OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)及基帶系統(tǒng)仿真

1、OFDM 原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì) OFDM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及基帶系統(tǒng)仿真 學(xué) 號(hào)： S315080037 專 業(yè)：信息與通信工程 學(xué)生姓名：段京京 任課教師：張薇 副教授 2016 年 4 月 第 1 章 緒論 1.1 引言 計(jì)算機(jī)技術(shù)、 Internet 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與普及改變了人類生活方式，這是人類科 技的一次革命性的進(jìn)步。 隨著人們對(duì)信息量的需求越來越多， 無線移動(dòng)通信進(jìn)入 了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信技術(shù)有著更快速的發(fā) 展，特別是無線通信網(wǎng)絡(luò)和 Internet 的結(jié)合，使網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)揮了更大的作用，更 加促進(jìn)了 Internet 的發(fā)展和無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的完善，人們的生活方

2、式更加便捷和多 樣化，世界發(fā)展更快、更加精彩、更加輝煌。無線移動(dòng)通信技術(shù)迎來了又一次偉 大的變革。其中，正交頻分復(fù)用（ OFDM ）技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)。 在現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線信道中， 隨著傳輸數(shù)據(jù)率的提高， 多徑衰落和由 之引起的碼間串?dāng)_會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。 克服這種影響的一種方法是采用信道均 衡技術(shù)，但是隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高， 其代價(jià)可能變得無法接受。 正交頻分復(fù) 用（OFDM傳輸技術(shù)提供了讓數(shù)據(jù)以較高的速率在較大延遲的信道上傳輸?shù)牧硪?種途徑。OFDM技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，它將串行高速信息數(shù)據(jù)流變換成為 若干路并行低速數(shù)據(jù)流， 每路低速數(shù)據(jù)流被調(diào)制在彼此正交的子載波上構(gòu)成發(fā)送 信號(hào)

3、。由于OFDh具有較高的頻譜利用率及抗多徑干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且能夠通 過 IFFT/FFT 等高效算法實(shí)現(xiàn)，因此目前它已成為應(yīng)用最為廣泛的多載波調(diào)制方 式。 1.2 OFD M 系統(tǒng)的發(fā)展 上個(gè)世紀(jì)70年代，Weinstein和Ebert等人應(yīng)用離散傅里葉變換和快速傅里 葉變換創(chuàng)造了一個(gè)完整的多載波傳輸系統(tǒng)，叫做正交頻分復(fù)用（ OFDM ）系統(tǒng)。 正交頻分復(fù)用是一種特殊的多載波傳輸方式 1。正交頻分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用離散 傅里葉變換及反變換解決了產(chǎn)生多個(gè)互相正交的子載波和從子載波中恢復(fù)原信 號(hào)的問題。 這就解決了多載波傳輸系統(tǒng)發(fā)送和傳輸?shù)膯栴}。 應(yīng)用快速傅里葉變換 將大大降低多載波傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度。

4、從此以后 OFDM 技術(shù)開始走向?qū)嵱谩?由于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在二十世紀(jì) 90 年代， OFDM 廣泛用干各種數(shù)字 傳輸和通信中，如非對(duì)稱的數(shù)字用戶環(huán)路 （ ADSL）, ETSI 標(biāo)準(zhǔn)的音頻廣播 （DAB）、數(shù)字視頻廣播 （DVB）等4。 1999 年，IEEE802.il a 通過了一個(gè) 5GHz 的 無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中， OFDM 調(diào)制技術(shù)被用作物理層標(biāo)準(zhǔn) OETSI 的寬帶射頻 接入網(wǎng)（BRAN）的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也把OFDM技術(shù)定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技，使傳 輸速率可達(dá)54MbPs。現(xiàn)在OFDM論壇的成員已達(dá)46個(gè)會(huì)員，其中15個(gè)為主要 會(huì)員，我國(guó)的信息產(chǎn)業(yè)部也加入 OFDM 論壇 5

5、 2001年，IEEE802.16通過了無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。伴隨著IEEE802 .Ila和BRAN Hyper LAN/2 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在局域網(wǎng)的應(yīng)用， OFDM 技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步在無線數(shù)據(jù)傳 輸領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)。 OFDM 技術(shù)目前擁有兩個(gè)不同的聯(lián)盟 : 一個(gè)是 OFDM 論壇，主要協(xié)調(diào)各會(huì)員 遞交給 IEEE 聯(lián)盟的與 OFDM 技術(shù)有關(guān)的建議 ; 另一個(gè)是寬帶無線互連網(wǎng)論壇， 其開發(fā)了一個(gè) VOFDM 標(biāo)準(zhǔn)。 OFDM 論壇已經(jīng)在 IEEE 802.16無線 MAN 會(huì)議上 向 802.16.3 分會(huì)遞交了物理層建議，在這個(gè)會(huì)議上除了 CDMA 外，還有許多 OFDM 的建議被提出。 今后， O

