不同編碼和調(diào)制方式對OFDM系統(tǒng)性能影響的仿真分析

1、目錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 引言11.2 研究背景和意義11.2.1 OFDM 技術(shù)發(fā)展歷史11.2.2 OFDM 技術(shù)應用領(lǐng)域21.2.3 OFDM 技術(shù)的優(yōu)缺點41.1.4 仿真工具介紹51.3 本文研究內(nèi)容62 OFDM原理72.1 無線信道的特征72.1.1 無線信道概述72.1.2 多普勒頻移72.1.3 多徑時延拓展82.2 OFDM基本原理92.2.1 OFDM基本結(jié)構(gòu)92.2.2 OFDM的實現(xiàn)122.3 OFDM在無線信道上傳輸?shù)膬?yōu)勢122.3.1 抗多徑衰落122.3.2 抗頻率選擇性衰落132.4 總結(jié)143 不同調(diào)制方式在OFDM系統(tǒng)中的性能比較15

2、3.1 Simulink在通信系統(tǒng)仿真的應用153.2 幾種調(diào)制方式的簡介153.2.1 QPSK調(diào)制153.2.2 QAM調(diào)制163.3 模型的建立173.3.1 整體框圖173.3.2 主要模塊說明183.4 仿真腳本文件的編寫193.5 仿真過程和結(jié)果193.6 總結(jié)204 采用RS編碼和不采用RS編碼時OFDM系統(tǒng)的性能比較224.1 RS編碼簡介224.2 模型的建立224.3 仿真過程和結(jié)果224.4 總結(jié)245 畢業(yè)設(shè)計總結(jié)25參考文獻26附錄 仿真程序28致謝30摘要正交頻分復用（OFDM）是一種特殊的多載波傳輸技術(shù)。它可以有效地對抗多徑衰落，能夠以很高的頻譜利用率來實現(xiàn)高速數(shù)

3、據(jù)傳輸。但是目前OFDM系統(tǒng)還有很多關(guān)鍵問題沒有解決，如對頻偏敏感、高的峰均功率比（PAPR）等，這就限制了OFDM 技術(shù)的廣泛應用。本文在分析無線信道特性的基礎(chǔ)上，基于OFDM系統(tǒng)的基本原理，研究了OFDM通信系統(tǒng)中常用的調(diào)制方式和編碼方式的性能比較。在此基礎(chǔ)上，基于Simulink構(gòu)建了完整的OFDM動態(tài)仿真系統(tǒng)，并完成Simulink模塊設(shè)置，確定搭建系統(tǒng)的主要參數(shù)，并對主要模塊的構(gòu)建方式進行了說明，同時編寫了仿真文件；就信道編碼及不同調(diào)制方式對 OFDM系統(tǒng)性能的影響進行了全面的仿真分析和比較。仿真分析表明，OFDM自身就具有良好的抗噪性能，只有在信噪比很低時，采用高抗噪的調(diào)制方式比較

4、有優(yōu)勢，不過一般還是會選用高級調(diào)制方式。同時雖然編碼的作用有限，但對降低誤碼率還是有一定作用的，還能應對一些突發(fā)情況?？傮w而言還是看到了OFDM優(yōu)越的性能，這也是它能被廣泛使用的重要原因。根據(jù)使用環(huán)境，應用適當?shù)木幋a和調(diào)制方式還是很有必要的。這也是本文仿真結(jié)果所體現(xiàn)出來的問題。關(guān)鍵詞：OFDM，衰落信道，Simulink，仿真分析AbstractOrthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a special kind of multi-carrier transmission technology. It can effective

5、ly combat multipath fading, with very high frequency spectrum utilization ratio to achieve high-speed data transmission. But many other key problems not solve the current OFDM systems, such as sensitive to frequency offset, high peak power ratio (PAPR), which limits OFDM technology is widely used.Ba

6、sed on the analysis of wireless channel characteristic, on the basis of based on the basic principle of OFDM system, modulation method is commonly used in OFDM communication system is studied and the encoding performance comparison. On this basis, based on Simulink, to build a complete OFDM dynamic

7、simulation system, and completes the Simulink module Settings, determine the main parameters of scaffolding system, and the way of building to illustrate the main module, at the same time write the simulation file; Is channel coding and modulation mode affect the performance of OFDM system has carri

8、ed on the comprehensive analysis of the simulation and comparison.Simulation analysis shows that the OFDM itself has good anti noise performance, only when SNR is very low, high noise modulation method has more advantages, but generally will choose advanced modulation method. Although encoding funct

9、ion is limited at the same time, but still have a role to reduce the bit error rate, can also cope with some emergency.In general, the performance of OFDM is superior, it is also important reason it can be widely used. According to use environment, applying the appropriate coding and modulation mode

10、 or very be necessary. This is also in this paper, the simulation results of the problem.Key words: OFDM, Fading channel, Simulink, simulation. 1 緒論1.1 引言隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，人類社會正在進入一個新的信息化時代，寬帶已成為當今通信領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一。正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術(shù)作為一種可以有效對抗符號間干擾 (Inter Symbol Interf

11、erence, ISI)的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，已經(jīng)受到前所未有的重視，對其關(guān)鍵技術(shù)的研究也正在緊張的開展。OFDM技術(shù)以其優(yōu)異的性能受到人們的青睞，并在移動通信、數(shù)字通信、數(shù)字廣播等領(lǐng)域得到應用，并已取得可喜的成果。這預示著OFDM良好的發(fā)展前景。正交頻分復用（OFDM）是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，它的基本思想是將高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，變成在若干個正交的窄帶子信道上并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流。OFDM 技術(shù)將傳送的數(shù)據(jù)信息分散到每個子載波上，使得符號周期加長并大于多徑時延，從而有效地對抗多徑衰落；OFDM技術(shù)利用信號的時頻正交性，允許子信道頻譜有部分重疊，使得頻譜利用率提高近一倍1?；贑D

