基于simulink的ofdm通信系統(tǒng)的仿真

1、-PAGE . z*工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計論文摘 要在無線信道環(huán)境中可靠、高速的傳輸數(shù)據(jù)是無線通信技術的目標和要求。OFDM技術能夠大幅度的提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率,并能有效地抵抗多徑衰落、抑制干擾和噪聲,有著廣闊的應用前景。 本文在分析移動無線信道特性的根底上,基于OFDM系統(tǒng)的根本原理,研究了OFDM通信系統(tǒng)中同步實現(xiàn)和基于導頻的信道估計問題,分析了幾種經(jīng)典信道估計算法以及相關的關鍵技術環(huán)節(jié)。 在此根底上,基于Simulink,討論了如何構建完整的OFDM動態(tài)仿真系統(tǒng),完成Simulink模塊設置,確定搭建系統(tǒng)的主要參數(shù),并對主要模塊的構建方式進展了說明;就信道編碼

2、、多普勒頻移及不同調制方式對OFDM系統(tǒng)性能的影響進展了全面的仿真分析和比擬;參考COST-207多徑信道模型,深入全面研究了瑞利衰落信道對OFDM通信系統(tǒng)性能的影響,對COST-207典型城市模型下OFDM系統(tǒng)性能仿真進展了有益的嘗試;首次應用Simulink同時對不同導頻方式、不同導頻比、不同多普勒頻移條件下的OFDM通信系統(tǒng)進展詳細仿真分析。 研究結果說明,對于應用塊狀導頻的OFDM通信系統(tǒng),在Eb/N0較小時,加性高斯白噪聲對性能起主導作用,Eb/N0較大時,ICI對性能起主導作用,形成了誤比特率底限;仿真分析說明,OFDM通信系統(tǒng)采用塊狀導頻方式時,適用的多普勒頻移的范圍為100Hz

3、以下,對應的移動速度為靜止或步行速度或較慢的汽車行駛速度;導頻比為1/3或1/4時綜合效果較好。對于應用梳狀導頻的OFDM通信系統(tǒng),其系統(tǒng)性能不如塊狀導頻,但這種導頻插入方式對多普勒頻移及時間選擇性衰落不敏感,假設將梳狀導頻與其他形式的導頻綜合使用,可用于改善OFDM通信系統(tǒng)性能,尤其是具有較高相對移動速度的OFDM系統(tǒng)。 論文所得結論可為進一步研究提供仿真數(shù)據(jù),也可為OFDM系統(tǒng)的仿真與研究提供重要的參考。關鍵詞：OFDM；導頻；衰落信道；信道估計；Simulink；多普勒頻移；仿真分析ABSTRACTData transmission in wireless channels with h

4、igh speed and reliability is required in wireless munication technology. OFDM technology which has widely application prospects can not only increase the transmission rate and the capacity of the wireless munication system, but also effectively resist multi-path fading as well as restrain interferen

5、ce and noise.In this paper,synchronizationand channel estimationbasedon pilot are researched; several classic channel estimation algorithm and relative key technology are analysised on the basis of principles of OFDM. Based on simulink, how to build a plete OFDM simulation systems is discussed; chan

6、nel code, Doppler and different kinds of modulations influence on OFDM system performance is pared and analysised prehensively; influence of Rayleigh fading channel which refer to COST-207 model is researched; a positive attempt on OFDM system performance simulation is made. It is the first time for

7、 OFDM munication system to be simulated and analysised in detail under condition of different pilot patterns, different pilot rate and different Doppler frequency shift at the same time.The research results indicate that, for OFDM munication system using block-type pilot, AWGN will play the leading

8、role when Eb/N0 is smaller as well as ICI will play the leading role and the bottom bit error is formed when Eb/N0 is larger. The simulation analysis results imply that Doppler frequency shift should be smaller than 100Hz, the corresponding movement speed should be zero or walking pace or slow drivi

9、ng speed when using block-type pilot and the pilot rate should be 1/3 or 1/4 considering prehensive performance.Performance of OFDM system using b-type pilot is not good as block-type pilot, however, the b-type pilot pattern is insensitive to Doppler frequency shift and time selective fading; OFDM s

10、ystem performance, especially the high speed system, could be improved if b-type and other pattern pilots used together. The conclusion could provide simulation data for further research and provide reference for OFDM simulation and research.KEY WORDS: OFDM; Pilot; Fading channel; Channel Estimation

11、; Simulink; Doppler Frequency Shift; Simulation Analysis作者聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進展的研究工作和取得的成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果及專利。與我一同工作的同志對本研究所做的任何奉獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。如本畢業(yè)設計論文引起的法律結果完全由本人承當。畢業(yè)設計論文由*工程大學郵電與信息工程學院所有。特此聲明。 作者專業(yè)：作者*：作者簽名：_年_月_日目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc285291079第一章緒論1HY

