編碼，對(duì)于因?yàn)槎嗦窂浇邮盏降摹r(shí)延不同的、相位 不同的信號(hào)有較好的抑制。如果該CPE遠(yuǎn)端站的接收電平低于接收機(jī)門限電平，

5、那么，OFDM系統(tǒng)同樣無法正確 解調(diào)， CPE 在該地點(diǎn)也無法工作。設(shè)計(jì)了均衡器的單載波系統(tǒng)同樣可以達(dá)到類似的效果。次載波的數(shù)量:OFDM只是一種調(diào)制技術(shù)，而衡量一個(gè)系統(tǒng)的好壞不能只看一個(gè)系統(tǒng)是否是OFDM調(diào)制方 式，而應(yīng)該看該系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式，如次載波的數(shù)量就是一個(gè)最基本的因素。目前市場(chǎng)中 通常設(shè)計(jì)的次載波數(shù)量有多種，如64、128、256、512、1024 個(gè)次載波等，其中，次載波 的數(shù)量越多，對(duì)多經(jīng)干擾的抑制能力越強(qiáng)，反之越差。如采用64 或 128 個(gè)差載波設(shè)計(jì)的系 統(tǒng)對(duì)多經(jīng)的抑制極為有限，但是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)，反之，如512或 1024次載 波，對(duì)多經(jīng)干擾抑制能力較強(qiáng)，但

6、是成本較高，設(shè)計(jì)復(fù)雜，產(chǎn)品的成熟度較差。市場(chǎng)上真正 作到512或 1024個(gè)次載波的系統(tǒng)少之又少。循環(huán)前導(dǎo)開銷：每個(gè) OFDM 次載波符號(hào)中必須包含一個(gè)循環(huán)前導(dǎo)碼，用來避免符號(hào)間干擾。但是循環(huán)前導(dǎo) 碼導(dǎo)致極大的開銷，而且次載波越多，循環(huán)前導(dǎo)碼開銷越大，頻譜利用率越低，這些次載波 的開銷加起來的總開銷遠(yuǎn)大于單載波的開銷。而開銷大對(duì)于3.5GHz有限的頻率資源是極為 不利的。減少開銷的辦法是減少次載波的數(shù)量，但是，相應(yīng)的抑制多經(jīng)的能力也較差。顯然，開銷和 系統(tǒng)性能是OFDM無法調(diào)和矛盾，對(duì)于3.5GHz無線接入頻率資源少的情況就尤其明顯。另外，每256個(gè)次載波中只有200個(gè)次載波用來傳輸有效載荷，

7、其余的載波用來坐差錯(cuò)糾正編碼、同步控制、重傳等。每3.5MHz載波中有大于500KHZ用來作頻率隔離。如此可見， 為了實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制，系統(tǒng)需要犧牲很多寶貴的頻率資源和特性，我們認(rèn)為對(duì)頻率資源有 限的3.5GHz無線接入來說是非常不合算的。頻率控制：OFDM 采用正交的次載波，在這些次載波中有1%的空間用于頻率控制。頻率偏移誤差意味 著次載波不能夠正交，這樣會(huì)導(dǎo)致載波間干擾從而造成設(shè)備性能的下降。例如：在3.5MHz的帶寬中，分為512個(gè)次載波，頻率間隔為6.8KHZ，要求頻率的準(zhǔn)確度 高于68Hz。正由于這種原因，OFDM對(duì)于頻率偏移和相位噪聲的要求非常高，需要特性較 高的射頻處理部件。次載

8、波的數(shù)量越多，頻率間隔越小。要求的頻率準(zhǔn)確度也越高。在寬帶 無線接入系統(tǒng)中，通過無線電波進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)，會(huì)有多種環(huán)境因素導(dǎo)致額外的頻率偏移，使 得目前的 OFDM 系統(tǒng)的穩(wěn)定性能遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)OFDM編碼和解碼的要求：OFDM信道中一個(gè)無效的頻率導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)次載波的信噪比變得非常低，這些次載波將導(dǎo) 致總的誤碼率下降。正是以上原因，OFDM沒有任何的電平/速率適配器和調(diào)制解調(diào)器。在 這一方面，比單載波調(diào)制的效果要差一些。實(shí)現(xiàn)OFDM的基本要求是在每個(gè)接收機(jī)的每個(gè) 次載波中均作到信號(hào)電平和比特率之間的最優(yōu)化，但是對(duì)于下行采用廣播方式的系統(tǒng)來說是 不可能的。避免每個(gè)次載波出現(xiàn)無效頻率相應(yīng)的另外一