12、MA技術(shù)的第三代移動通信系統(tǒng)雖然采用了眾多新技術(shù)，能夠支撐寬帶多媒體業(yè)務，但從系統(tǒng)容量、頻譜利用率等角度衡量，并未能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，因而難以滿足未來移動通信的需求；再次，業(yè)務的需求趨于多樣化，突發(fā)式的分組數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸將占據(jù)主導地位，3G所采用的直接擴頻CDMA技術(shù)由于其捕獲與同步方面的限制，很難直接應用于4G系統(tǒng)?？梢灶A見，具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力的正交頻分復用（OFDM）技術(shù)將是非常具有競爭力的空中接口技術(shù)2,3。1.2 研究背景和意義1.2.1 OFDM 技術(shù)發(fā)展歷史正交頻分復用技術(shù)己有近40年的發(fā)展歷史，其概念最早出現(xiàn)于20世紀50年代中期。60年代，人們對多載波調(diào)制(M

13、CM)技術(shù)進行了許多理論上的研究，形成了并行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復用的思想。同時，OFDM技術(shù)也被應用到美國軍用高頻通信系統(tǒng)中。1966年，R.W.Chang發(fā)表了Synthesis of band-limited orthogonal signals for multi channel data transmission一文。文中敘述了在線性帶限信道中，無ISI和ICI的同時傳輸信息的原理。1971年，Weinstein和Ebert提出了將離散傅立葉變換(DFT)引入并行傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)多載波調(diào)制的方法。這樣在實際應用中就可以依靠更為方便的快速傅立葉變換(IFFT/FFT)來完成OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和

14、解調(diào)功能，無需再使用梳狀濾波器，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)更趨實用化。但是由于當時受到實時傅立葉變換設(shè)備的復雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩(wěn)定性等相關(guān)技術(shù)條件的限制，OFDM技術(shù)沒有得到廣泛的應用。另一個重要貢獻是Peled和Ruiz在1980年做出的。他們引入了循環(huán)前綴(cyclic prefix, CP)這一概念，解決了正交性的問題；沒有采用插入空保護間隔的辦法，相反，用OFDM的循環(huán)延伸填充了保護間隔。當CP的時間比信道的脈相應時間長時，這樣就可以在色散信道上保持正交性。20世紀80年代，人們對多載波調(diào)制在高速MODEM、數(shù)字移動通信等領(lǐng)域中的應用進行了較為深入的研究。到了90年代，

15、數(shù)字信號處理技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，又為OFDM技術(shù)的實現(xiàn)掃除了障礙。此時，OFDM技術(shù)終于登上了通信的舞臺。高速數(shù)字信號處理(DSP)芯片的發(fā)展，使得OFDM優(yōu)越性更加突出。DSP與FFT技術(shù)的結(jié)合，使得OFDM開始迅速發(fā)展并被廣泛應用。DFT/IDFT、QAM技術(shù)、柵格編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應技術(shù)等成熟技術(shù)的逐步引入，人們開始集中越來越多的精力開發(fā) OFDM技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應用。OFDM的出現(xiàn)己有幾十年的歷史，但這種多載波傳輸技術(shù)在雙向無線數(shù)據(jù)方面的應用卻是近十年來的新趨勢。主要應用包括：非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)，ETSI標準的音頻廣播(DAB)，數(shù)字視頻廣播(

16、DVB)等。1999 年IEEE802.1la 通過了一個5GHz的無限局域網(wǎng)標準，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采用成為它的物理層標準。ETSI的寬帶射頻接入網(wǎng)(BRAN)的局域網(wǎng)標準也把OFDM定位他的調(diào)制標準技術(shù)4。1999 年12月，包括Ericsson，Nokia和Wi-LAN在內(nèi)的7家公司發(fā)起了國際OFDM論壇，致力于策劃一個基于OFDM技術(shù)的全球性單一標準。現(xiàn)在OFDM論壇的成員已增加到46個會員，其中15個為主要會員。我國的信息產(chǎn)業(yè)部也參加了OFDM論壇，可見OFDM在無線通信領(lǐng)域的應用在當時已引起國內(nèi)通信界的重視。2000 年11月，OFDM論壇的固定無線接入工作組向IEEE802.

17、16.3的無限城域網(wǎng)委員會提交了一份建議書，提議采用OFDM技術(shù)作為IEEE802.16.3城域網(wǎng)的物理層標準，隨著 802.1la和BRAN Hyper LAN/2兩個標準在局域網(wǎng)中的普及應用，OFDM技術(shù)將會進一步在無線數(shù)據(jù)本地環(huán)路的廣域網(wǎng)領(lǐng)域做出更大的貢獻。人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個人化和移動化的需求日益增長，OFDM技術(shù)在綜合無線接入領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應用。此外，還由于其具有高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，而被看作是第四代移動通信的核心技術(shù)之一5,6。1.2.2 OFDM 技術(shù)應用領(lǐng)域(1)移動通信領(lǐng)域OFDM技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度相當于GSM(Global System for M

