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

2、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)牧硪环N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)。由于OFDM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

3、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 OFDM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。從此以后OFDM技術(shù)開始走向?qū)嵱?。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)

4、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.ll 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?，F(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。2001年，IEEE802.16通過了無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。伴隨著IEEE802.l la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

5、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，OFDM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6。OFDM調(diào)制技術(shù)的高速率性能是通過提高系

6、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（CDMA）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)”。OFD

7、M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(yǔ)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

8、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。 r(t) n(t)S(t)并/串交換DFT或FFT并/串交換反OFDMOFDM串/并交換IDFT或IFFT插入保護(hù)間隔數(shù)/模轉(zhuǎn)換多徑傳播模/數(shù)轉(zhuǎn)換去除保護(hù)間隔串/并交換圖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

9、，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1N。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)

10、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

11、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)OFDM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

12、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，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

13、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，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)谋忍厮俾士梢杂烧{(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

14、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?？傊x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：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

15、.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 （2） 可容忍時(shí)延擴(kuò)展（均方根）（3）帶寬 （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)間隔的長(zhǎng)短，保護(hù)間隔一般取為 均方根時(shí)延擴(kuò)展的4倍，所以保護(hù)間隔。（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=5×保護(hù)間隔即：； OFDM符號(hào)有用信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度：；子載波間隔：。（3）確定子載波數(shù)量：?jiǎn)蝹€(gè)OFDM符號(hào)傳送比特?cái)?shù)。方案1：采用16QAM調(diào)制和R=1/2信道編碼。每個(gè)子載波傳送2bit信息；子載波個(gè)數(shù)；信號(hào)帶寬。方案2：采用QPSK調(diào)制和R=3/4信道編碼。每個(gè)子載波傳送1.5b