傳統 OFDM 系統的架構…

一個基本的 OFDM 系統可表示為下頁圖 2.1，其中資料以速率 ¹

∆t輸 入後被平行的放在 N 個不同的次載波上調變，此時資料的速率降低為

1

∆ ，較不易受到通道延遲擴展(Delay Spread)的影響。若將傳送的二

維資料 d(k)表示為 a(k)+jb(k)，則傳輸的訊號 D(t)可以表示為：

^N-1

0

D( )= { ( ) cos( _k )+ ( ) sin( _k )}

k

t a k w t b k w t

∑

= ^{其中 fk = f0 + ∆k f ，而∆f=}_{N t}¹_∆ ^(2.1)

圖 2.1 基本 OFDM 系統之傳送端與接收端方塊圖

由圖 2.1 我們可知，當 OFDM 系統使用很多次載波時，傳送端與 接收端的震盪器和同調解調器(Coherent Demodulator)實作複雜度將隨 之提高，而離散傅立葉轉換(Discrete Fourier Transform，DFT)恰巧可以 用來產生一個 OFDM 的傳輸訊號。一個 OFDM 訊號的每一個次載波訊 號可表示為

S ( )_c t =A ( )_c t ⋅e^{j w t[ c+φc( )]t} (2.2) 相對而言，反離散傅立葉轉換(Inverse DFT，IDFT)定義如下：

來產生，而 IDFT 運算又可用快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform，

FFT)進行加速。故下頁圖 2.2 便描述了一個以 FFT 為基礎的典型 OFDM 系統。

圖 2.2 FFT 為基礎的 OFDM 系統圖

圖中輸入的資料先經過一個串列/並列轉換器(S/P Converter)，在經 過訊號對應(mapping)後分成 N 筆資料以當作 N 個次載波的訊號輸入。

由於 IFFT 在訊號處理上是把頻域的訊號轉換為時域，故我們可將 N 個 次載波的輸入訊號當作是在頻域上的資料，IFFT 的輸出則視為時域的 訊號，此輸出再經由一個並列/串列轉換器(P/S Converter)變為串列形 式。接著我們在每個有效符元的前端插入護衛間隔，以避免由通道多 路徑效應所產生的 ISI。這些數位的資料經由數位/類比轉換器(D/A Converter)轉成類比形式且經過低通濾波器以限定其傳輸頻寬。在接收 端方面，工作大致為發射端的反運作，其中單軌等化器(One-Tap Equalizer)的功能是修正每個次載波訊號在經過通道時所產生的失真，

因此個別等化器上的相乘係數(Tap Coefficient)也就和對應次載波通道 的特性有關。使用 FFT 來實現 DFT 的優點為運算量可以大幅下降(由N²

減少為N log N⋅ ₂ 個相乘計算次數)，大量減少了實作上的困難。

2.1.3 OFDM 技術的特色 間的干擾(Intercarrier Interference，ICI)可因此而避免。

圖 2.3 OFDM 系統次載波的頻譜圖

護衛間隔

當通道的多路徑效應發生時，接收端的訊號就會產生 ISI，在 OFDM 系統中我們以護衛間隔來解決此問題。其作法就是在每個訊號的前面 加上有效符元的循環延伸(Cyclic Extension)，使符元時間變為

TTotal=TU+△，其中 TU是原本的有效符元(Useful Symbol)時間，△是護

衛間隔時間。圖 2.4 表示出一個插有護衛間隔的 OFDM 訊號。因為在 時域中的循環平移(Cyclic Shift)會在頻域上造成線性相位偏移，而線性 相位偏移可用差分檢測技術(Differential Detection Technique)消除，所以 我們只要在不受碼際干擾的區間內對訊號取樣一個有效符元的時間，

則取樣到的資料都可以用來解調。且護衛間隔的加入亦使得系統時序 的問題變小，因為只要接收端與傳送端訊號時間偏移(Timing offset)的 長度小於護衛間隔長度，我們就可以得到與傳送端訊號相差一個循環 平移的訊號以供解調。

圖 2.4 OFDM 訊號的示意圖

雖然護衛間隔能帶來以上的優點，但代價則是系統要付出較多的 傳送功率或頻寬：若是護衛間隔取得太小(小於路徑延遲時間)，則無 法發揮它應有的功能；但若護衛間隔取得太大，又會使系統增加太多 傳送功率或頻寬。現行系統的一般作法是讓護衛間隔長度成為整個符 元長度的百分之 25 左右。