18、obile Communication，全球移動通信系統(tǒng))和CDMA(Code Division Multiple Access，碼分多址)技術(shù)標準的10倍。從理論上講，OFDM技術(shù)要優(yōu)越于當前的全球移動運營商所采用的標準技術(shù)。預計第三代以后的移動通信的主流技術(shù)將是 OFDM技術(shù)。但問題是其成本和兼容性等問題與當前技術(shù)相比是否具有競爭力。近年來，OFDM開始與CDMA技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了MC-CDMA。該技術(shù)除了繼承了DS-CDMA的優(yōu)點外，還具有靈活、高系統(tǒng)容量、強抗干擾、無需復雜的均衡等優(yōu)點7。(2)數(shù)字傳輸領(lǐng)域OFDM在數(shù)字廣播領(lǐng)域也有杰出的表現(xiàn)。DAB (Digital Audio Br

19、oadcasting，數(shù)字語音廣播)/DMB (Digital Multimedia Broadcasting，數(shù)字多媒體廣播)具有音質(zhì)好(CD質(zhì)量)、可實現(xiàn)多媒體接收、可加密、并可利用衛(wèi)星大幅度提高廣播的覆蓋率等優(yōu)點，是廣播事業(yè)發(fā)展中的一個新的里程碑。采用OFDM技術(shù)后，系統(tǒng)發(fā)射功率減小、可高速移動接收、頻譜利用率高、有很強的抗干擾和在惡劣環(huán)境下接收的能力，有效的實現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速可靠的傳輸8。(3)計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域近年來，Internet以驚人的速度發(fā)展，Internet的用戶眾多，分布廣泛，傳統(tǒng)Modem僅能提供56Kbps的速度，ISDN業(yè)務最多也只能提供128Kbps的速度，這些都難以滿足

20、 Internet飛速發(fā)展的需要。寬帶技術(shù)開始興起，OFDM則以其良好的性能在該領(lǐng)域得到很好的應用。如已經(jīng)進入千家萬戶的ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Loop，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路)和正在不斷升溫的VDSL(Very High Bit Rate Digital Subscriber Line，甚高速數(shù)字用戶線路)。VDSL不對稱工作時，上行速率為1.6到2.3Mbps，下行速率可高達52Mbps；對稱工作時，尚下行速率均可高達26Mbpso ADSL采用不對稱工作方式，下行速率8Mbps，遠高于ISDN速率；而且上行速率也有1Mbps，傳輸距離則達到300

21、0m-5000m。在無線局域網(wǎng)領(lǐng)域，IEEE于1999年通過了一個5GHz的無線局域網(wǎng)標準802.11a ，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被作為它的物理層標準。802.11a工作于5.15-5.25GHz、5.25-5.35GHz或 5.725-5.825GHz 頻段，能提供的速率有6、12、18、24、36、48和54Mbps，其中必須支持6、12和24 Mbps。802.11a使用52個子載波，調(diào)制方式有BPSK、QPSK、16QAM及64QAM，采用了編碼率為1/2，2/3和3/4的前向糾錯編碼。ETSI的寬帶無線接入網(wǎng)(BRAN)項目HyperLAN2也把OFDM 定為它的調(diào)制標準技術(shù)。在未來的

22、寬帶接入系統(tǒng)中，OFDM將是一項基本技術(shù)。目前，OFDM 在電力線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中也得到了應用9。(4)電力線通信領(lǐng)域OFDM技術(shù)在電力線高速數(shù)字通信應用剛剛開始。目前,采用OFDM技術(shù)的公司有美國In-tellon公司、Wi-LAN公司、德國PolyTrax公司和Inari公司的第三代10Mb/s芯片組等。美國Intellon等61家公司組成家庭插座電力線聯(lián)盟(The Home Plug Power Line Alliance),旨在推動以電力線為傳輸媒介的數(shù)字化家庭(digital home)。最近,該聯(lián)盟研究的中、低壓配電網(wǎng)高速數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵技術(shù)多載波正交頻分復用技術(shù)(OFDM)取得了突破,于

23、2000年1月4日進行了組網(wǎng)實驗,研究實驗結(jié)果表明,可以在配電網(wǎng)電力線上實現(xiàn)14 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸。目前,基于OFDM技術(shù)的電力線高速數(shù)字通信產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸率已經(jīng)達到了14Mb/s 10。1.2.3 OFDM 技術(shù)的優(yōu)缺點OFDM 技術(shù)主要有如下幾個優(yōu)點：(1)抗衰落能力強OFDM使用戶信息通過多個子載波傳輸，在每個子載波上的信號時間就相應地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號時間長很多倍，因而對脈沖噪聲(impulse noise)和信道快衰落的抵抗力更強。同時，通過子載波的聯(lián)合編碼，達到了子信道間的頻率分集作用，也增強了對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再添加

24、時域均衡器。(2)頻率利用率高OFDM采用允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是傳統(tǒng)的利用保護頻帶分離子信道的方式，因而提高了頻率利用率。(3)適合高速數(shù)據(jù)傳輸首先，OFDM的自適應調(diào)制機制使不同的子載波可以根據(jù)信道情況和噪音背景的不同使用不同的調(diào)制方式：信道條件好時，采用效率高的調(diào)制方式；信道條件差時，采用抗干擾能力強的調(diào)制方式。另外，OFDM采用的加載算法使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進行傳送。因此，OFDM技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。(4)抗碼間干擾能力強碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。造成碼間干擾的原因有

