OFDM技術(shù)的研究與仿真

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)OFDM技術(shù)的研究與仿真劉彥波燕 山 大 學(xué)2009年 6月本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)OFDM的研究與仿真學(xué)院(系)： 電子工程系 專 業(yè)： 通信工程4班 學(xué)生姓名： 劉彥波 學(xué) 號(hào)： 5 指導(dǎo)教師： 肖麗萍 答辯日期： 2009-6-17 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書學(xué)院：里仁學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：電子工程系 學(xué)號(hào)5學(xué)生姓名劉彥波專 業(yè)班 級(jí)05通信工程4班題目題目名稱OFDM技術(shù)的研究與仿真題目性質(zhì)工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究題目類型畢業(yè)論文題目來源自選題目 主要內(nèi)容搜集、查閱OFDM技術(shù)的資料，了解掌握OFDM的原理、存在的問題及現(xiàn)有的解決方法；自學(xué)仿真語言MATLAB；對(duì)基本的OFD

2、M系統(tǒng)建立仿真模型并進(jìn)行仿真，并進(jìn)行性能分析?；疽笞x關(guān)于OFDM技術(shù)的專著，并搜集、查閱有關(guān)OFDM技術(shù)的資料，深入研究OFDM技術(shù)的基本理論及技術(shù)，了解該技術(shù)存在的問題及現(xiàn)有的解決方法，并比較各自的特點(diǎn)；掌握MATLAB語言，基本的OFDM系統(tǒng)給出仿真模型并進(jìn)行仿真，并通過仿真驗(yàn)證其性能參考資料1、寬帶無線通信OFDM技術(shù)(第二版)王文博，鄭侃，人民郵電出版版社20072、OFDM的關(guān)鍵技術(shù)3、OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用，佟學(xué)儉等，人民郵電出版社，20034、現(xiàn)代通信系統(tǒng)(MATLAB版)(第二版)，電子工業(yè)出版社周 次第 1 4 周第 5 8 周第912周第1316周第17 18

3、周應(yīng)完成的內(nèi)容查資料，了解 OFDM原理、存在問題及現(xiàn)有解決方法并比較基本的OFDM系統(tǒng)總體仿真方案設(shè)計(jì)，各模塊設(shè)計(jì)編程，調(diào)試。調(diào)試、仿真、分析給出改進(jìn)的方案、調(diào)試、仿真、分析仿真、寫論文、答辯指導(dǎo)教師：肖麗萍職稱：副教授 2009年1 月 18日系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要本文介紹了OFDM的基本原理及應(yīng)用然后用MATLAB軟件對(duì)OFDM技術(shù)進(jìn)行仿真分析。首先簡單介紹了OFDM的基本原理、引用領(lǐng)域及發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢。為之后的仿真平臺(tái)構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。其次，對(duì)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建、寫出系統(tǒng)流程圖。通過閱讀相關(guān)書籍和文獻(xiàn)資料寫出MATLAB語言的仿真程序，并進(jìn)行調(diào)試和修改。通過軟件仿真出

4、OFDM系統(tǒng)在QPSK調(diào)制下和沒有插入保護(hù)間隔的波形圖。最后，通過對(duì)QPSK調(diào)制和解調(diào)方式原理的學(xué)習(xí)，配合MATLAB的仿真圖對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析得出其對(duì)誤碼率的影響。關(guān)鍵詞 正交頻分復(fù)用；MATLAB；仿真；誤碼率AbstractThis paper introduces the basic principles of OFDM and its application software and then analysis OFDM technology using the MATLAB simulation. First of all, it introduced the basic pr

5、inciples of OFDM briefly, citing the development of the area and the status, trends. And it will do help for the foundation platform in future. Secondly, we build the system of the OFDM system platform to write the system flow chart. Reading relevant books and literature, its the way to write, debug

6、 and modify the simulation program. By simulating software of OFDM system in the QPSK modulation,we can drew the waveform which is not to insert the guard interval.Finally, we analyze MATLAB simulation diagram of the simulation results to get the impact of the error rate by learning the way of QPSK

7、modulation and demodulation principles.Keywords OFDM; MATLAB; Simulation; BER 目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 OFDM系統(tǒng)的概述11.2.1 OFDM歷史11.2.2 OFDM現(xiàn)狀21.2.3 OFDM技術(shù)的應(yīng)用31.2.4 OFDM技術(shù)的優(yōu)勢和不足61.3 本論文的主要任務(wù)8第2章 OFDM基本原理92.1 多載波調(diào)制理論簡介92.2 OFDM系統(tǒng)的基本模型112.3 OFDM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的FFT實(shí)現(xiàn)122.4 OFDM系統(tǒng)正交性原理132.5 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴152.5.

8、1 保護(hù)間隔插入的原理152.5.2 插入保護(hù)間隔后的OFDM系統(tǒng)分析152.6 傅立葉變換的過采樣182.7 OFDM 信號(hào)的頻譜特性192.8 OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)202.9 本章小結(jié)22第3章 OFDM系統(tǒng)的仿真與分析233.1 OFDMD的系統(tǒng)仿真233.1.1 MATLAB的簡介233.1.2 OFDM模型的參數(shù)選擇253.1.3 MATLAB仿真步驟263.1.4 結(jié)果分析263.2 本章小結(jié)27結(jié)論29參考文獻(xiàn)30致謝32附錄133附錄238附錄342附錄446第1章 緒論1.1 課題背景在當(dāng)今的人類社會(huì)，信息和通信兩個(gè)詞匯越來越多的出現(xiàn)在人們的生活當(dāng)中。信息是一種希望傳送、交

9、換、存儲(chǔ)的，具有一定意義的抽象內(nèi)容，而通信則是信息的存儲(chǔ)、傳遞和交換。在20世紀(jì)90年代，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)多媒體業(yè)務(wù)需求的增加，為了滿足人們對(duì)信息需求日益增長而出現(xiàn)的第二代移動(dòng)通信，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)其最基本的技術(shù)特征，它提供了更高的頻譜效率和更先進(jìn)的漫游技術(shù)。進(jìn)入新的世紀(jì)，通信技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，伴隨著人們對(duì)寬帶業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)需求的增加，第三代移動(dòng)通信成為了研究的重點(diǎn)。雖然第三代移動(dòng)的傳輸速率相比第二代有了很大的提高但其數(shù)據(jù)傳輸速率也僅有2Mbit/s，第四代移動(dòng)通信是以正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OF