9、種方法是使用差錯(cuò)控制編碼，采用非常低的編碼 速率，通常是在0.5到0.75范圍之間,該種編碼后的OFDM和單載波調(diào)制有著相似的效果,， 這樣會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的嚴(yán)重下降，另外，這樣會(huì)增加接收機(jī)的復(fù)雜度，特別是卷 積碼的復(fù)雜度。OFDM 和單載波調(diào)制在復(fù)雜度上最大的區(qū)別是：如果沒有電平/速率適配器，用在誤碼調(diào)制 上的開銷將是無法避免的并且非常的大。調(diào)制方式次載波（n）每載波的信號(hào)速率khz碼元長(zhǎng)度延遲（us）額外延遲（Bits）OFDM12819.512851128OFDM2569.75256103640OFDM5124.885122051664OFDM10242.441024410371

10、2SC1250096380（表一：OFDM和單載波的延遲比較）延遲和包處理：OFDM中的快速傅立葉變換被執(zhí)行的包的大小為” f。在這里，與次載波的數(shù)量n的值相等。 如果次載波的數(shù)量增加，對(duì)于FFT的包的尺寸也要增加，使得每個(gè)發(fā)送的包需要最小的包 尺寸，導(dǎo)致傳輸小的突發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生大的延遲和較低的效率oOFDM的時(shí)延長(zhǎng)主要是由于一 個(gè)完整的 OFDM 數(shù)據(jù)塊只夠傳輸一個(gè)最小的突發(fā)數(shù)據(jù)包。在表一中，我們可以看到：OFDM系統(tǒng)和單載波系統(tǒng)的延遲和額外延遲數(shù)據(jù)。假設(shè)我們?cè)趯?帶無線接入系統(tǒng)中采用3.5Mhz的帶寬。采用單載波調(diào)制，符號(hào)速率為2.5MHz，采用ATM 封裝，分別利用OFDM和單載波進(jìn)行傳送

11、，對(duì)于單載波調(diào)制采用16QAM的調(diào)制方式，對(duì)于 OFDM調(diào)制方式采用53個(gè)次載波，每一個(gè)載波承擔(dān)一個(gè)ATM信元，外加一些子信道用于防 護(hù)帶和引導(dǎo)作用，例如，在512個(gè)次載波的OFDM信元中（有效地次載波信元為425個(gè)）， 能夠承載8個(gè)ATM信元。但是，OFDM符號(hào)不能夠被發(fā)送，直到該符號(hào)是滿的，這就意味 著如果僅僅一個(gè)ATM信元被發(fā)送，那么它的有效延遲和7個(gè)ATM凈荷一樣（即n=512）. 單載波傳送系統(tǒng)非常有效，這是由于數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度能夠被減少到適合ATM的凈速率。同步：OFDM系統(tǒng)的同步相對(duì)于單載波調(diào)制系統(tǒng)來講，要難以實(shí)現(xiàn)一些。需要花費(fèi)一些OFDM符 號(hào)，每一個(gè)符號(hào)要花去一部分次載波用于尋址

12、，這在寬帶OFDM中是可行的（例如HDTV）, 因?yàn)槠渲杏凶銐虻臅r(shí)間來處理同步信號(hào)，但是，對(duì)于突發(fā)性的數(shù)據(jù)來講，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳送（特 別是上傳時(shí)）系統(tǒng)能夠處理同步信號(hào)的時(shí)間就變得非常的少，而同步信號(hào)對(duì)于系統(tǒng)而言，又 是必須的 （PrasetyoDD）最大瞬時(shí)電功率與平均電功率的比值（PAPR）:隨著次載波數(shù)量的增加，PAPR也會(huì)隨之增加，下表二顯示了不同數(shù)量的次載波對(duì)應(yīng)的PAPR 的CDF值。舉例來講：一個(gè)帶有512個(gè)次載波的OFDM波的PAPR動(dòng)態(tài)范圍為6-9dB,平 均值為8dB。采用編碼的方式使PAPR值小范圍的減少是可能的，這這種做法的代價(jià)是減少 了有用數(shù)據(jù)的比例。一般采用OFDM方式編

