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(wú)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(shuō)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(lái)解決：
一種是在接收機(jī)端采用均衡器來(lái)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(lái)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)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(méi)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OFDM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(wèn)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(lái)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(wú)線傳輸鏈路中的衰落情況，也就是說(shuō)，無(wú)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(wèn)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(wèn)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(guò)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�、時(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，那么，OFDM系統(tǒng)同樣無(wú)法正確解調(diào)，CPE在該地點(diǎn)也無(wú)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(kāi)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(lái)避免符號(hào)間干擾。但是循環(huán)前導(dǎo)碼導(dǎo)致極大的開(kāi)銷，而且次載波越多，循環(huán)前導(dǎo)碼開(kāi)銷越大，頻譜利用率越低，這些次載波的開(kāi)銷加起來(lái)的總開(kāi)銷遠(yuǎn)大于單載波的開(kāi)銷。而開(kāi)銷大對(duì)于3.5GHz有限的頻率資源是極為不利的。
減少開(kāi)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(kāi)銷和系統(tǒng)性能是OFDM無(wú)法調(diào)和矛盾，對(duì)于3.5GHz無(wú)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(lái)傳輸有效載荷，其余的載波用來(lái)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(lái)作頻率隔離。如此可見(jiàn)，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(wú)線接入來(lái)說(shuō)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(wú)線接入系統(tǒng)中，通過(guò)無(wú)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(wú)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(méi)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(lái)說(shuō)是不可能的。
避免每個(gè)次載波出現(xiàn)無(wú)效頻率相應(yīng)的另外一種方法是使用差錯(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(méi)有電平/速率適配器，用在誤碼調(diào)制上的開(kāi)銷將是無(wú)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）
OFDM	128	19.5	128	51	128
OFDM	256	9.75	256	103	640
OFDM	512	4.88	512	205	1664
OFDM	1024	2.44	1024	410	3712
SC	1	2500	96	38	0

(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，f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。OFDM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)趯拵�無(wú)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，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(lái)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，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(lái)處理同步信號(hào)，但是，對(duì)于突發(fā)性的數(shù)據(jù)來(lái)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(lái)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�？傊�，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)吞吐量小：
由于輪詢前導(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(lái)傳輸控制、糾錯(cuò)和同步等信息，即開(kāi)銷，當(dāng)所有的開(kāi)銷定義以后，OFDM系統(tǒng)的吞吐量要遠(yuǎn)低于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(guò)增加中心站數(shù)量的方法來(lái)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：
ü 單載波調(diào)制：
單載波調(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(wú)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(wèn)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。
ü OFDM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(wú)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(kāi)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(lái)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(wú)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。OFDM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(kāi)銷。這些開(kāi)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�率，可以提�?0％的實(shí)際用戶的業(yè)務(wù)速率。對(duì)一個(gè)OFDM系統(tǒng)，同樣的設(shè)計(jì)為40%左右——是同樣的單載波系統(tǒng)的一半數(shù)據(jù)吞吐量。對(duì)頻率資源有限的3.5GHz無(wú)線接入來(lái)說(shuō)，僅僅是因?yàn)椴捎昧薕FDM標(biāo)準(zhǔn)，很多帶寬資源被浪費(fèi)了。
最重要的一點(diǎn)是，技術(shù)本身無(wú)所謂好和壞，關(guān)鍵是看該技術(shù)是否適合某一個(gè)特定的市場(chǎng)的需求，是否適合特定應(yīng)用的要求，是否適合運(yùn)營(yíng)商的實(shí)際需求。對(duì)于3.5GHz無(wú)線固定接入市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，如果幫助運(yùn)營(yíng)商用最少的成本，來(lái)最大限度地利用有限的頻率資源，遠(yuǎn)比盲目追求華而不實(shí)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)更為重要。