10、DM)為核心技術(shù)7,8。較之第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用多種新技術(shù)的OFDM具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，它不僅僅可以增加系統(tǒng)容量，更重要的是它能更好的滿足多媒體通信要求，將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等大量信息的多媒體業(yè)務(wù)通過寬頻信道高品質(zhì)的傳送出去。1.2 OFDM系統(tǒng)的概述1.2.1 OFDM歷史正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)。選擇OFDM的一個(gè)主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。正交頻分復(fù)用(OFDM)最早起源于20世紀(jì)50年代中期，在60年代就已經(jīng)形成了使用并行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用的概念。1

11、970年1月首次公開發(fā)表了有關(guān)OFDM的專利12,15。在傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，整個(gè)信號(hào)頻段被劃分為N個(gè)相互不重疊的頻率子信道。每個(gè)子信道傳輸獨(dú)立的調(diào)制符號(hào)，然后再將N個(gè)子信道進(jìn)行頻率復(fù)用。這種避免信道頻譜重疊看起來有利于消除信道間的干擾，但是這樣又不能有效利用寶貴的頻譜資源。為了解決這種低效利用頻譜資源的問題，在20世紀(jì)60年代提出一種思想，即使用子信道頻譜相互覆蓋的并行數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)，其中每個(gè)子信道內(nèi)承載的信號(hào)傳輸速率為b，而且要求各個(gè)子信道在頻域距離也是b，從而可以避免使用高速均衡，并且可以對(duì)抗窄帶脈沖噪聲和多徑衰落，而且還可以充分利用可用的頻譜資源。1971年，Weinstein和E

12、bert把離散傅里葉變換(DFT)應(yīng)用到并行傳輸系統(tǒng)中，作為調(diào)制和解調(diào)過程的一部分。這樣就不再利用帶通濾波器，而是經(jīng)過基帶處理就可以實(shí)現(xiàn)FDM。而且，這樣在完成FDM的過程中，不再要求使用子載波振蕩器組以及相干解調(diào)器，可以完全依靠執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)的硬件來實(shí)施2。早在20世紀(jì)60年代，OFDM技術(shù)就已經(jīng)被應(yīng)用到多種高頻軍事系統(tǒng)中，其中包括KINEPLEX、ANDEFT以及KNTHRYN等。以KNTHRYN為例，其中可變速率的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器可以最多使用34個(gè)并行低速調(diào)相子信道，每個(gè)子信道之間的間隔為82Hz。但是直到20世紀(jì)80年代中期，隨著歐洲在數(shù)字音頻廣播(DAB)方案中采用OFD

13、M，該方法才開始受到關(guān)注并且得到廣泛的應(yīng)用3。1.2.2 OFDM現(xiàn)狀自從20世紀(jì)80年代以來，OFDM已經(jīng)在數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線本地局域網(wǎng)(WLAN)以及有線電話網(wǎng)上基于現(xiàn)有銅雙絞線的非對(duì)稱高比特率數(shù)字用戶線技術(shù)(例如ADSL)中得到了應(yīng)用。其中大都利用了OFDM可以有效地消除信號(hào)多徑傳播所造成的符號(hào)間干擾(151)這一特征。DAB是在AM和FM等模擬廣播基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其中可以提供與CD相媲美的音質(zhì)，以及其他的新型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。1995年，由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)制定了DAB標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個(gè)使用OFDM的標(biāo)準(zhǔn)。接著在1997

14、年，基于OFDM的DVB標(biāo)準(zhǔn)也開始投入使用。在ADSL應(yīng)用中，OFDM被典型地當(dāng)作離散多音調(diào)制(DMT modulation)，成功地用于有線環(huán)境中，可以在1MHz帶寬內(nèi)提供高達(dá)8Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。1998年7月，經(jīng)過多次的修改之后，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)組決定選擇OFDM作為WLAN(工作于5GHz波段)的物理層接入方案，目標(biāo)是提供6Mbit/S54Mbit/S的數(shù)據(jù)速率，這是OFDM第一次被用于分組業(yè)務(wù)通信當(dāng)中。而此以后，ETSI、BRAN以及MMAC也紛紛采用OFDM作為其物理層的標(biāo)準(zhǔn)4。此外，OFDM還易于結(jié)合空時(shí)編碼、分集、干擾(包括151和ICI)以及智能天線等技術(shù)，最

15、大程度地提高物理層信息傳輸?shù)目煽啃?。如果再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼以及動(dòng)態(tài)子載波分配、動(dòng)態(tài)比特分配算法等技術(shù)，可以使其性能進(jìn)一步得到優(yōu)化。1.2.3 OFDM技術(shù)的應(yīng)用從技術(shù)層面來看，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)將有望以O(shè)FDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)為核心技術(shù)，主要理由是無線電頻率使用效益高、抗噪聲能力強(qiáng)、適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。然而OFDM仍有許多問題待解決，不過部分標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作已經(jīng)接近尾聲且即將商用化(如數(shù)字音頻廣播)，目前，OFDM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)領(lǐng)域，但若要應(yīng)用在移動(dòng)通信領(lǐng)域仍需時(shí)日。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣

16、播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)中，主要的應(yīng)用包括：非對(duì)稱的數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無線城域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)(WLAN)，甚至3G的CDMA也開始引入OFDM技術(shù)思想以提升其性能。(1)高清晰度數(shù)字電視廣播 OFDM在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中取得了廣泛的應(yīng)用，其中數(shù)字音頻廣播(DAB)標(biāo)準(zhǔn)是第一個(gè)正式使用OFDM的標(biāo)準(zhǔn)。另外，當(dāng)前國際上全數(shù)字高清晰度電視傳輸系統(tǒng)中采用的調(diào)制技術(shù)中就包括OFDM技術(shù)，歐洲HDTV傳輸系統(tǒng)已經(jīng)采用COFDM(coded OFDM：編碼OFDM)技術(shù)。它具有很高的頻譜利用率，可以進(jìn)一