25、很多，實際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環(huán)前綴，對抗碼間干擾的能力很強11,12。OFDM技術(shù)的不足之處包括：(1)對頻偏和相位噪聲比較敏感OFDM技術(shù)區(qū)分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴格的正交性。頻偏和相位噪聲會使各個子載波之間的正交特性惡化，僅僅1%的頻偏就會造成信噪比下降30dB。因此，OFDM系統(tǒng)對頻偏和相位噪聲比較敏感。(2)峰均值比大導致射頻放大器功率效率低與單載波系統(tǒng)相比，由于OFDM信號是由多個獨立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號相加而成的，這樣的合成信號就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就會帶來較大的峰值功率與均值功率之比，簡稱峰均值

26、比(PAPR)。對于包含N個子信道的OFDM來說，當N個子信道都以相同的相位求和時，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍，因而基帶信號的峰均值比為：PAPR=10lgN (1-1)例如，在N=256的情況下，OFDM系統(tǒng)的PAPR=2.4dB。當然，這是一種非常極端的情況，通常OFDM系統(tǒng)內(nèi)的峰均值不會達到這樣高的程度。高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導致射頻信號放大器的功率效率降低12,13,14。1.1.4 仿真工具介紹在過去十年里，開發(fā)了多種軟件包來仿真波形級通信系統(tǒng)，并得到了廣泛應用通信系統(tǒng)仿真框架的基本部件包括建模器、模型庫、仿真核和后處理器。每種仿真軟件包在實現(xiàn)這些部件的方式和所

27、提供模型庫的范圍與重點不同。不管具體使用哪種仿真軟件包，仿真通信系統(tǒng)的第一步是，對構(gòu)成整個系統(tǒng)的各個系統(tǒng)建立仿真模型，并將這些子系統(tǒng)組成所關(guān)心系統(tǒng)的一個端到端仿真。建立仿真模型可以使用通信編程語言編寫合適的代碼，也可以使用圖形建模器。采用圖形建模器時，從仿真環(huán)境提供的模型庫中選用構(gòu)成模塊搭建子系統(tǒng)和整個通信系統(tǒng)的模型。從不同的模型庫中選取表示信源、編碼器、解調(diào)器、多路復用器、信道模型、噪聲與干擾器、濾波器、解調(diào)器、譯碼器和多路輸出選擇器等功能模塊的圖標。然后將這些子系統(tǒng)圖標放在PC機或工作站的屏幕上，移到合適的位置，并用遞梯方框圖的形式將它們連在一起構(gòu)成仿真模型15。MATLAB是Mathwo

28、rks公司推出的一套高性能數(shù)值計算軟件。MATLAB是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)之意。MATLAB除具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達方式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，因此用MATLAB來解算問題要比C、FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多16。MATLAB在數(shù)學計算以外的其他科學計算與工程領(lǐng)域的應用也是越來越廣，并且有著更廣闊的應用前景和無窮無盡的潛能。它可以將使用者從繁瑣的底層編程中解放出來，這樣無疑會提高工作效率。MATLAB的一大特點是提供了很多

29、專用的工具箱和模塊庫，例如通信工具箱和模塊庫、數(shù)字信號處理工具箱和模塊庫、控制工具箱和模塊庫等，MATLAB在這些工具箱和模塊庫中提供了很多常用的函數(shù)和模塊，使得仿真更容易實現(xiàn)17。目前，MATLAB 的功能越來越強大，不斷適應新的要求提出新的解決方法?？梢灶A見，MATLAB在科學計算、自動控制、科學繪圖、通信仿真等領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)保持其獨一無二的地位18。Simulink是MATLAB軟件組的一個工具箱，結(jié)合了框圖界面和交互仿真能力的非線性動態(tài)系統(tǒng)仿真工具，以MATLAB的核心數(shù)學、圖形和語言為基礎(chǔ)?？梢杂脕韺討B(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析，它提供了一種圖形化的交互環(huán)境，可以和MATLAB無縫連接，

30、使得用戶可以利用MATLAB豐富的資源，建立仿真模型，監(jiān)控仿真結(jié)果?？傮w而言，Simulink的特點包括：基于矩陣的數(shù)值計算、圖形與可視化、工具箱提供了面向具體應用領(lǐng)域的功能以及開放與可擴展的體系結(jié)構(gòu)等19。作為Simulink建模系統(tǒng)的補充，MathWorks公司開發(fā)了專用功能塊程序包，如Communication Blockset和DSP Blockset等。通過使用Simulink、Blockset，用戶可以快速、準確地仿真系統(tǒng)中的每一部分行為，包括通信協(xié)議和同步循環(huán)，信道特性等20。1.3 本文研究內(nèi)容本文對不同編碼和調(diào)制方式對OFDM系統(tǒng)性能影響的仿真分析。主要包括：(1)對采用Si

31、mulink搭建的仿真系統(tǒng)及主要模塊進行了說明；(2) 對分別采用QPSK，16QAM，64QAM的OFDM系統(tǒng)的性能進行了比較和分析；(3) 對采用RS編碼和未采用RS編碼的OFDM系統(tǒng)的性能進行了比較；2 OFDM原理2.1 無線信道的特征2.1.1 無線信道概述無線傳播環(huán)境是影響無線通信系統(tǒng)的基本要素。發(fā)射機與接收機之間的無線傳播路徑非常復雜，從簡單的視距傳播，到遭遇各種復雜的地物（建筑物、山坡、植被、水域等等）所引起的反射、繞射和散射傳播等。無線信道不像有線信道那樣固定并且可以預見，而是極具隨機性的。與此同時，移動臺相對于發(fā)射臺移動的方向和速度，以及在傳播路徑上障礙物發(fā)生的移動，都會對