OFDM 技術的優缺點 進接、抗干擾(Jamming & Interference)與保密性(Security)佳的優點，故 成為下一代行動通訊系統中與 OFDM 技術搭配的熱門人選。本小節便 針對展頻技術做簡單的介紹。

不同於分時多重進接(Time Division Multiple Access)與分頻多重進 接(Frequency Division Multiple Access)是以時間或頻率來區別不同用

戶，展頻技術的基本原理是利用不同展頻碼之間在數學上的特性來區 別各個使用者(或說單一使用者的不同的資料)。而這種區別用戶的方式 還可以同時對抗人為的刻意干擾，並達到不同蜂巢(Cell)的頻率重複使 用(Frequency reuse)。以直接序列展頻(Direct sequence spread spectrum) 技術為例，傳送端將原本較低速的窄頻訊號與較高速的展頻碼相乘，

得到展頻後的寬頻訊號，接收端只要將此寬頻訊號乘上相同的展頻 碼，就可還原最初的窄頻訊號，如下圖 2.5 所示。

圖 2.5 直接序列展頻技術在傳送與接收端的訊號處理示意圖

這種在接收端乘上展頻碼以還原訊號的方式，好處之一就是展頻 後的訊號在通道內遭遇能量集中的窄頻干擾時，此窄頻干擾會在接收 端被解展頻的動作變為能量較分散的寬頻干擾，相反地訊號能量則被 集中還原成窄頻，通過濾波器後就可以濾除大部分的干擾訊號。而在 傳送端有多用戶的情況下，每個用戶的資料使用不同的展頻碼作資料 展頻，在接收端對特定用戶解展頻時，由於其他用戶當初使用了不同 的展頻碼，故資料無法被還原而形成干擾，此干擾的強度就隨著不同 展頻碼之間的互相關性(Cross-correlation)而異。故須慎選具有適當特性 的展頻碼，以控制不同展頻碼造成的干擾現象。

2.3 多載波分碼多重進接技術簡介

了解 OFDM 與分碼 CDMA 技術後，本小節將介紹結合兩者的 MC-CDMA 技術[15][16]。基本的 MC-CDMA 系統如下圖 2.6 所示。

圖 2.6 MC-CDMA 系統傳送端與接收端架構圖

上圖的系統使用不同的展頻碼來區分不同的用戶(或者是同一用戶 的不同資料)，以第 k 個用戶的一份資料為例，此資料先複製成 N(展頻 碼與 FFT 的長度)份後再分別乘上同一組展頻碼中的不同切片(Chip)，

接著再將不同切片的資料放在不同的次載波上進行 OFDM 調變動作，

經並列轉串列後傳送出去。接收端只要進行 OFDM 解調後，再將各次 載波上的資料用相對應的展頻碼切片解展頻再相加，即可還原最初的 資料。

值得注意的是，由於同一組展頻碼中的不同切片經 OFDM 調變後 是放在不同的次載波之上，故此可視為在頻域的展頻動作。這樣的好 處是同一份資料的訊息(Information)將因此散布於所有的次載波上，故 在接收端可達到頻率分集(Diversity)的效果。

2.4 多路徑干擾消除技術簡介

圖 2.7 多路徑干擾消除技術運作原理示意圖

但可想而知的，由於作通道估計時，領航訊號除了同樣經過多重 路徑衰減外，更是與資料訊號同時被接收，故領航訊號將會受到自己 與資料訊號的嚴重干擾，造成通道估計的不準確，如此也影響接下來 的資料決策、多路徑干擾重建等動作，最終降低系統效能。是故上述 的第二個步驟將反覆地進行多次，而接收訊號的 SINR 也將隨之提升，