17、步提高抗干擾能力，滿足電視系統(tǒng)的傳輸要求。選擇OFDM作為數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻廣播(DVB)的主要原因在于：OFDM技術(shù)可以有效地解決多徑時(shí)延擴(kuò)展問題5。因此不難看出，OFDM技術(shù)良好的性能使得它在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。歐洲的DAB系統(tǒng)使用的OFDM調(diào)制技術(shù)其試驗(yàn)系統(tǒng)已在運(yùn)行，很快吸引了大量聽眾。它明顯地改善了移動(dòng)中接收無線廣播的效果，用于DAB的成套芯片的開發(fā)工作正在一項(xiàng)歐洲發(fā)展項(xiàng)目中進(jìn)行，它將使OFDM接收機(jī)的價(jià)格大大降低，其市場前景非?？春谩?2)無線局域網(wǎng) 大家知道，HiperLAN/2物理層應(yīng)用了OFDM和鏈路自適應(yīng)技術(shù)，媒體接入控制(MAC)層采用面向連接、集中資源控制的TD

18、MA/TDD方式和無線ATM技術(shù)，最高速率達(dá)54Mbps，實(shí)際應(yīng)用最低也能保持在20Mbps左右。另外，IEEE 802.11無線局域網(wǎng)工作于ISM免許可證頻段，分別在5.8GHz和2.4GHz兩個(gè)頻段定義了采用OFDM技術(shù)的IEEE 802.11a和IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)，其最高數(shù)據(jù)傳輸速率提高到54Mbps6 。技術(shù)的不斷發(fā)展，引發(fā)了融合。一些4G及3.5G的關(guān)鍵技術(shù)，如OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)、智能天線和軟件無線電等，開始應(yīng)用到無線局域網(wǎng)中，以提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM調(diào)制技術(shù)，提高了傳輸速率，增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。802.11n計(jì)劃采用MIMO

19、與OFDM相結(jié)合，使傳輸速率成倍提高。另外，天線技術(shù)及傳輸技術(shù)，使得無線局域網(wǎng)的傳輸距離大大增加，可以達(dá)到幾公里(并且能夠保障100Mbps的傳輸速率)。 而對(duì)于今后要開展的在無線局域網(wǎng)中的多媒體業(yè)務(wù)來說，最高為54Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了進(jìn)一步提升無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)有線與無線局域網(wǎng)的無縫結(jié)合，IEEE成立了IEEE 802.11n工作小組，以制定一項(xiàng)新的高速無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11n計(jì)劃將WLAN的傳輸速率從802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可達(dá)到320Mbps，成為802.11b/a/g之后的另一場重頭戲。

20、和以往的802.11標(biāo)準(zhǔn)不同，802.11n協(xié)議為雙頻工作模式(包含2.4GHz和5.8GHz兩個(gè)工作頻段)。這樣802.11n保證了與以往的802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)兼容。(3)OFDM技術(shù)在4G中的應(yīng)用 空中接口物理層技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)與標(biāo)志，在系統(tǒng)演進(jìn)中扮演著重要的角色。在2004年6法國的RANI Ad Hoc on LTE會(huì)議上RANI對(duì)各個(gè)公司提交的候選方案進(jìn)行了概況和收斂。確定了六種備選的多址方式：(1)FDD上行SC-FDMA，下行OFDMA；(2)FDD上行OFDMA，下行OFDM；(3)DDMC-WCDMA；(4)TDDMC-TD-SCDMA；(5)TDD上行OFDM

21、A，下行OFDMA；(6)TDD上行SC-FDMA，下行OFDMA。3GPP組織就LTE系統(tǒng)物理層下行傳輸方案很快達(dá)成一致，采用先進(jìn)成熟的OFDM技術(shù)；經(jīng)過協(xié)商討論最后上行方案選擇了單載波SC-FDMA，這樣LTE系統(tǒng)傳輸方案最終確定為下行OFDMA和上行SC-FDMA的空中接口技術(shù)7。一個(gè)近似測量內(nèi)接收機(jī)質(zhì)量的參數(shù)是額外的信噪比損失，該參數(shù)反映了為獲得相同性能，實(shí)際系統(tǒng)相對(duì)于理想系統(tǒng)需要的額外SNR，即或者。式中，表示在理想的同步情況下接收機(jī)為了達(dá)到相同性能所需要的SNR。OFDM系統(tǒng)內(nèi)接收機(jī)所要完成的任務(wù)就是：將各種未知參數(shù)通過相應(yīng)的算法求出精確解并進(jìn)行補(bǔ)償，將各種非理想因素進(jìn)行處理變成近

22、似理想狀態(tài)。相比較與WCDMA 5MHz的頻譜帶寬，該系統(tǒng)的最大帶寬為20MKz，主要的技術(shù)參數(shù)如下：一方面提高頻譜效率，在20MKz帶寬下，空中接口峰值速率達(dá)到：下行100Mbit/s；另一放面嚴(yán)格的QOS要求，保證良好的用戶體驗(yàn)以及分組交換對(duì)于VOIP等各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持。(4)寬帶無線接入中的OFDM在BWA領(lǐng)域，一些公司開發(fā)的技術(shù)雖然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些專利技術(shù)，如Cisco和Iospan公司的Vector OFDM。Wi-LAN公司的Wideband OFDM。Flarion公司的flash-OFDM。VOFDM由Cisco公司支持，WOFDM則由Wi-LAN公司

23、提出，構(gòu)成了的兩大陣營寬帶無線論壇和論壇，它們力圖使自己OFDM的模式成為標(biāo)準(zhǔn)。由Wi-LAN公司倡導(dǎo)的論壇，有50多個(gè)成員，一些公司，如Breezccom，start-up BeamReach Networks和Nokia參加，OFDM論壇主要是協(xié)調(diào)提交到IEEEE的OFDM提案。在Cisco倡導(dǎo)下，IEEE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)組織IEEE-ISTO成立了寬帶Internet論壇，提供低成本寬帶無線接入技術(shù)，號(hào)召采用基VOFDM于的標(biāo)準(zhǔn)作為解決方案。類似的還有C-OFDM、F-OFDM及OFDM等8。1.2.4 OFDM技術(shù)的優(yōu)勢和不足OFDM存在很多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)見如下，在3G、4G中被運(yùn)用，作為通信方

