無線通信集成電路概述

無線通信與遙測OFDM 技術(shù)

OFDM 是一種多載波調(diào)制技術(shù)，它把一個寬帶的頻率選擇性信道劃分為 N 個窄帶平坦衰落信道，從而具有很強的抗多徑衰落和抗脈沖干擾的能力。另外，OFDM 子載波間相互重疊并保持正交，所以頻譜利用率高。在 20 世紀五十年代，美國軍方創(chuàng)建了第 1 個多載波系統(tǒng)，它是 OFDM 的雛形。由于受到技術(shù)和器件的制約，在接下來的十幾年中，OFDM 的實踐之路走得比較艱難。1971 年，Weinstein 和 Ebert 提出采用離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)和離散傅里葉逆變換(Inverse DFT，IDFT)對 OFDM 進行調(diào)制解調(diào)，1980 年P(guān)eled 和 Ruiz 提出采用循環(huán)保護前綴消除符號間干擾的思路，隨著數(shù)字器件的飛速發(fā)展，快速傅里葉變換(FastFourier Transform，F(xiàn)FT)的實現(xiàn)已變得非常容易，其他一些在實現(xiàn)中難以克服的困難也得到了相應(yīng)的解決，至此，OFDM 走上無線通信的舞臺。到 20 世紀 90 年代，OFDM 開始被歐洲和澳大利亞應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播(Digital AudioBroadcasting，DAB)、高清晰度數(shù)字電視(High-Definition TV，HDTV)和無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)。目前，OFDM 已廣泛應(yīng)用于 WiFi,WiMAX，并作為第 4 代無線寬帶多媒體通信系統(tǒng)的主流技術(shù)。OFDM 由于其子載波的正交性，導(dǎo)致對于頻偏非常敏感。所以頻偏估計成為 OFDM 的一個關(guān)鍵技術(shù)，針對這一問題，研究人員進行了大量的研究，提出了許多解決方案。從文獻中可以看出，已有的頻偏估計算法可以分為兩大類，一類是數(shù)據(jù)輔助的估計算法，利用導(dǎo)頻或單獨的訓(xùn)練符號估計頻偏，這類估計算法性能良好且計算量較小，但是會浪費寶貴的帶寬資源。這類算法的研究已經(jīng)比較完善，不論是算法性能，還是計算復(fù)雜度，都足以滿足工程應(yīng)用的要求。目前關(guān)于這類算法的研究大多屬于錦上添花或者只追求學(xué)術(shù)價值；另一類是盲估計算法，這類算法一般性能較差且計算量大，但是它們具有帶寬利用率高，信號不容易被截獲的優(yōu)點。這類算法的研究還不是很完善，尋找可以與數(shù)據(jù)輔助類算法相比擬的盲估計算法是研究人員奮斗的目標。另外，由于 OFDM 信號是由許多獨立調(diào)制的子載波疊加而成，這就有可能在某個時刻出現(xiàn)一個很大的峰值功率，導(dǎo)致峰均功率比問題，即 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)，這是 OFDM 的另一個關(guān)鍵問題。由于峰值功率過高，對功率放大器動態(tài)范圍要求很高，提高了整個系統(tǒng)的成本。若峰值功率超過功放的線性放大范圍，就會引起線性失真。目前，已有大量 PAPR 抑制算法，具有代表性的方法有剪波法，壓擴變換法，加擾方法以及編碼的方法。剪波法實現(xiàn)簡單，能將 PAPR 壓得很低，但是會帶來非線性失真，導(dǎo)致性能惡化；壓擴變換法抑制效果好，且實現(xiàn)簡單，但也會帶來非線性失真，導(dǎo)致性能惡化；加擾是一種無失真 PAPR 抑制方法，但是計算量大，PAPR 改善有限；編碼的方法可以很好地抑制 PARR，但是隨著子載波個數(shù)的增加，計算量呈指數(shù)增長，所以只適合子載波數(shù)較小的情況?？傊?，目前還沒有一個既簡單而且性能良好的 PAPR 算法，為了解決這一問題，研究人員把注意力集中到功放的線性化——數(shù)字預(yù)失真技術(shù)(Digital Pre-Distortion，DPD)上來，將 PAPR 抑制與 DPD 綜合考慮，這一思路應(yīng)該是解決 PAPR 問題的最好途徑。

