單載波調(diào)制和OFDM調(diào)制

單載波的調(diào)制：

單載波的調(diào)制就是采用一個信號載波傳送所有的數(shù)據(jù)信號。無線信道的多路徑散射會造成相鄰符號之間的干擾，就是我們常說的符號間干擾（ISI）。如果這一信號使有用信號惡化，影響到射頻信號的正確解調(diào)，那么有兩種方法來解決：
一種是在接收機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，即采用兩個不同方向的天線來進行接收。對于3.5G的頻段，在城市的覆蓋區(qū)中，不同天線接收的信號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的信號的比例。對于這些延遲速度的值，本地時間均衡器提供一個簡單的解決方法。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。
時分單載波處理系統(tǒng)提供很大的靈活性，因為發(fā)射的數(shù)據(jù)包能被動態(tài)調(diào)整到恰當(dāng)?shù)拈L度，而最小數(shù)據(jù)包的長度上沒有限制。如果需要，很小長度的數(shù)據(jù)包都能夠被處理，如短的確認(rèn)信號等。這種方式相對于以數(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。

單載波調(diào)制的其它關(guān)鍵優(yōu)勢：
單載波避免了多載波系統(tǒng)的在各相位相同時的最大瞬時電功率與平均電功率的比值（PAPR）很大的問題，這樣在設(shè)計中可以采用更經(jīng)濟高效的功率放大器，技術(shù)更成熟，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高。
單載波系統(tǒng)對頻率偏移和相位噪聲要求相對于OFDM系統(tǒng)要低得多。
對于突發(fā)的點對多點的通信系統(tǒng)，單載波的調(diào)制方式能夠使頻率和時間同步設(shè)計變得更加簡單，同時提高了系統(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，這種方式將一個載波分為許多個帶寬較窄的次載波，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進行編碼。
次載波頻分器將信號反轉(zhuǎn)，使之正交，對于n個次載波，每一個次載波的符號速率被載波調(diào)制器分為整個符號速率的1/n，這使得調(diào)制后符號速率長于多經(jīng)延遲從而減少符號間干擾（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)雜性在于同時發(fā)射端和接收端進行傅立葉變換。

OFDM調(diào)制并不能增加信號電平
接收信號的電平取決于中心站收發(fā)信機的發(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)，對于同樣頻段的射頻信號，同樣的中心站發(fā)射功率譜密度，在同一個CPE遠(yuǎn)端站處，接收到的信號電平是恒定的，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)計較好的OFDM系統(tǒng)可以有效解決多經(jīng)干擾問題（請注意，并不是所有的OFDM系統(tǒng)都可以有效作到這一點）。OFDM系統(tǒng)通過多個次載波同步傳輸有效載荷，并采用差錯糾正編碼，對于因為多路徑接收到的、時延不同的、相位不同的信號有較好的抑制。
如果該CPE遠(yuǎn)端站的接收電平低于接收機門限電平，那么，OFDM系統(tǒng)同樣無法正確解調(diào)，CPE在該地點也無法工作。
設(shè)計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)，而衡量一個系統(tǒng)的好壞不能只看一個系統(tǒng)是否是OFDM調(diào)制方式，而應(yīng)該看該系統(tǒng)的實際實現(xiàn)方式，如次載波的數(shù)量就是一個最基本的因素。目前市場中通常設(shè)計的次載波數(shù)量有多種，如64、128、256、512、1024個次載波等，其中，次載波的數(shù)量越多，對多經(jīng)干擾的抑制能力越強，反之越差。如采用64或128個差載波設(shè)計的系統(tǒng)對多經(jīng)的抑制極為有限，但是設(shè)計簡單，成本低，容易實現(xiàn)，反之，如512或1024次載波，對多經(jīng)干擾抑制能力較強，但是成本較高，設(shè)計復(fù)雜，產(chǎn)品的成熟度較差。市場上真正作到512或1024個次載波的系統(tǒng)少之又少。