24、面其有很多優(yōu)勢：(1)在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)能同時(shí)分開至少1000個(gè)數(shù)字信號(hào)，而且在干擾的信號(hào)周圍可以安全運(yùn)行的能力將直接威脅到目前市場上已經(jīng)開始流行的CDMA技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大的態(tài)勢，正是由于具有了這種特殊的信號(hào)“穿透能力”使得OFDM技術(shù)深受歐洲通信營運(yùn)商以及手機(jī)生產(chǎn)商的喜愛和歡迎，例如加利福尼亞Cisco系統(tǒng)公司、紐約Flarion工學(xué)院以及朗訊工學(xué)院等開始使用，在加拿大Wi-LAN工學(xué)院也開始使用這項(xiàng)技術(shù)9。(2)OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切

25、斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信。(3)該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信。(4)OFDM技術(shù)特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號(hào)散播的地區(qū)。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語音廣播都希望降低多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響。(5)OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)通信鏈路失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅僅有很小一部分載波會(huì)受到干擾。對(duì)這些子信道還可以采用糾錯(cuò)碼來進(jìn)行糾錯(cuò)。(6)可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道

26、中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。(7)通過各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒有必要再加時(shí)域均衡器。通過將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。(8)OFDM技術(shù)抗窄帶干擾性很強(qiáng)，因?yàn)檫@些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。(9)信道利用率很高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要；當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。(baud即波特；1 Baud =log

27、2M(bit/s)，其中M是信號(hào)的編碼級(jí)數(shù)雖然OFDM有上述優(yōu)點(diǎn)，但是同樣其信號(hào)調(diào)制機(jī)制也使得OFDM信號(hào)在傳輸過程中存在著一些劣勢：(1)對(duì)相位噪聲和載波頻偏十分敏感 這是OFDM技術(shù)一個(gè)非常致命的缺點(diǎn)，整個(gè)OFDM系統(tǒng)對(duì)各個(gè)子載波之間的正交性要求格外嚴(yán)格，任何一點(diǎn)小的載波頻偏都會(huì)破壞子載波之間的正交性，引起ICI，同樣，相位噪聲也會(huì)導(dǎo)致碼元星座點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)、擴(kuò)散，從而形成ICI。而單載波系統(tǒng)就沒有這個(gè)問題，相位噪聲和載波頻偏僅僅是降低了接收到的信噪比SNR，而不會(huì)引起互相之間的干擾9。(2)峰均比過大 OFDM信號(hào)由多個(gè)子載波信號(hào)組成，這些子載波信號(hào)由不同的調(diào)制符號(hào)獨(dú)立調(diào)制。同傳統(tǒng)的恒包絡(luò)的調(diào)

28、制方法相比，OFDM調(diào)制存在一個(gè)很高的峰值因子。因?yàn)镺FDM信號(hào)是很多個(gè)小信號(hào)的總和，這些小信號(hào)的相位是由要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列決定的。對(duì)某些數(shù)據(jù)，這些小信號(hào)可能同相，而在幅度上疊加在一起從而產(chǎn)生很大的瞬時(shí)峰值幅度。而峰均比過大，將會(huì)增加A/D和D/A的復(fù)雜性，而且會(huì)降低射頻功率放大器的效率。同時(shí)，在發(fā)射端，放大器的最大輸出功率就限制了信號(hào)的峰值，這會(huì)在OFDM頻段內(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生干擾。(3)所需線性范圍寬 由于OFDM系統(tǒng)峰值平均功率比(PAPR)大，對(duì)非線性放大更為敏感，故OFDM調(diào)制系統(tǒng)比單載波系統(tǒng)對(duì)放大器的線性范圍要求更高。1.3 本論文的主要任務(wù)熟悉并掌握OFDM的基本原理和技術(shù)，并對(duì)

29、其調(diào)制解調(diào)過程進(jìn)行MATLAB仿真，編寫其中的各種實(shí)現(xiàn)模塊的程序，描述出各種信號(hào)波形，以及不同的信道條件對(duì)誤碼率的影響。首先，要了解OFDM調(diào)制解調(diào)的基本原理及其框圖，對(duì)OFDM系統(tǒng)的傳輸環(huán)境進(jìn)行分析。而后在搭建整個(gè)OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的基礎(chǔ)上對(duì)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真，形象具體地研究OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程和工作原理。完成(信號(hào)生成、噪聲生成、循環(huán)前綴、調(diào)制、解調(diào)等設(shè)計(jì))，最后對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論。第2章 OFDM基本原理正交頻分復(fù)用(OFDM)的基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)子信道中的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，因此可以減輕

30、由無線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的影響。并且還可以在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，令保護(hù)間隔大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣就可以最大限度地消除由于多徑而帶來的符號(hào)間干擾(151)。而且，一般都采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，從而可以避免由多徑帶來的信道間干擾(ICI)。2.1 多載波調(diào)制理論簡介單載波系統(tǒng)如圖2-1所示。其中g(shù)(t)是匹配濾波器，單載波系統(tǒng)在傳輸信息速率不是太大，多徑效應(yīng)干擾不是很嚴(yán)重時(shí)，可通過在接收端使用合適的均衡器以使系統(tǒng)正常工作。但是對(duì)于寬帶業(yè)務(wù)來說，由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾瘦^高，時(shí)延擴(kuò)展造成數(shù)據(jù)符號(hào)之間的相互交疊，從而產(chǎn)生了符號(hào)之間的串?dāng)_(ISI)，這對(duì)均衡提

31、出了更高的要求，需要引入復(fù)雜的均衡算法，還要考慮到算法的可實(shí)現(xiàn)性和收斂速度。從另一個(gè)角度去看，當(dāng)信號(hào)的帶寬超過和接近信道的相干帶寬時(shí)，信道的時(shí)間彌散將會(huì)造成頻率選擇性衰落，使得同一個(gè)信號(hào)中不同的頻率成分體現(xiàn)出不同的衰落特性，這是我們不希望看到的。因此多載波傳輸技術(shù)的運(yùn)用就是必然的趨勢10。正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種多載波調(diào)制(MCM)技術(shù)。其主要思想是將信道在頻域上劃分為多個(gè)子信道，使每一個(gè)子信道的頻譜特性都近似平坦，使用多個(gè)互相獨(dú)立的子信道傳輸信號(hào)并在接收機(jī)中予以合并，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻率分集。圖2-1 單載波系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖2-2 多載波系統(tǒng)基本機(jī)構(gòu)圖圖2-2中給出多載波系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