32、接收信號產(chǎn)生重大的影響。因此，可以認為無線信道是一種隨時間、環(huán)境和其他外部因素而變化的通信通路。無線信道對傳輸信號的作用有三類：（1）多徑衰落：由于移動傳播環(huán)境的多徑傳輸而引起的衰落。在幾個波長的空間域或秒級的時間域上，接收信號場強的瞬時值呈現(xiàn)快速變化的特征，其衰落特性服從瑞利分布或者萊斯分布。（2）陰影衰落：由于傳播環(huán)境的地形起伏以及建筑物等障礙物對電磁波遮蔽所引起的衰落。在數(shù)百波長的區(qū)間內(nèi)，信號的短區(qū)間中值出現(xiàn)緩慢的變動的特征，其衰落特性服從對數(shù)正態(tài)分布。（3）自由空間傳播損耗：表現(xiàn)為隨著發(fā)射機距離的改變而成指數(shù)衰減的特征。通常，我們將多徑衰落歸為小尺度（Small-Scale）衰落，將陰

33、影衰落和自由空間傳播損耗歸為大尺度（Large-Scale）衰落。大尺度傳播模型主要用于描述發(fā)射機和接收機之間的長距離（幾百或上千米）上的信號強度變化；小尺度衰落用于描述短距離（幾個波長）或短時間（秒級）內(nèi)接收信號強度的變化，小尺度衰落有兩種機理：多普勒擴展和多徑時延擴展。在一個無線信道中，同時存在著大尺度衰落和小尺度衰落。一般而言，大尺度衰落對分析信道的可用性、選擇載波頻率以及小區(qū)切換有重要意義，是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃所主要關(guān)注的；小尺度衰落則對傳輸技術(shù)的選擇和數(shù)字接收機的設(shè)計具有重要的參考意義。因此這里就重點介紹一下小尺度衰落，這對我們要研究的內(nèi)容密切相關(guān)21。2.1.2 多普勒頻移當移動臺以恒定

34、速率v，在長度為d，端點為X和Y的路徑上運動時收到來自遠端源S發(fā)出的信號，如圖2-1所示。無線電波從源s出發(fā)，在X點與Y點分別被移動臺接收時所走的路徑差為 (2-1)這里t是移動臺從X運動到Y(jié)所需的時間，是X和Y處與入射波的夾角。由于源端距離很遠，可假設(shè)X、Y處的是相同的。所以，由路程差造成的接收信號相位變化值為： (2-2)由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移fd為： (2-3)由式（2-3）可看出，多普勒頻移與移動臺運動速度及移動臺運動方向和無線電波入射方向之間的夾角有關(guān)。若移動臺朝向入射波方向運動，則多普勒頻移為正（即接收頻率上升）；若移動臺背向入射波方向運動，則多普勒頻移為負（即接收頻率

35、下降）。信號經(jīng)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機信號的多普勒擴散，因而增加了信號帶寬22。XYSd圖2-1 多普勒頻移示意圖2.1.3 多徑時延拓展多徑效應產(chǎn)生的原因是由于發(fā)送端和接收端之間復雜的地理環(huán)境，信號在傳遞的過程中會有很多路徑，不同的路徑的衰減和時延都是不同的。如果有一方是移動的，那情況就更復雜了，如圖2-2所示障礙物障礙物障礙物發(fā)射端接收端圖2-2 多徑傳播示意圖假如c(;t)是廣義平穩(wěn)的，并且滿足不相關(guān)散射（又稱為廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射），即與某個路徑時延1相聯(lián)系的信道衰減和相移同另一個路徑2相聯(lián)系的信道衰減和相移是不相關(guān)的，則c(;t)的自相關(guān)函數(shù)可表示為 (2-4)如果令t=0，

36、則自相關(guān)函數(shù)c(;0)=c()，即信道輸出平均功率是時延的函數(shù)，稱c(r)為多徑衰落信道的時延功率譜(或多徑強度分布圖)。一般地，c(;t)給出了時延為時在時間間隔t內(nèi)信道的平均輸出功率。實際上，函數(shù)c(;t)的測量可用發(fā)送一個很窄的脈沖（或一個寬帶信號），然后求接收信號與其時延信號的互相關(guān)來得到。實測c(;t)的典型曲線如圖2-3所示，我們把c()下降3dB時的取值區(qū)間稱作信道多徑擴展，并用Tm表示23。c()TmT圖2-3 多徑時延功率譜2.2 OFDM基本原理2.2.1 OFDM基本結(jié)構(gòu)正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，O

37、FDM)是一種多載波調(diào)制方式，其基本思想是把高速率的信源信息流通過串并變換，變換成低速率的N路并行數(shù)據(jù)流，然后用N個相互正交的載波進行調(diào)制，將N路調(diào)制后的信號相加即得發(fā)射信號。在發(fā)射端，發(fā)射數(shù)據(jù)經(jīng)過常規(guī)QAM調(diào)制形成速率為R的基帶信號。這里要求碼元波形是受限的，并且數(shù)據(jù)要成塊處理。然后經(jīng)過串并變換成為N個子信號，再去調(diào)制相互正交的N個子載波，最后相加形成OFDM發(fā)射信號。在接收端，輸入信號分為N個支路，分別用N個子載波混頻和積分，恢復出子信號，再經(jīng)過并串變換和常規(guī)QAM解調(diào)就可以恢復出數(shù)據(jù)。由于子載波的正交性，混頻和積分電路可以有效地分離各個子信道24。它的基本原理框圖如圖2-4所示：串行數(shù)據(jù)