6、FDM 的主要發(fā)展方向是增加傳輸距離、 進(jìn)一步提高傳輸速率，并且 與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兼容。隨著數(shù)字信號(hào)處理和大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展， OFDM調(diào)制技術(shù)已經(jīng)漸漸被應(yīng)用到無線通信、高清晰度廣播電視等領(lǐng)域 。 OFDM 調(diào)制技術(shù)的高速率性能是通過提高系統(tǒng)復(fù)雜性為代價(jià)得到的。 該技術(shù) 的最大困難是如何使各個(gè)子信道精確同步。 OFDM 技術(shù)的基礎(chǔ)是各個(gè)子載波必 須滿足頻率正交性， 如果正交性存在缺陷， 整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)嚴(yán)重下降。 隨著數(shù) 字信號(hào)處理和鎖相環(huán)（ PLL ）技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在可以精確跟蹤信道沖激響應(yīng) 的實(shí)時(shí)變化，均衡碼間干擾的影響。 1.3 OFDM 系統(tǒng)的發(fā)展前景 無線通信與個(gè)人通信

7、在短短的幾十年間，經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信，從 頻分多址（FDMA）到碼分多址（CDMA）的巨大發(fā)展，目前又有新技術(shù)的出現(xiàn)，此 技術(shù)即為正交頻分復(fù)用（ OFDM ）。比以碼分多址（ CDM A ）為核心的第三代移 動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用更加完善， 技術(shù)更加先進(jìn)，我們將之稱為“第四代移動(dòng)通信技術(shù)” 。 OFDM 技術(shù)在寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的潛力。與第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比， 采用多種新技術(shù)的 OFDM 系統(tǒng)具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能 力，并且提高了頻帶利用率， 它不僅可以增加系統(tǒng)容量， 而且更好地滿足多媒體 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)地

8、傳送出去。另外， OFDM 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉。隨著 DSP 技術(shù)的飛 速發(fā)展，并利用快速傅里葉變換產(chǎn)生大量相互正交的子載波， 為實(shí)現(xiàn)高速寬帶通 信系統(tǒng)提供了極大的方便。 OFDM 將成為實(shí)現(xiàn)未來寬帶移動(dòng)通信的主流方式， 因而引起越來越多的人們的關(guān)注和研究 8。 第 2 章 OFDM 基本原理 2.1 利用 IFFT 生成 OFDM 信號(hào) 利用離散反傅里葉變換(IDFT)或快速反傅里葉變換(IFFT)實(shí)現(xiàn)的OFDM系 統(tǒng)，如圖2.1所示。 圖 2.1 OFDM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖 從上圖 OFDM 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模型可以看出， 輸入經(jīng)過調(diào)制的復(fù)信號(hào)經(jīng)過串并 變換后，進(jìn)行IDFT或IFFT,將數(shù)據(jù)的

9、頻譜表達(dá)式變到時(shí)域上， 再經(jīng)過并/串變 換，然后插入保護(hù)間隔，防止碼間干擾，再經(jīng)過數(shù)模變換后形成 OFDM 調(diào)制 后的信號(hào)s(t)。該信號(hào)經(jīng)過信道后，接收到的信號(hào) r(t)經(jīng)過模/數(shù)變換，然后去 掉保護(hù)間隔，以恢復(fù)子載波之間的正交性，再經(jīng)過串/并變換和 DFT 或 FFT 使 數(shù)據(jù)的時(shí)域表達(dá)式變到頻域上后，恢復(fù)出 OFDM 的調(diào)制信號(hào)，再經(jīng)過并/串變 換后還原出輸入符號(hào)。 2.2 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴作用 2.2.1 保護(hù)間隔 (GI) 無線多徑信道會(huì)使通過它的信號(hào)出現(xiàn)多徑時(shí)延，此種多徑時(shí)延如果擴(kuò)展到下 一個(gè)符號(hào)， 就會(huì)造成符號(hào)問串?dāng)_， 嚴(yán)重影響數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量。 而采用 OFDM 技術(shù)的主要