32、在數(shù)據(jù)傳輸速率很高的情況下，在傳輸信道上有頻率選擇性衰落或多徑衰落，多徑時(shí)延擴(kuò)展容易導(dǎo)致ISI。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)子比特流，這樣每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號(hào)再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，從而構(gòu)成多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)，可以有效地抑制這些干擾。在單載波系統(tǒng)中，一次深度衰落或者干擾就可以導(dǎo)致整個(gè)鏈路失效，但是在多載波系統(tǒng)中，某一時(shí)刻只會(huì)有少部分的子信道會(huì)受到深衰落的影響。多載波傳輸技術(shù)有多種提法，如正交頻分復(fù)用(OFDM)、離散多音調(diào)制(DMT)和多載波調(diào)制(MCM)或者多路副載波調(diào)制(MSM)，這幾種提法在一般情況下是等同的，只是在OF

33、DM中各個(gè)子載波保持正交，而在MCM/MSM中這一條并不總能成立。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用(FDM)系統(tǒng)將整個(gè)頻帶劃分為若干個(gè)互不重疊的子信道來并行傳輸數(shù)據(jù)，為避免子信道之間的相互干擾，予信道之間要留有保護(hù)頻帶。在接收端用帶通濾波器組對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分離和提取。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單，而最大的缺點(diǎn)就是頻譜的利用率低，且多個(gè)濾波器的實(shí)現(xiàn)也有不少困難。OFDM系統(tǒng)的每個(gè)子載波之間相互正交，各子載波之間有1/2重疊，即每個(gè)子載波的頻點(diǎn)和相鄰載波的零點(diǎn)相互重疊。在接收端可以通過相關(guān)解調(diào)技術(shù)分離出來，避免使用帶通濾波器組，同時(shí)使頻譜效率提高近一倍。2.2 OFDM系統(tǒng)的基本模型OFDM系統(tǒng)的基本原理見圖2-3所示：設(shè)

34、基帶調(diào)制信號(hào)的帶寬為B，碼元調(diào)制速率為R，碼元周期為，且信道的最大遲延擴(kuò)展。OFDM的基本原理是將原信號(hào)分割為N個(gè)子信號(hào)，分割后碼元速率為R/N，周期為，然后用N個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制N個(gè)相互正交的子載波。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。當(dāng)調(diào)制信號(hào)通過陸地?zé)o線信道到達(dá)接收端時(shí)，由于信道多徑效應(yīng)帶來的碼間串?dāng)_的作用，子載波之間不能保持良好的正交狀態(tài)。因而，發(fā)送前就在碼元間插入保護(hù)時(shí)間。如果保護(hù)間隔大于最大時(shí)延擴(kuò)展，則所有時(shí)延小于占的多徑信號(hào)將不會(huì)延伸到下一個(gè)碼元期間，因而有效地消除了碼間串?dāng)_12。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(hào)。這里要求碼元波形是受限的

35、，并且數(shù)據(jù)要成塊處理。然后經(jīng)過串并變換成為N個(gè)子信號(hào)，再去調(diào)制相互正交的N個(gè)子載波，最后相加形成OFDM發(fā)射信號(hào)。在接收端，輸入信號(hào)分為N個(gè)支路，分別用N個(gè)子載波混頻和積分，恢復(fù)出子信號(hào)，再經(jīng)過并串變換和常規(guī)QAM解調(diào)就可以恢復(fù)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(gè)子信道。圖2-3 OFDM系統(tǒng)基本原理模型2.3 OFDM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的FFT實(shí)現(xiàn) OFDM系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是可以利用離散傅里葉變換(DFT)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，從而避免了直接生成N個(gè)載波時(shí)由于頻率偏移而產(chǎn)生的交調(diào)，而且采用快速傅里葉變換(FFT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可以大大簡化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，且便于利用VLSI技術(shù)。

36、本節(jié)將簡述其原理。多載波信號(hào)可以寫為如下復(fù)數(shù)形式： (2-1)其中為第i個(gè)載波頻率，為第i個(gè)載波上的復(fù)數(shù)信號(hào)，若設(shè)定在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)為定值(即非滾降QAM)，有 (2-2)設(shè)信號(hào)采樣頻率為1/T，則有 (2-3)一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)含有N個(gè)采樣值，即有 (2-4)不失一般性，令，則 (2-5)若取，則有 (2-6)將其與IDFT形式(系數(shù)忽略) (2-7)進(jìn)行比較，可以看出兩式等價(jià)。由此可知，若選擇載波頻率間隔為，則OFDM信號(hào)不但保持了正交性，而且可以用DTF來定義。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(rèn)為數(shù)據(jù)的編碼映射是在頻域進(jìn)行，經(jīng)過IFFT轉(zhuǎn)化為時(shí)域信號(hào)發(fā)送出去，接收端通

37、過FFT恢復(fù)出頻域信號(hào)。為了使信號(hào)在IFFT(FFT)前后功率不變，DFT按下式定義： (2-8) (2-9)2.4 OFDM系統(tǒng)正交性原理 OFDM系統(tǒng)的正交性原理可以從幾個(gè)方面來理解。例如，上節(jié)進(jìn)行了公式推導(dǎo)，并給出了結(jié)論，即如果正確的選擇載波頻率間隔(取為1/N了)，則OFDM信號(hào)可以保持其正交性。下面，為了更直觀的理解OFDM系統(tǒng)的正交性原理，我們給出一個(gè)OFDM符號(hào)包括4個(gè)子載波的實(shí)例，如圖2-3所示。其中所有的子載波都具有相同的幅值和相位，但在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù)符號(hào)的調(diào)制方式，每個(gè)子載波的幅值和相位都可能是不同的。從圖2-3中可以看到，每個(gè)子載波在一個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)都包含整數(shù)