38、+串并轉(zhuǎn)換并串轉(zhuǎn)換d1d1dN-1.積分積分積分d0d0dN-1發(fā)送端接收端信道串行數(shù)據(jù)圖2-4 OFDM基本框圖雖然這樣的框圖并不是實際應用的實現(xiàn)方式，但還是可以就此框圖來詳細介紹一下OFDM的原理。一個OFDM符號是由多個經(jīng)過調(diào)制的正交子載波信號組成的，其中每個子載波的調(diào)制方式可以選擇相移鍵控（PSK）或者正交幅度調(diào)制（QAM）。如果用N表示子載波的個數(shù)，T表示OFDM符號的持續(xù)時間（周期），d i (i=0,1,., N -1)是分配給第i個子信道上的數(shù)據(jù)符號，f c是載波的中心頻率，則從t = ts開始的OFDM符號可以表示為： (2-5)在實際仿真中，經(jīng)常采用等效基帶信號來描述OFD

39、M的輸出信號，見下式： (2-6)其中s(t)的實部和虛部分別對應于OFDM符號的同相和正交分量，可以分別與相應子載波的cos分量和sin分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號和由其合成的OFDM符號。在圖2-5中給出了一個OFDM符號內(nèi)包含4個子載波時的實例。其中所有的子載波都具有相同的幅值和相位，當然在實際應用中，根據(jù)數(shù)據(jù)符號的調(diào)制方式，每個子載波的幅值和相位可能都是不同的。從下圖可以看出，每個子載波在一個OFDM符號周期內(nèi)都包含整數(shù)倍的周期，各個相鄰子載波之間相差一個周期，而且各個子載波信號之間滿足正交性。AT 圖2-5 OFDM符號內(nèi)包含4個子載波的情況這種正交性還可以從頻域角度來理解。根據(jù)式

40、(2-5)，每個OFDM符號在它的周期內(nèi)包含了多個非零的子載波。它的頻譜可以看作是周期為T 的矩形脈沖的頻譜與一組位于各個子載波頻率上的函數(shù)的卷積搬移。矩形脈沖的頻譜幅值對應為sinc ( fT )函數(shù)，這種函數(shù)的零點出現(xiàn)在頻率1/ T 整數(shù)倍頻率點的位置上。如圖2-6所示AF 圖2-6 OFDM系統(tǒng)的頻譜2.2.2 OFDM的實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的一個重要優(yōu)點就是可以利用離散傅里介卜變換(DFT)實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，從而避免了直接生成N個載波時由于頻率偏移而產(chǎn)生的交調(diào)，而且采用快速傅里汗卜變換(FFT)技術(shù)實現(xiàn)，可以大大簡化系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度，且便于利用VLSI技術(shù)。本節(jié)將簡述其原理。多載波信號s(t

41、)可寫為如下復數(shù)形式: (2-7)其中為第i個載波頻率，為第i個載波上的復數(shù)信號，若設(shè)定在一個符號周期內(nèi)d1(i)為定值(即非滾降QAM)，有=設(shè)信號采樣頻率為1/T，則有 (2-8)一個符號周期內(nèi)含有N個采樣值，即有不失一般性，令，則 (2-9)若取 則有 (2-10)將其與IDFT形式(系數(shù)忽略) (2-11)進行比較，可以看出兩式等價。由此可知，若選擇載波頻率間隔為1/，則OFDM信號不但保持了正交性，而且可以用DFT來定義。引入DFT技術(shù)對并行數(shù)據(jù)進行調(diào)制解調(diào)時，頻譜是sinc函數(shù)而非帶限，如圖2.2所示。由于OFDM采用的基帶調(diào)制為離散傅里葉變換，所以我們可以認為數(shù)據(jù)的編碼映射是在頻

42、域進行，經(jīng)過IFFT轉(zhuǎn)化為時域信號發(fā)送出去，接收端通過FFT恢復出頻域信號25。為了使信號在IFFT(FFT)前后功率不變，DFT按下式定義：DFT: () (2-12)IDFT: () (2-13)2.3 OFDM在無線信道上傳輸?shù)膬?yōu)勢2.3.1 抗多徑衰落多路徑容易引發(fā)碼間串擾，這是傳統(tǒng)的接收端需要處理的問題。另一方面，如果信號波形被設(shè)計為免疫多路徑失真，那么接收端就可以大大簡化了。因為多路徑通道可以完美地建模為一個線性系統(tǒng)，正確的信號波形可以通過輸入輸出關(guān)系的線性運算推導出來： (2-14)眾所周知，一個復指數(shù)輸入信號，, 線性信道中其輸出信號具有相同形式： (2-15)上面的觀察表明，

43、復指數(shù)信號可以作為多路徑通道的波形。另一方面，需要特別注意到，上述關(guān)系只適用于一個無限長的復指數(shù)信號。但在實際的數(shù)字通信中，信號波形必須局限在一個符號周期之內(nèi)。幸運的是，如果信道響應是FIR，即：h(t)= 0，同樣的輸入輸出屬性會保持在一個有限的觀察窗時間T。一個零填充檢查間隔被插入相鄰符號之間來防止高速傳輸產(chǎn)生的碼間干擾(ISI)。然而完整的波形沒有留下。持續(xù)時間至少為TMAX的循環(huán)前綴得加入到發(fā)射機中，而不是用一個靜止間隔來防范ISI。任何多路徑組件的延遲都小于或等于TMAX，這將在觀察窗口內(nèi)維持他們的復指數(shù)波形，會在接收端得到一個完整的信號波形。為了在一個給定的時間窗口攜帶更多的信息，

