OFDM通信系统信号处理流程详解
OFDM通信系统信号处理流程详解
OFDM（正交频分复用）是一种高效的数字信号传输技术，广泛应用于现代无线通信系统中。本文将详细介绍基于SISO（单输入单输出）信道的OFDM通信系统信号处理流程，包括发送端处理、信道模拟和接收端处理等关键环节。
一、概述
针对单输入单输出（SISO）信道设计一个完整的端到端 OFDM 通信系统。物理层传模拟了如 LTE、5G NR 和 WLAN 等标准化方案中，常见的同步信号、参考符号、控制信道和数据信道。该设计处理过程包括加扰、卷积编码、调制、滤波、信道失真、解调、最大似然解码等。
二、处理流程
2.1 发送端处理
发射端生成控制信号（同步信号、参考信号、报头和导频）和数据信号（传输块）。分别生成同步信号、参考信号和报头符号，然后与数据符号进行时分复用。
数据符号由单个用户组成，每个帧传输一次，构成一个数据传输块。在传输块有效载荷后添加循环冗余校验（CRC）。对数据进行加扰，为了在整个传输频谱上均匀分布数据功率。进行交织处理，防止深度衰落引起的突发错误。通过卷积编码，为前向纠错添加冗余比特。对数据进行打孔操作，通过减少冗余比特的数量来提高数据吞吐量。对传输块进行调制，使其准备好在 OFDM 帧中传输。对信号进行滤波，以减少带外发射。
2.2信道模拟
模拟传输信道，并在信道中引入衰落、加性高斯白噪声（AWGN）以及载波频率偏移。
下图可以展示由于多径衰落导致的频谱零点对接收信号频谱产生的影响，从频谱可以明显观察到由于多径带来的频率选择性衰落。
2.3接收端处理
对接收信号进行低通滤波，目的是去除可能引入噪声的带外能量。带外能量可能来自其他频段的干扰，通过低通滤波可以提高接收信号的质量。
通过时域相关和阈值判决的方法来执行同步信号检测，确定帧的起始位置。同步信号对于接收端正确解析后续信号至关重要。只有检测到同步符号后，接收端才可以与基站建立有效连接，在未检测到同步符号时，接收端处于未 “驻留” 到任何基站的状态，意味着无法正常接收和处理来自基站的信息。
在成功完成同步检测后，自动频率校正（AFC）会利用144个符号来估计频率偏移，具体方法是通过检测循环前缀（OFDM符号开头传输的符号样本末尾的副本）与符号末尾之间的相位偏移来实现。每6个符号用于计算一次频率偏移估计，最后对24次估计结果取平均值，以获得最终的滤波后的载波频率偏移（CFO）估计值。结合OFDM符号的持续时间信息，可以通过内积计算来估计频率偏移。随后，通过数控振荡器对频率偏移进行校正。一旦信号在时间偏移和频率偏移方面达到稳定状态，接收器即被视为已驻留并连接，此时将完整的帧解调为OFDM子载波。
为应对时变衰落，利用相邻帧中的两个参考符号在不同时间点对信道进行估计，然后对这两个参考符号之间的信道估计值进行线性插值，从而为报头符号和数据符号提供信道估计。接着，依据信道估计值对符号进行均衡处理。 提取并解码报头，以获取如快速傅里叶变换（FFT）长度、子载波调制方案和编码速率等数据符号参数。随后，根据报头参数对数据符号进行解调。 数据符号中的导频用于估计毫米波传输中通常由相位抖动引起的公共相位误差（CPE）。CPE 对所有子载波的影响相同。通过解旋转误差来消除数据符号中的 CPE，然后将数据子载波软解码为对数似然比（LLRs）。 一旦获得比特流，在使用实现维特比算法进行最大似然解码之前，先对比特进行解交织。之后，对比特进行解扰，计算循环冗余校验（CRC），并将其与有效载荷中附加的 CRC 进行比较，以验证传输块。
下图将报头星座图和数据星座图画到一张图中。通过改变信道干扰情况，可以在图上叠加显示所有子载波在接收机补偿后的噪声。对于每种数据调制方式，均可以相对于参考星座图来测量误差矢量幅度（EVM）和调制误差比（MER）。