38、倍個(gè)周期，而且各個(gè)相鄰子載波之間相差一個(gè)周期。這一特性可以用來解釋子載波之間的正交性，即： (2-10)例如對(duì)第j個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，然后在時(shí)間長度T內(nèi)進(jìn)行積分，即： (2-11)根據(jù)上式可以看到，對(duì)第j個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出期望符號(hào)。而對(duì)其他載波來說，由于在積分間隔內(nèi)，頻率差別可以產(chǎn)生整數(shù)倍個(gè)周期，所以其積分結(jié)果為零。這種正交性還可以從頻域的角度來理解。我們知道每個(gè)OFDM符號(hào)在歸一化符號(hào)周期圖2-4 OFDM符號(hào)內(nèi)包括4個(gè)子載波的實(shí)例其周期T內(nèi)包括多個(gè)非零的子載波。因此其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(gè)子載波頻率上的函數(shù)的占的卷積。矩形脈沖的頻譜幅值為函數(shù)，這種函數(shù)的

39、零點(diǎn)出現(xiàn)在頻率為1/T整數(shù)倍的位置上。這種現(xiàn)象可以參見圖2-4給出了相互覆蓋的各個(gè)子信道內(nèi)經(jīng)過矩形波形成型得到的符號(hào)的函數(shù)頻譜。在每一子載波頻率的最大值處，其他子信道的頻譜值恰好為零。由于在對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行解調(diào)的過程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的每一子載波頻率的最大值，因此可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號(hào)頻譜中提取出每個(gè)子信道符號(hào)，而不會(huì)受到其他子信道的干擾。從圖2-4看出，OFDM符號(hào)頻譜實(shí)際上可以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，即多個(gè)子信道頻譜之間不存在相互干擾，但這是出現(xiàn)在頻域中的。因此這種子信道頻譜的最大值對(duì)應(yīng)于其他子信道頻譜的零點(diǎn)可以避免子信道間干擾(ICI)的出現(xiàn)。2.5 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴 應(yīng)用

40、OFDM的一個(gè)最主要的原因是它可以有效地對(duì)抗多徑時(shí)延擴(kuò)展。通過把輸入的數(shù)據(jù)流串并變換到N個(gè)并行的自信道中，使得每個(gè)用于去調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符號(hào)周期可以擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號(hào)周期的N倍，因此時(shí)延擴(kuò)展與符號(hào)周期的比值也同樣降低N倍。為了最大限度地消除符號(hào)間干擾，還可以在每個(gè)OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔(guard interval)，而且該保護(hù)間隔長度一般要大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾。2.5.1 保護(hù)間隔插入的原理傳統(tǒng)的保護(hù)間隔插入方案，是在保護(hù)間隔時(shí)間內(nèi)不插入任何信號(hào)，即是一段空閑的傳輸時(shí)段。然而在這種情況中，由于多徑傳播的影響，則會(huì)產(chǎn)生信道間干擾(I

41、CI)，即子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間產(chǎn)生干擾。每個(gè)OFDM符號(hào)中都包括所有的非零子載波信號(hào)，前且也同時(shí)會(huì)出現(xiàn)該OFDM符號(hào)的時(shí)延信號(hào)，由于在FFT運(yùn)算時(shí)間長度內(nèi)，某一子載波與帶有時(shí)延的另一子載波之間的周期差不再是整數(shù)，所以當(dāng)接收機(jī)試圖對(duì)其中一個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，另一子載波會(huì)對(duì)此造成干擾，反之相同。為了消除由于多徑所造成的ICI，OFDM符號(hào)需要在其保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號(hào)，即將一個(gè)符號(hào)的最后個(gè)采樣點(diǎn)復(fù)制到本符號(hào)的開頭，這樣就可以保證在FFT周期內(nèi)，OFDM符號(hào)的延時(shí)副本內(nèi)所包含的波形的周期個(gè)數(shù)也是整數(shù)。這樣時(shí)延小于保護(hù)間隔的時(shí)延信號(hào)就不會(huì)在解調(diào)過程中產(chǎn)生ICI。2.5.2

42、插入保護(hù)間隔后的OFDM系統(tǒng)分析圖2-5中給出了OFDM系統(tǒng)中加入保護(hù)間隔之后的發(fā)射機(jī)框圖，由此會(huì)帶來功率和信息速率的損失。其中功率損失可以定義為： (2-12)圖2-5 插入保護(hù)間隔后的OFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)框圖從上式可以看到，當(dāng)保護(hù)間隔占到20%時(shí)，功率損失也不到ldB但是帶來的信息速率損失達(dá)20%。而在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中，由于升余弦濾波也會(huì)帶來信息速率(帶寬)的損失與滾降系數(shù)有關(guān)。但是插入保護(hù)間隔可以消除ISI和多徑所造成的工CI的影響，因此這個(gè)代價(jià)是值得的。加入保護(hù)間隔之后基于IDFT(IFFT)的OFDM系統(tǒng)框圖可以表示為圖2-6。圖2-6 加入保護(hù)間隔，利用IDFT/DFT實(shí)現(xiàn)的OFD

43、M系統(tǒng)框圖當(dāng)子載波個(gè)數(shù)比較大時(shí)，OFDM的符號(hào)周期T相對(duì)于信道的脈沖響應(yīng)度很大，則符號(hào)間干擾(ISI)的影響很小；而如果相鄰OFDM符號(hào)之間的保護(hù)間隔滿足的要求，則可以完全克服ISI的影響。同時(shí)為了保持子載波的正交性，該保護(hù)間隔必須是循環(huán)前綴，即將每個(gè)OFDM符號(hào)的后時(shí)間中的樣點(diǎn)復(fù)制到OFDM符號(hào)的前面形成前綴，此時(shí)OFDM的符號(hào)周期為： (2-13)保護(hù)間隔的離散長度，即樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為： (2-14)這樣根據(jù)圖2.5，包含保護(hù)間隔、功率歸一化OFDM的抽樣序列為： (2-15)經(jīng)過信道和加性白斯高噪聲的作用后的接收信號(hào)： (2-16)接收信號(hào)經(jīng)過變換后得到的接受序列，為對(duì)按的抽樣速率得到的數(shù)字抽