44、特別是，K是信息承載的符號，s0,，sK-1，可以用不同的復指數(shù)調(diào)制到K的不同子信道上。他們遵循： (2-16)應用CP每個信息符號在觀察窗輸出的只服從一個標量乘法。 (2-17)形象的講，對每個子通道的影響就像是對信道一個單純的“縮放”。自從標量誤差可以與信道估計分離，可以認為OFDM是“免疫”的時間色散效應的，因此與單載波調(diào)制線性均衡器比就有了一個優(yōu)勢26。2.3.2 抗頻率選擇性衰落簡單來說就是由于無線信道的復雜性，導致不同的頻率的衰減會有不同，這樣會導致接收到信號失真，如圖2-5所示頻率衰減系數(shù)0圖2-7 頻率選性衰落圖上可以很清晰的看出不同的頻率，信道的衰減系數(shù)是不同的，而且這個衰減

45、還是一個隨時間變化的關(guān)系。而OFDM采用的是密集的頻分復用，每個子載波所占的頻段很窄。這樣對于每個子載波來說，信道是平坦的，這樣就很好的解決了無線信道的頻率選擇性衰落了。2.4 總結(jié)本章節(jié)簡單介紹的無線信道和OFDM的基本原理，并再次說明了OFDM在無線信道上傳輸?shù)膬?yōu)勢。它能有效的對抗無線信道的多種干擾，這也是其在無線領(lǐng)域廣泛應用的重要原因。這章所講的原理為后面模型的建立奠定了基礎(chǔ)，同時也說明了一些仿真參數(shù)的設(shè)置問題。3 不同調(diào)制方式在OFDM系統(tǒng)中的性能比較3.1 Simulink在通信系統(tǒng)仿真的應用在緒論中已經(jīng)詳細的介紹了MATLAB和Simulink，這里就再重點介紹Simulink在通

46、信系統(tǒng)仿真的應用的相關(guān)信息。Simulink提供了專門用于顯示輸出的模塊，可以在仿真過程隨時觀察仿真結(jié)果。同時，通過Simulink的存儲模塊，仿真數(shù)據(jù)可以方便地以各種形式保存到MATLAB工作空間或文件中，以供用戶在仿真結(jié)束后對數(shù)據(jù)進行分析和處理。另外，Simulink把具有特定功能的代碼組織成模塊的方式，而且這些模塊可以組織成具有等級結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)，因此具有內(nèi)在的模塊化設(shè)計功能?；谝陨蟽?yōu)點，Simulink作為一種通用的仿真工具，廣泛用于各個領(lǐng)域。在通信仿真上應用尤為廣泛，它包含有功能齊全的通信系統(tǒng)常用的模塊庫27。3.2 幾種調(diào)制方式的簡介3.2.1 QPSK調(diào)制QPSK（Quadrat

47、ure Phase Shift Keying）是一種正交相移鍵控數(shù)字調(diào)制方法，有絕對相移與相對相移之分。QPSK通過載波的四種不同相位能夠?qū)臄?shù)字信息表達出來。由于每個載波相位都包括了兩個比特信息，因此可以將四進制碼元稱為雙比特碼元。表 3-1 雙比特碼元與載波相位關(guān)系雙比特元載波相位ABA方式B方式00225010315901145180011352700000000000000000B方式A方式圖3-1 QPSK信號的矢量圖A代表低位，B代表高位，雙比特碼元里面的信息則是用 a、b一起表達，而且是按照格雷碼做出排列，具體和載波相位之間的關(guān)系情況可見表3-1，而矢量關(guān)系情況可見圖3-1所

48、示。由于余弦與正弦之間有著明顯的互補性，在載波相位當中各自的取值情況分別有A、B兩種。其中，A為45、135、225、315，則數(shù)據(jù) kI、kQ 通過處理后輸出的成形波形幅度有兩種取值；B方式中：0、90、180、270，則數(shù)據(jù)kI、kQ 通過處理后輸出的成形波形幅度有三種取值。一般選用A方式，在后面仿真時也選的是A方式，便于和后面的QAM調(diào)制進行比較3.2.2 QAM調(diào)制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）調(diào)制，也被稱為幅度相位聯(lián)合鍵控調(diào)制（APK），作為一種典型的基于幅度和相位聯(lián)合的多維鍵控技術(shù)，由于它是一種多進制的數(shù)字調(diào)制，所以其頻帶的利用率高。QAM

49、信號使用兩個正交載波cos(2fct)和sin(2fct)作為基函數(shù)，其中每一個都被一個獨立的信息比特序列進行調(diào)制，對于碼元間隔為Ts的QAM調(diào)制，可以得到傳輸信號的已調(diào)波形為 Um(t)=AmcgT cos(2fct)+ Ams sin(2fct),m=1,2,M （3-1）其中，0tTs，M為QAM進制數(shù)， Amc和 Ams為一組幅度電平，它們可以通過k 比特序列映射到信號的幅度得到。AmcgT和AmsgT分別為QAM已調(diào)信號的同相分量和正交分量，因此QAM調(diào)制可以看作為以兩個頻率相同和相位正交的基函數(shù)作為載波的多進制移幅鍵控已調(diào)信號的和。一般用星座圖來形象的表示QAM調(diào)制的原理，它的橫縱

50、坐標分別是IQ的分量。QAM調(diào)制的星座圖的形狀有很多種，一般以矩形的居多，如常用的16-QAM和64-QAM，如圖3-2為16-QAM的星座圖：圖3-2 16-QAM星座圖圖中表示的是16-QAM的編碼和分布，采用的格雷編碼，即相鄰位的變化只有一位，這是這種編碼的一個很顯著的特征。3.3 模型的建立3.3.1 整體框圖根據(jù)OFDM系統(tǒng)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)等知識，按照系統(tǒng)仿真設(shè)計自上而下的策略，給出OFDM系統(tǒng)的整體性結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)框圖中的每一部分的仿真模型都可以通過 Simulink的子系統(tǒng)模型來建立，即在Simulink中選擇相應的模塊封裝成相應的子系統(tǒng)，這樣的設(shè)計為仿真時對系統(tǒng)進行分析、調(diào)