循環(huán)前導(dǎo)開銷：
每個OFDM次載波符號中必須包含一個循環(huán)前導(dǎo)碼，用來避免符號間干擾。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個次載波中只有200個次載波用來傳輸有效載荷，其余的載波用來坐差錯糾正編碼、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。在寬帶無線接入系統(tǒng)中，通過無線電波進行傳送數(shù)據(jù)，會有多種環(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信道中一個無效的頻率導(dǎo)致一個或多個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。實現(xiàn)OFDM的基本要求是在每個接收機的每個次載波中均作到信號電平和比特率之間的最優(yōu)化，但是對于下行采用廣播方式的系統(tǒng)來說是不可能的。
避免每個次載波出現(xiàn)無效頻率相應(yīng)的另外一種方法是使用差錯控制編碼，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，，這樣會造成整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的嚴(yán)重下降，另外，這樣會增加接收機的復(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)	每載波的信號速率khz	碼元長度	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，對于FFT的包的尺寸也要增加，使得每個發(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)時產(chǎn)生大的延遲和較低的效率。OFDM的時延長主要是由于一個完整的OFDM數(shù)據(jù)塊只夠傳輸一個最小的突發(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)我們在寬帶無線接入系統(tǒng)中采用3.5Mhz的帶寬。采用單載波調(diào)制，符號速率為2.5MHz，采用ATM封裝，分別利用OFDM和單載波進行傳送，對于單載波調(diào)制采用16QAM的調(diào)制方式，對于OFDM調(diào)制方式采用53個次載波，每一個載波承擔(dān)一個ATM信元，外加一些子信道用于防護帶和引導(dǎo)作用，例如，在512個次載波的OFDM信元中（有效地次載波信元為425個），能夠承載8個ATM信元。但是，OFDM符號不能夠被發(fā)送，直到該符號是滿的，這就意味著如果僅僅一個ATM信元被發(fā)送，那么它的有效延遲和7個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)的同步相對于單載波調(diào)制系統(tǒng)來講，要難以實現(xiàn)一些。需要花費一些OFDM符號，每一個符號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）,因為其中有足夠的時間來處理同步信號，但是，對于突發(fā)性的數(shù)據(jù)來講，點對多點的傳送（特別是上傳時）系統(tǒng)能夠處理同步信號的時間就變得非常的少，而同步信號對于系統(tǒng)而言，又是必須的。（PrasetyoDD）
最大瞬時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也會隨之增加，下表二顯示了不同數(shù)量的次載波對應(yīng)的PAPR的CDF值。舉例來講：一個帶有512個次載波的OFDM波的PAPR動態(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，但是對同步、差錯糾正編碼、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，不利于運營商的成本回收。
系統(tǒng)吞吐量�。�
由于輪詢前導(dǎo)碼、錯誤控制碼和減小PARR，每個3.5MHz載波中，有大于500KHz的頻率需用來傳輸控制、糾錯和同步等信息，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)低于SC系統(tǒng)，每個中心站能夠支持的用戶數(shù)量也少得多，因為運營商的頻率資源有限，每個扇區(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)量的方法來實現(xiàn)，相應(yīng)增加了運營商的設(shè)備投資和運營成本。
綜 述：
ü 單載波調(diào)制：
單載波調(diào)制系統(tǒng)提供了一個高效率、高靈活性和穩(wěn)定性高的點對多點無線通信解決方案。包長可以動態(tài)調(diào)整，對所有的大包、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。
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。然而對于突發(fā)業(yè)務(wù)、點對多點的無線方面，在功率/比特率自適應(yīng)方面不適合，因為錯誤控制碼是強制性的，這樣降低了系統(tǒng)的吞吐量。循環(huán)前導(dǎo)碼標(biāo)明了一個附加開銷和固化的OFDM符號尺寸導(dǎo)致對小包的時延，延時直到整個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)在功放方面的費用遠(yuǎn)高于一個同等的單載波系統(tǒng)。另一個特殊費用負(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，同步和接入競爭開銷。這些開銷意味著對OFDM系統(tǒng)整體而言很大，效率很低。
很難對大多數(shù)的OFDM系統(tǒng)進行量化的評估。一個設(shè)計很好的單載波系統(tǒng)在多通道傳輸時可與OFDM相匹配，也可提供相當(dāng)?shù)男�率，可以提�?0％的實際用戶的業(yè)務(wù)速率。對一個OFDM系統(tǒng)，同樣的設(shè)計為40%左右——是同樣的單載波系統(tǒng)的一半數(shù)據(jù)吞吐量。對頻率資源有限的3.5GHz無線接入來說，僅僅是因為采用了OFDM標(biāo)準(zhǔn)，很多帶寬資源被浪費了。
最重要的一點是，技術(shù)本身無所謂好和壞，關(guān)鍵是看該技術(shù)是否適合某一個特定的市場的需求，是否適合特定應(yīng)用的要求，是否適合運營商的實際需求。對于3.5GHz無線固定接入市場來說，如果幫助運營商用最少的成本，來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的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)更為重要。