44、樣。ISI只會(huì)對(duì)接收序列的前個(gè)采樣點(diǎn)形成干擾，因此將前個(gè)樣點(diǎn)去掉，就可以完全消除ISI的影響。去掉保護(hù)間隔的序列進(jìn)行DFT變換，可得到DFT輸出的多載波解調(diào)序列，得到N個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)： (2-17)通過適當(dāng)選擇子載波個(gè)數(shù)N，可以使信道響應(yīng)平坦，插入保護(hù)間隔還有助于保持子載波之間的正交性，因此OFDM有可能消除ISI和多徑帶來的ICI的影響，接收信號(hào)的頻域表達(dá)為： (2-18)其中為第n個(gè)子載波的復(fù)衰落系數(shù)，代表第n個(gè)子信道的AWGN，它的實(shí)部與虛部服從零均勻高斯分布，且相互獨(dú)立了。噪聲方差： (2-19)根據(jù)式2-18，多載波傳輸系統(tǒng)可以等效如圖2-7所示的頻域系統(tǒng)。這樣系統(tǒng)有N個(gè)進(jìn)行的子系統(tǒng)，每個(gè)

45、子系統(tǒng)經(jīng)受乘性復(fù)干擾和加性高斯白噪聲的影響。圖2-7 基于OFDM的多載波系統(tǒng)的等效頻域系統(tǒng)2.6 傅立葉變換的過采樣在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)一個(gè)OFDM符號(hào)進(jìn)行N點(diǎn)采樣，即N點(diǎn)IFFT運(yùn)算所得到的N個(gè)輸出樣值往往不能真正地反映連續(xù)OFDM符號(hào)的變化特性，這是由于根據(jù)采樣定理，當(dāng)以低于信號(hào)最高頻率兩倍的頻率進(jìn)行采樣時(shí)，信號(hào)將不再含有原始信號(hào)中的高頻成分，呈現(xiàn)出虛假的低頻信號(hào)。為了避免數(shù)字信號(hào)處理過程中的混疊效應(yīng)，一般需要對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行過采樣(oversample)。k倍(k為過采樣因子，k為整數(shù)且k1)過采樣的方法是：在原來的輸入數(shù)據(jù)中間添加(k-1)N個(gè)零點(diǎn)，構(gòu)成個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，然后對(duì)kN個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行

46、kN點(diǎn)IDFT運(yùn)算，得到kN個(gè)輸出樣值，然后進(jìn)行D/A變換，得到一個(gè)模擬的OFDM信號(hào)。下面以k=4為例來說明過采樣的實(shí)施15。假設(shè)輸入的N個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)表示頻域數(shù)據(jù)符號(hào)，經(jīng)過N點(diǎn)IFFT變換之后輸出時(shí)域數(shù)據(jù)符號(hào)，即： k=0，1，N-1 (2-20)對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行4倍過采樣，可在IDFT輸入的頻域數(shù)據(jù)符號(hào)的中間插入3N個(gè)零，即構(gòu)成，然后再對(duì)其進(jìn)行4N點(diǎn)的IDFT，得到4N個(gè)時(shí)域離散采樣點(diǎn)，即： k=0，1，4N-1 (2-21)由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)頻域信號(hào)的過采樣，這更精確地反映了連續(xù)OFDM符號(hào)的變化情況，且采樣率越大，越能反映信號(hào)的變化細(xì)節(jié)。2.7 OFDM 信號(hào)的頻譜特性 當(dāng)個(gè)子載波用QAM進(jìn)

47、行調(diào)制時(shí)，如果基帶信號(hào)采用矩形波，則每個(gè)子信道上已調(diào)信號(hào)的頻譜為形狀，其主瓣寬度為Hz，其中為OFDM符號(hào)長度。由于在時(shí)間內(nèi)共有OFDM信號(hào)的N個(gè)抽樣，所以O(shè)FDM信號(hào)的時(shí)域抽樣周期為。由于相鄰子載波之間的頻率間隔為，其中為OFDM信號(hào)的抽樣頻率，即，所以 (2-22)即這些已調(diào)子載波信號(hào)頻譜函數(shù)的主瓣寬度為，間隔為。根據(jù)函數(shù)的性質(zhì)，知道它們?cè)陬l域上正交，這就是正交頻分復(fù)用名稱的由來。一般的頻分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的各子信道之間要有一定的保護(hù)頻帶，以便在接收端可以用帶通濾波器分離出各子信道的信號(hào)。保護(hù)頻帶降低了整個(gè)系統(tǒng)的頻譜利用率。OFDM系統(tǒng)的子信道間不但沒有保護(hù)頻帶，而且各子信道的信號(hào)頻譜還相互重

48、疊，如圖2-8所示，這使得OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率相比普通頻分復(fù)用系統(tǒng)有很大提高，而各子載波可以采用頻譜效率高的QAM和MPSK調(diào)制方式，進(jìn)一步提高了OFDM系統(tǒng)的頻譜效率。應(yīng)該指出，由于循環(huán)前綴的影響，OFDM信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)將發(fā)生一定的變化，但這僅僅使信號(hào)的某些頻譜成份得到增強(qiáng)，而不會(huì)使OFDM信號(hào)增加新的頻率成份。移動(dòng)信道一般存在多徑傳播問題，使信道表現(xiàn)出明顯的衰落特性。信道的多徑衰落在單載波傳輸系統(tǒng)中往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾，使得接收機(jī)往往需要比較復(fù)雜的均衡濾波器，所以設(shè)計(jì)單載波高速移動(dòng)通信系統(tǒng)的均衡器是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的工作。OFDM系統(tǒng)利用N個(gè)子載波，將整個(gè)信道劃分成N個(gè)窄子信道，在每

49、個(gè)子信道上信道的衰落近似平坦衰落，而且每個(gè)子信道上的碼速率也比較低，這使得OFDM系統(tǒng)的均衡濾波器的設(shè)計(jì)比較容易，一般每個(gè)子信道只需要一個(gè)單抽頭的（自適應(yīng)）均衡器即可，這也是OFDM吸引人的特點(diǎn)之一。OFDM子信道間的間隔對(duì)系統(tǒng)的性能有很大影響。子信道間隔越大，由于各種因素造成的子信道間的干擾越小，但同時(shí)系統(tǒng)的頻譜效率也越低，由于子信道帶寬的加大，系統(tǒng)抗擊頻率選擇性衰落的能力也下降；反之，為提高系統(tǒng)的頻譜效率而縮小子信道間的間隔，必然使系統(tǒng)的子載波間的干擾加大。圖2-8 OFDM系統(tǒng)中，子信道符號(hào)的頻譜2.8 OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高OFDM系統(tǒng)性能，通常還需要使用很多技術(shù)