10、原因之一是它可以有效地防止多徑時(shí)延擴(kuò)展。 通過把輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過 串/并變換后分配到 N 個(gè)并行的子信道上，使每個(gè)用于去調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符 號(hào)周期可以擴(kuò)大為原輸入數(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 值也同樣可降低為1/N。在OFDM系統(tǒng)中，為了能夠最大限度地消除符號(hào)間干 擾，可在每個(gè) OFDM 符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，而且該保護(hù)間隔的長(zhǎng)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。 當(dāng)多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔時(shí)，可以保證在 FFT 的運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，不會(huì)使信 號(hào)相位跳變。所以， OFDM 接收機(jī)所看到的只是存在某些相位偏移、多個(gè)單純 連續(xù)正

11、弦波形的信號(hào)疊加， 而這種疊加不會(huì)破壞子載波之間的正交性。 如果多徑 時(shí)延超過了保護(hù)間隔，則在 FFT 運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)相位的跳變， 因此在第一路徑信號(hào)與第二路徑信號(hào)的疊加信號(hào)內(nèi)就不再只包括單純連續(xù)正弦 波形信號(hào)， 從而導(dǎo)致子載波之間的正交性可能遭到損壞， 因此就會(huì)產(chǎn)生信道間干 擾(ICI)，使得各載波之間產(chǎn)生干擾。 2.2.2 循環(huán)前綴 (CP) 為了消除多徑傳播造成的信道之間的干擾 ICI ，一種有效方法是將原來寬度 為 T 的 OFDM 符號(hào)進(jìn)行周期性擴(kuò)展，用擴(kuò)展信號(hào)來填充保護(hù)間隔。將保護(hù)間隔 內(nèi)的信號(hào)稱為循環(huán)前綴（Cyclic Prefix , CP）。在實(shí)際系統(tǒng)中，當(dāng)OF

12、DM符號(hào)送入 信道之前，首先要加入循環(huán)前綴，然后送入信道進(jìn)行傳送。在接收端，先要將接 收的符號(hào)開始的寬度為 Tg 的部分丟棄，然后將剩余的寬度為 T 的部分進(jìn)行傅里 葉變換，進(jìn)行解調(diào)。 在 OFDM 符號(hào)內(nèi)加入循環(huán)前綴可以保證在一個(gè) FFT 周期內(nèi)， 使 OFDM 符號(hào)的時(shí)延副本內(nèi)所包含的波形周期個(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)生信道間干擾 ICI。 2.3 OFDM 基本參數(shù)的選擇 OFDM 參數(shù)的選擇就是需要在多項(xiàng)矛盾要求中進(jìn)行最優(yōu)地考慮。一般來說， 首先要確定三個(gè)參數(shù)：帶寬（Bandwidth）、比特率（Bit Rate）以及保護(hù)間隔（GI）。 通常，

13、保護(hù)間隔的時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)該為應(yīng)用移動(dòng)環(huán)境信道下時(shí)延均方值的 24倍。 一旦確定了保護(hù)間隔，則 OFDM 符號(hào)周期長(zhǎng)度就可以確定。為了能夠最大程度 地減少由于插入保護(hù)間隔所帶來的信噪比損失，則需要 OFDM 符號(hào)周期長(zhǎng)度要 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于保護(hù)間隔長(zhǎng)度。但是符號(hào)周期長(zhǎng)度又不能任意大，否則在 OFDM 系統(tǒng) 中將包含有更多的子載波數(shù)， 從而導(dǎo)致子載波間隔相對(duì)減少， 致使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù) 雜程度增加， 并且還加大了系統(tǒng)的峰值平均功率比， 同時(shí)使系統(tǒng)對(duì)頻率偏差更加 敏感。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，通常選擇符號(hào)周期是保護(hù)間隔長(zhǎng)度的 5倍，這樣插 入保護(hù)比特所造成的信噪比損耗只有 1 dB 左右。 在確定符號(hào)周期和保護(hù)間隔之后