終達到理想的通道估計、資料決策與系統效能的表現。

第三章

多載波分碼多重進接系統 傳送機架構和通道模型

介紹完 OFDM 與 CDMA 技術，並簡要說明如何將兩者結合後，

本章將詳細說明本論文使用的 MC-CDMA 系統在傳送端的架構與運作 機制，並對系統使用的展頻碼與通道模型做一個介紹。

3.1 傳送端架構

本論文使用的 MC-CDMA 系統傳送端架構[10]如下頁圖 3.1 所示。

基地台欲傳送 K 筆資料，每一組的資料將分別依序經過 QPSK 調變與 展頻的動作，接著再將此 K 組展頻過後的資料疊加起來，經過 IFFT 將 資料進行正交分頻多工調變以放在不同的次載波上，此時的訊號被視 為由頻域轉至時域，然後再將此時域訊號加上一份亦經過展頻動作的 領航訊號，以方便接收端進行通道估計的動作，供多路徑干擾消除機 制使用。最後，每個資料訊號與領航訊號加總而得的資料框(Frame)在 傳送前尚需各別加上一段護衛間隔，以協助訊號抵抗通道所產生的 ISI 現象。

圖 3.1 MC-CDMA 系統傳送端架構圖

其中 F^-1代表 IFFT 矩陣。接著此訊號再與固定為 1 並經下一小節會介

m-序列可利用一組平移暫存器(Shift Register)產生，碼的長度 N 與 暫存器長度 m 有著 N=2^m-1 的關係，如下頁圖 3.2 所示。而一般在展頻

圖 3.2 m-序列產生器

華氏碼的正交性，使得它可以用來作不同用戶之間的展頻碼。假

其中

τ

為第二條路徑相對於第一條路徑的時間延遲，而a (t)₁ 與a (t)₂ 為 兩條路徑的複數變數增益，可表示成 N 個弦波相加，分別由兩個獨立 (independent)的傑克衰減模型(Jake's fading model)[17]所產生，其數學式 如下。 訊(Additive White Gaussian Noise，AWGN)的向量在頻域上的展現。

(3.9)

Channel output d diag H H H

第四章

搭配多路徑干擾消除技術之

多載波分碼多重進接系統接收端

介紹完傳送端的架構與通道模型後，此章將說明本論文所設計之多路 徑干擾消除技術如何與 MC-CDMA 系統接收端結合，並詳細敘述其運 作機制與流程。

4.1 接收端架構

搭配多路徑干擾消除技術之 MC-CDMA 系統接收端如下圖 4.1 所 示

圖 4.1 搭配多路徑干擾消除技術之 MC-CDMA 系統接收端

由通道輸出接收並轉基頻後的訊號，經過串列轉序列後移除護 衛間隔並進行 FFT，以利訊號在頻域做處理。此頻域訊號除暫存一份 做保留外，將依序經過一次類型一與多次類型二的干擾消除與重建

(Interference Cancellation and Reconstruction，ICR)方塊。第一級干擾消 除與重建方塊的輸出為資料粗估後重建的多路徑干擾，而第二級干擾 消除方塊就以此重建的干擾與當初保留的頻域訊號做輸入，進行干擾 消除與重建的工作，重建後的干擾再搭配當初保留的頻域訊號作為下 一級的輸入，重複進行干擾消除重建的動作…，因為多路徑的干擾逐 漸被消除乾淨，使得展頻碼之間的完美正交性漸漸被還原，多重進接 干擾逐漸降低，系統效能(Performance)也逐漸提升。下面我們就介紹類 型一與類型二的干擾消除重建方塊內部運作原理。

4.2 干擾消除與重建方塊：類型一

類型一的干擾消除與重建方塊內部架構如下圖 4.2 所示

圖 4.2 干擾消除與重建方塊內部架構：類型一

此方塊的功能是針對轉為頻域的接收端訊號進行通道估計、領航訊號

1. 最大比例合併方式(Maximum Ratio Combining，MRC)

此種通道匹配方式將各次載波上的相位均調整為零，且乘上與原 本通道頻率增益大小相同的值，如此則可以得到最大的訊號對雜訊功 率比(Signal to Noise power Ratio，SNR)。在一個傳送訊號只收到雜訊 影響，沒有干擾的情況下，最大的訊號對雜訊功率比即可保證最好的 系統效能表現，亦即此時 MRC 就是最好的通道匹配方式。

此種通道匹配方式將各次載波上的相位均調整為零，且乘上與原 本通道頻率增益大小相同的值，如此則可以得到最大的訊號對雜訊功 率比(Signal to Noise power Ratio，SNR)。在一個傳送訊號只收到雜訊 影響，沒有干擾的情況下，最大的訊號對雜訊功率比即可保證最好的 系統效能表現，亦即此時 MRC 就是最好的通道匹配方式。

在文檔中 多載波分碼多重進接系統中軟性多路徑干擾消除技術之研究 (頁 14-0)