13、碼的功放要比單載波的功放要多4-5dB的功放 回退.高成本：OFDM系統(tǒng)比SC系統(tǒng)的成本要高一些主要是由于OFDM在頻率控制方面需要很高的要求和 在功率回退方面的線性要求。并且，次載波數(shù)量越多，系統(tǒng)性能越好，但是對(duì)同步、差錯(cuò)糾 正編碼、關(guān)鍵元器件的精度和穩(wěn)定性等的要求越高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)越復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性越難控制。 總之，成本低的 OFDM 系統(tǒng)的性能較差，性能好的系統(tǒng)成本也高，不利于運(yùn)營(yíng)商的成本回 收。系統(tǒng)吞吐量?。河捎谳喸兦皩?dǎo)碼、錯(cuò)誤控制碼和減小PARR,每個(gè)3.5MHz載波中，有大于500KHZ的頻率 需用來傳輸控制、糾錯(cuò)和同步等信息，即開銷，當(dāng)所有的開銷定義以后,OFDM系統(tǒng)的吞吐 量要遠(yuǎn)低

14、于SC系統(tǒng)，每個(gè)中心站能夠支持的用戶數(shù)量也少得多，因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商的頻率資源有 限，每個(gè)扇區(qū)的載波數(shù)量有限，為了達(dá)到和單載波系統(tǒng)相同的系統(tǒng)容量，只能通過增加中心 站數(shù)量的方法來實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)增加了運(yùn)營(yíng)商的設(shè)備投資和運(yùn)營(yíng)成本。綜述：U單載波調(diào)制：?jiǎn)屋d波調(diào)制系統(tǒng)提供了一個(gè)高效率、高靈活性和穩(wěn)定性高的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通信解決方案。包 長(zhǎng)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)所有的大包、小包的傳輸效率都很高。單載波系統(tǒng)避免了 PAPR，比如 與OFDM相關(guān)的相位噪聲和頻率偏移問題，單載波系統(tǒng)可以允許低成本的CPE硬件而不需 要折衷效果，可以支持更多的遠(yuǎn)端站用戶。UOFDM 調(diào)制：如果采用昂貴的、線性好的功放， OFDM 調(diào)制方式能夠提供

15、很好的性能。在每一個(gè)大功率 和高比特率的次載波都能提供最佳的效果和的DSL系統(tǒng)，OFDM工作效果也很好。然而對(duì) 于突發(fā)業(yè)務(wù)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線方面，在功率/比特率自適應(yīng)方面不適合，因?yàn)殄e(cuò)誤控制碼是 強(qiáng)制性的，這樣降低了系統(tǒng)的吞吐量。循環(huán)前導(dǎo)碼標(biāo)明了一個(gè)附加開銷和固化的OFDM符 號(hào)尺寸導(dǎo)致對(duì)小包的時(shí)延，延時(shí)直到整個(gè)OFDM碼元被填滿為止。高PAPR要求功率放大器 回退和線性特性很好，這些都將使OFDM系統(tǒng)在功放方面的費(fèi)用遠(yuǎn)高于一個(gè)同等的單載波 系統(tǒng)。另一個(gè)特殊費(fèi)用負(fù)擔(dān)是需要低噪聲的射頻器件來應(yīng)付增加的相位噪聲敏感性和頻率偏 移（OFDM的基本特性）。對(duì)固定的無線系統(tǒng)的適應(yīng)性頻譜利用率和吞吐量大多數(shù)OFDM是基于FWA特性討論了有限頻譜效率或者實(shí)際數(shù)據(jù)比特率，這些與每秒每赫 茲的調(diào)制效率是相反的oOFDM系統(tǒng)不可避免的需要很高的碼元傳輸，同步和接入競(jìng)爭(zhēng)開銷。 這些開銷意味著對(duì) OFDM 系統(tǒng)整體而言很大，效率很低。很難對(duì)大多數(shù)的 OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行量化的評(píng)估。一個(gè)設(shè)計(jì)很好的單載波系統(tǒng)在多通道傳輸時(shí) 可與 OFDM 相匹配，也可提供相當(dāng)?shù)男?，可以?/p>