50、來增加系統(tǒng)性能。OFDM系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題包括以下幾個(gè)方面：(1)同步技術(shù) OFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感，同步性能的好壞對(duì)OFDM系統(tǒng)的性能影響很大。OFDM系統(tǒng)的同步包括載波同步、樣值同步和符號(hào)同步。與單載波系統(tǒng)相同，載波同步是為了實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的相干解調(diào)。符號(hào)同步是為了區(qū)分每個(gè)OFDM符號(hào)塊的邊界。因?yàn)槊總€(gè)OFDM符號(hào)包含N個(gè)樣值，樣值同步是為了使接收端的取樣時(shí)刻與發(fā)送端完全一致。與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對(duì)同步精度的要求更高，同步偏差會(huì)在OFDM系統(tǒng)中引起ISI和ICI。(2)信道估計(jì)技術(shù) OFDM系統(tǒng)可等效為N個(gè)獨(dú)立的并行子信道。如果不考慮信道噪聲，N個(gè)子信道上的接收信號(hào)(頻

51、域)等于各子信道上的發(fā)送信號(hào)(頻域)與信道的頻譜特性的頻率乘積。如果通過估計(jì)方法預(yù)先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號(hào)與信道的頻譜特性相除，即可實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的正確解調(diào)。信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對(duì)信道進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷地發(fā)送。二是既有較低的復(fù)雜度又有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。(3)信道編碼和交織技術(shù) 信道編碼可以顯著地提高數(shù)字通信系統(tǒng)的抗干擾能力。對(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；對(duì)于

52、衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織。實(shí)際應(yīng)用中，通常同時(shí)采用信道編碼和交織，進(jìn)一步改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。在OFDM系統(tǒng)中，可使用任意傳統(tǒng)的信道編碼，如分組碼，卷積碼、網(wǎng)格編碼調(diào)制及Turbo碼?，F(xiàn)在的發(fā)展方向是在OFDM系統(tǒng)中結(jié)合多天線技術(shù)使用空時(shí)編碼，即MIMO.OFDM技術(shù)。該技術(shù)可顯著地提高OFDM系統(tǒng)的性能。(4)降低峰均功率比技術(shù) 在時(shí)域，OFDM信號(hào)是N路正交子載波信號(hào)的疊加。當(dāng)N路信號(hào)恰好按相同的極性同時(shí)取得最大值時(shí)，OFDM信號(hào)將呈現(xiàn)最大的峰值。該峰值功率與信號(hào)的平均功率的比值，稱為峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)，簡稱峰均比16

53、。較高的PAPR，對(duì)發(fā)送端的功放的線性度要求很高，使得OFDM系統(tǒng)的性能大大下降，直接影響它的實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問題，人們提出了基于限幅類技術(shù)、概率類技術(shù)和編碼類技術(shù)等降低OFDM系統(tǒng)PAPR的方法。(5)信道時(shí)變性的影響 信道的時(shí)變性引起接收信號(hào)的多普勒擴(kuò)展，使OFDM信號(hào)的正交性遭到破壞，引起子載波間的干擾及系統(tǒng)性能的下降。克服多普勒擴(kuò)展的傳統(tǒng)方法是采用信道編碼加交織技術(shù)來抵抗信道性能的下降。最近的發(fā)展是利用多普勒分集技術(shù)來將多普勒擴(kuò)展變害為利，從而提高系統(tǒng)性能。(6)自適應(yīng)技術(shù) 利用OFDM技術(shù)的一大好處是可以根據(jù)信道的頻率選擇性衰落情況動(dòng)態(tài)地調(diào)整每個(gè)子載波上的信息比特?cái)?shù)和發(fā)送功率，

54、優(yōu)化系統(tǒng)性能，稱為自適應(yīng)比特和功率分配，也稱為自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。多用戶的情況下，如何為每個(gè)用戶最優(yōu)地分配系統(tǒng)資源，從而使系統(tǒng)的發(fā)送功率最低或使系統(tǒng)的信息速率最高，這是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。2.9 本章小結(jié)正交頻分復(fù)用(OFDM)的基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)子信道中的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的影響。本章主要討論OFDM系統(tǒng)的基本原理，首先給出了OFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的基本模型，同時(shí)分析了用FFT實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的過程及其正交性原理，接著討論了保護(hù)間隔插入的原理

55、和方法。第3章 OFDM系統(tǒng)的仿真與分析3.1 OFDMD的系統(tǒng)仿真3.1.1 MATLAB的簡介MATLAB軟件系列產(chǎn)品是一套強(qiáng)大的工程技術(shù)數(shù)值運(yùn)算和系統(tǒng)仿真軟件，廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的航空航天、汽車制造、半導(dǎo)體制造、電子通信、醫(yī)學(xué)研究、財(cái)經(jīng)研究和高等教育等領(lǐng)域，被譽(yù)為“巨人肩膀上的工具”10。研發(fā)人員借助MATLAB軟件能夠迅速測試設(shè)計(jì)構(gòu)想，綜合評(píng)測系統(tǒng)性能，快速設(shè)計(jì)更好方案來確保更高技術(shù)要求。同時(shí)，MATLAB也是國家教委重點(diǎn)提倡的一種計(jì)算工具。綜合起來，MATLAB有如下幾個(gè)特點(diǎn)。(1)編程效率高 MATLAB是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語言，允許采用數(shù)學(xué)形式的語言編寫程序，且比Basic、Fortran和C等語言更加接近我們書寫計(jì)算公式的思維方式。用MATLAB編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題，因此，MATLAB語言被稱為：“演算紙式科學(xué)計(jì)算語言”。(2)使用方便 MATLAB語言是一種解釋型語言，執(zhí)行之前不需要進(jìn)行專門的編譯。一般情況下，在采用任何高級(jí)語言編寫和調(diào)試程序時(shí)需要經(jīng)歷4個(gè)階段，即編輯、編譯、鏈接以及執(zhí)行調(diào)試，并且這4個(gè)步驟之間是順序執(zhí)行的。MATALB語言與其他語言相比，較好地解決了上述問題，把編輯、編譯、鏈接和執(zhí)行融為一體。它能在同一畫面上進(jìn)行靈活操作快速排除輸入程序中的書寫錯(cuò)誤、語法錯(cuò)誤以至語義錯(cuò)誤，從而加快了用戶