14、，子載波的數(shù)量可以直接用-3 dB帶寬除以子 載波間隔 （即去掉保護(hù)間隔后的符號(hào)周期的倒數(shù) ）得到或者利用所要求的比特速 率除以每個(gè)子信道的比特速率來確定子載波的數(shù)量。 每個(gè)信道中所傳輸?shù)谋忍厮?率可以由調(diào)制類型、編碼速率和符號(hào)速率來確定。 2.3.1 有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間 有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間 T 對(duì)子載波之間間隔和譯碼的等待周期都有影響，為了保 持?jǐn)?shù)據(jù)的吞吐量，子載波數(shù)目和 FFT 的長(zhǎng)度要有相對(duì)較大的數(shù)量，這樣就會(huì)使 有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間增大。 在實(shí)際應(yīng)用中， 載波的偏移和相位的穩(wěn)定性會(huì)影響兩個(gè) 載波之間間隔的大小， 如果接收機(jī)為移動(dòng)著的， 則載波間隔必須足夠大， 這樣才 能忽略多普勒頻移。 總之，

15、選擇有用符號(hào)的持續(xù)時(shí)間， 必須以保證信道的穩(wěn)定為 前提。 2.3.2 子載波數(shù) 子載波數(shù)目越多，有用信號(hào)越平坦，帶外衰減也就越快，圖形越接近矩形， 越符合通信要求， 但子載波數(shù)目又不能過多， 如果圖形越接近矩形則對(duì)接收端的 濾波器要求越高 （只有理想濾波器才能過濾，否則就造成交調(diào)干擾）。因此在子 載波數(shù)目的選擇上要綜合考慮傳遞信息的有效性和可行性。 子載波數(shù)可以由信道帶寬、數(shù)據(jù)吞吐量和有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間 T所決定： N 1T 子載波數(shù)可以被設(shè)置為有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間的倒數(shù)，其數(shù)值與 FFT處理過的數(shù)據(jù) 點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。第 3 章 OFDM 系統(tǒng)仿真 3.1 仿真模型 為了簡(jiǎn)化仿真過程，對(duì)系統(tǒng)框圖做以下簡(jiǎn)化

16、和假設(shè)： (1) 假設(shè)接收端理想同步； (2) 本次仿真不研究信道編碼方案對(duì)性能的影響，故不進(jìn)行信道編解碼; (3) 消除子信道平衰落的方法采用簡(jiǎn)單的頻域均衡； (4) 根據(jù)文獻(xiàn)，仿真可進(jìn)行低通等效，即進(jìn)行低通等效傳輸； (5) 仿真時(shí)一般直接進(jìn)行數(shù)字傳輸，即去掉 A/D和D/A模塊。 簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)仿真模型如圖3.1所示。 圖3.1 OFDM系統(tǒng)框圖 3.2 仿真條件： (1)比特率 2Mbit/s (2 )可容忍時(shí)延擴(kuò)展(均方根)v 4 s (3)帶寬 1.5MHz (4 )兩徑信道 3.3 仿真設(shè)計(jì)過程 (1) 確定保護(hù)間隔：根據(jù)時(shí)延擴(kuò)展確定保護(hù)間隔 TG的長(zhǎng)短，保護(hù)間隔一般取為 均方根時(shí)

17、延擴(kuò)展的4倍，所以保護(hù)間隔 TG=4 2 s 8 s。 (2) 確定OFDM符號(hào)周期長(zhǎng)度：選擇符號(hào)周期長(zhǎng)度是保護(hù)間隔長(zhǎng)度的 5倍。 OFDM符號(hào)周期長(zhǎng)度 TG Ts=5X保護(hù)間隔即：TG Ts=5 8 s 40 s; OFDM符號(hào)有用信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度：Ts 40 s 8 s 32 s ；子載波間隔: f 1 Ts 1. 32 10 6 31.25kHz。 (3)確定子載波數(shù)量：?jiǎn)蝹€(gè) OFDM符號(hào)傳送比特?cái)?shù) 2Mbit/s 80bit。 1/40 s 方案1:采用16QAM調(diào)制和R=12信道編碼。 每個(gè)子載波傳送2bit信息；子載波個(gè)數(shù) 80巴 40 ； 2 信號(hào)帶寬 31.25kHz 40 1.25MHz 1.5MHz。 方案2:采用QPSK調(diào)制和R=34信道編碼。 每個(gè)子載波傳送1.5bit信息；子載波個(gè)數(shù) 90巴=60 ； 1.5bit 信號(hào)帶寬 31.25kHz 60 1.875MHz 1.5MHz ； 因此，為滿足傳輸帶寬要求，選擇方案 1。 (4)利用快速傅立葉變換(FFT和反變換(IFFT)實(shí)現(xiàn)：上述設(shè)計(jì)中FFT/IFFT 必須