無線通信與遙測SC/FDE 技術(shù)

為了解決 OFDM 的 PAPR 以及頻偏敏感的問題，研究人員提出 SC/FDE 技術(shù)，然而開始并未受到重視。直到1995 年，Sari 等人對 SC/FDE 技術(shù)進行研究，發(fā)現(xiàn) OFDM 與 SC/FDE 之間具有驚人的相似性，從此 SC/FDE技術(shù)漸漸受到關(guān)注。它的原理是在發(fā)射端，它省去了 IFFT 處理，簡化了發(fā)射端結(jié)構(gòu)，也避免了產(chǎn)生大 PAPR 的問題；在接收端，通過 FFT 將信號變換到頻域，進行簡單的頻域均衡(因為頻域均衡可以省去卷積運算，實現(xiàn)簡單)，然后再通過 IFFT 變換到時域。與 OFDM系統(tǒng)相比，它不但降低了 PAPR 和功放的線性要求，而其對頻率偏移和相位噪聲的敏感程度遠遠小于 OFDM 系統(tǒng)。此外，它依然具有和 OFDM 系統(tǒng)相同的頻域均衡性能，而且它也可以與 MIMO 技術(shù)結(jié)合，組成 MIMO-SC/FDE 系統(tǒng)。由于它具有優(yōu)良的性能，而且處理方式和 OFDM 非常相似，2003 年 4 月出臺的 IEEE 802.16a 標準規(guī)定了 OFDM 系統(tǒng)和 SC/FDE 系統(tǒng)兩種傳輸模式。在 B3G/4G 的上行鏈路中，也準備采用此項技術(shù)。對于 SC/FDE 的研究，主要集中在 MIMO-SC/FDE 上。

無線通信與遙測MIMO 技術(shù)

MIMO 技術(shù)是指使用多個相關(guān)或者不相關(guān)的發(fā)送天線或者接收天線的技術(shù)，通常有單發(fā)多收(SIMO)、多發(fā)單收(MISO)和多發(fā)多收(MIMO)等幾種形式，它是繼時域、頻域之后，人們從空域開發(fā)的一項新技術(shù)。MIMO 最早是由 Marconi 于 1908 年提出。到 20 世紀 90 年代中后期，Bell 實驗室取得了一系列的研究成果，主要包括：Foshinia 與 Telatar 等人從理論上證明了收發(fā)兩端均使用多個天線，可以使通信鏈路容量成倍增加。即在 Nt發(fā)射天線，Nr 接收天線的 MIMO 系統(tǒng)中，信道容量隨 min[Nt, Nr]線性增加。Foshinia于 1996 年首先提出了分層空時編碼技術(shù)，頻譜效率可達到 40 bps/Hz 以上。1998 年，Tarokh 等人提出了空時分組編碼技術(shù)。這些研究成果對 MIMO 的研究起了很大的推動作用，開創(chuàng)了無線通信的一場新的技術(shù)革命。之后，全世界許多學(xué)術(shù)機構(gòu)、大公司對 MIMO 都給予了極大的關(guān)注，并投入大量人力財力去研究，使得 MIMO 得到了飛速發(fā)展。目前，3GPP 在標準中已經(jīng)加入了 MIMO 技術(shù)，在無線寬帶接入領(lǐng)域，如 802.16e,802.11n,802.20 等都采用了 MIMO 技術(shù)。人們普遍認為，在 4G 中 MIMO 是一項必選技術(shù)。對于 MIMO 的研究，主要集中在發(fā)射分集和空間復(fù)用、數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)、空時編碼(Space-Time Coding，STC)、信道估計、自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptive Modulation and Coding，AMC)以及多用戶 MIMO 系統(tǒng)等方面。