51、試和診斷等提供了很大的方便。仿真模型是建立在基帶傳輸?shù)幕A(chǔ)上的，這是因為載波傳輸系統(tǒng)可以進行低通等效。仿真所采用的系統(tǒng)是參照基于WLAN IEEE802.11a協(xié)議28的基帶系統(tǒng)，這個系統(tǒng)將在后面的仿真部分有詳細的介紹。這個系統(tǒng)是現(xiàn)代無線局域網(wǎng)最可靠、最高效的解決方案，因此參照這一系統(tǒng)來搭建仿真平臺是十分可靠的。實際的OFDM系統(tǒng)是非常復雜的，要仿真這樣一個系統(tǒng)就必須對它進行簡化，這樣既能節(jié)省時間又能排除一些不必要的干擾，得到我們最想要的數(shù)據(jù)。圖 3-3所示為OFDM 基帶系統(tǒng)框圖：并串串并信道IFFT加前綴信宿譯碼解調(diào)并串均衡FFT去前綴信源編碼調(diào)制串并導頻圖3-3 OFDM仿真框圖在Sim

52、ulink仿真模型中，省略了D/A和A/D轉(zhuǎn)換。這些并不影響對我們要仿真的對象的影響，這樣可以簡化仿真圖的復雜度，減少工作量。3.3.2 主要模塊說明信源系統(tǒng)采用的是伯努利二進制序列，所設(shè)置的占空比為0.5（即在同一個波中0和1所占的比例是一樣的），所產(chǎn)生的序列是以幀（frame）的形式產(chǎn)生，每幀的數(shù)據(jù)是44位，碼元寬度為16e-5/44/2 s，此時輸出到信道上面的數(shù)據(jù)是44x1的形式。調(diào)制模型最關(guān)鍵在于IFFT變換，在這種IFFT變化能很方便的實現(xiàn)載波調(diào)制，本系統(tǒng)所用的是數(shù)字載波調(diào)制方式，采用與另外一路數(shù)字載波控制信號合成后，本來輸入的數(shù)據(jù)是30x1的復信號，然后再中間補一個0構(gòu)成了31x

53、1的復信號，與另外一路31x1的信號合成之后就變成了31x2的一路矩陣信號，實現(xiàn)了調(diào)制，又由于進行IFFT時需要的數(shù)據(jù)是2的N次方所以在數(shù)據(jù)中加上足夠多的0構(gòu)成了64x2的數(shù)據(jù)，然后進行IFFT調(diào)制之后輸出。至于加循環(huán)前綴就是把后面的一段數(shù)據(jù)復制然后加到段前，這樣可以有效的對抗信道的多徑時延。信道采用的是是AWNG加性信道和瑞利平穩(wěn)衰落信道。解調(diào)是調(diào)制的逆過程，先去除循環(huán)前綴，然后對數(shù)據(jù)進行FFT運算，得到的數(shù)據(jù)再進過解調(diào)和解碼就可以得到想要的數(shù)據(jù)了，最后再將接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)射的數(shù)據(jù)進行比較來得到誤碼率，通過編寫MATLAB程序來獲取數(shù)據(jù)及繪制圖形，最終就得到了我們想要的仿真結(jié)果。需要分別建立

54、三個不同調(diào)制方式的仿真模型，即QPSK，16-QAM和64-QAM三種。大部分都是類似的，只是修改調(diào)試部分和信源的一些參數(shù)而已。3.4 仿真腳本文件的編寫在simulink中建好模型之后就可以仿真了，只是此時每次只能進行一次仿真，得到一個數(shù)據(jù)，效率十分低下，于是我們就必須編寫一個仿真腳本文件來驅(qū)動這個simulink模型，這樣就能讓它自動仿真，并且在仿真完成后能輸出我們想要的圖形。具體就是把信道的信噪比設(shè)置成變量，同時把比較達到的誤碼率也設(shè)置成變量，前一個變量由仿真的腳本文件中給定，后一個變量則會輸出保存下來，在仿真結(jié)束后就能讀取這些數(shù)據(jù)繪制圖形。如下為QPSK部分仿真腳本文件的一段：for

55、k=1:length(SNR_in) SNR_s=SNR_in(k); sim(OFDM_QPSK.mdl); ERR_out(k,:)=ErrorVec; ERR_dis1(k)=ERR_out(k,1);end可以很清楚的看出，通過不停的改變信噪比的參數(shù)來進行仿真，得到的誤碼率的值保存下來，都結(jié)束后在繪制圖形。3.5 仿真過程和結(jié)果可以先手動設(shè)置好參數(shù)先進行仿真，來確認模型建立是成功的，正常運行后就可以運行編寫的腳本文件了。下圖為64-QAM的simulink仿真框圖：圖3-4 64-QAM的OFDM仿真圖可以看到模型基本是按照之前的描述建立的，只是有些地方由于實際模型設(shè)置的不同，稍有不同，不過這并不影響仿真的進行。另外的兩個框圖也基本和這個類似，下面就可以運行仿真的腳本文件仿真了。仿真一次需要的時間很長，在仿真之前要做好檢查，要不然會很浪費時間，在多次仿真和修改之后得到了仿真結(jié)果了