12、PERLINK l _Toc2852910801.1 引言1HYPERLINK l _Toc2852910811.2 研究背景和意義2HYPERLINK l _Toc2852910821.2.1 OFDM技術開展歷史2HYPERLINK l _Toc2852910831.2.2 OFDM技術應用領域3HYPERLINK l _Toc2852910841.2.3 OFDM技術的優(yōu)缺點5HYPERLINK l _Toc2852910851.3 本文研究內容6HYPERLINK l _Toc2852910861.4 本章小結7HYPERLINK l _Toc285291087第二章 OFDM 原理與

13、性能7HYPERLINK l _Toc2852910882.1 OFDM的根本原理模型8HYPERLINK l _Toc2852910892.2 OFDM的IFFT/FFT 實現(xiàn)11HYPERLINK l _Toc2852910902.3 添加循環(huán)前綴12HYPERLINK l _Toc2852910912.4 本章小結15HYPERLINK l _Toc285291092第三章 OFDM 關鍵技術16HYPERLINK l _Toc2852910933.1 OFDM同步16HYPERLINK l _Toc2852910943.1.1 同步誤差的產(chǎn)生16HYPERLINK l _Toc2852

14、910953.1.2 基于PN序列的符號同步17HYPERLINK l _Toc2852910963.1.3 基于循環(huán)前綴的符號同步19HYPERLINK l _Toc2852910973.1.4 頻域同步20HYPERLINK l _Toc2852910983.1.5 無線信道的時變性以及多普勒頻移21HYPERLINK l _Toc2852910993.2 信道估計22HYPERLINK l _Toc2852911003.2.1 信道估計的常用方法22HYPERLINK l _Toc2852911013.2.2 導頻形式的選擇23HYPERLINK l _Toc2852911023.2.3

15、 LS信道估計算法24HYPERLINK l _Toc2852911033.2.4 MMSE信道估計算法26HYPERLINK l _Toc2852911043.3 本章小結27HYPERLINK l _Toc285291105第四章不同編碼及調制方式下OFDM仿真分析28HYPERLINK l _Toc2852911064.1 仿真軟件簡介及其在通信領域的應用28HYPERLINK l _Toc2852911074.1.1 MATLAB/SIMULINK 概述28HYPERLINK l _Toc2852911084.1.2 使用MATLAB/SIMULINK進展通信系統(tǒng)設計29HYPERLI

16、NK l _Toc2852911094.2 編碼對OFDM系統(tǒng)影響的仿真分析29HYPERLINK l _Toc2852911104.2.1 OFDM基帶系統(tǒng)框圖29HYPERLINK l _Toc2852911114.2.2 仿真分析30HYPERLINK l _Toc2852911124.3 不同調制方式下OFDM系統(tǒng)仿真分析34HYPERLINK l _Toc2852911134.3.1 QPSK 仿真模型及分析34HYPERLINK l _Toc2852911144.3.2 BER誤差原因分析37HYPERLINK l _Toc2852911154.4 本章小結38HYPERLINK

17、l _Toc285291116第五章瑞利衰落信道對OFDM 系統(tǒng)影響的仿真分析38HYPERLINK l _Toc2852911175.1 COST-207多徑信道模型38HYPERLINK l _Toc2852911185.2 COST-207典型城市模型下的仿真分析40HYPERLINK l _Toc2852911195.3 本章小結42HYPERLINK l _Toc285291120第六章導頻比對OFDM 系統(tǒng)影響的仿真分析43HYPERLINK l _Toc2852911216.1 導頻比(塊狀導頻)對OFDM系統(tǒng)影響的仿真分析43HYPERLINK l _Toc2852911226

18、.1.1 系統(tǒng)模型43HYPERLINK l _Toc2852911236.1.2 仿真分析45HYPERLINK l _Toc2852911246.2 導頻比(梳狀導頻)對OFDM系統(tǒng)影響的仿真分析50HYPERLINK l _Toc2852911256.2.1 系統(tǒng)模型50HYPERLINK l _Toc2852911266.2.2 仿真分析52HYPERLINK l _Toc2852911276.3 本章小結53HYPERLINK l _Toc285291128第七章總結與展望54HYPERLINK l _Toc285291129參考文獻56HYPERLINK l _Toc2852911

19、30致謝58*工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計論文基于Simulink的OFDM通信系統(tǒng)的仿真Simulation of OFOM munication system based on Simulink學生*：雷雨學 號：6203130409專業(yè)班級：通信1204指導教師：王亮2016年5月2日-. z第1章 緒論1.1 引言自1837年最早的通信形式-電報出現(xiàn)以來，通信己經(jīng)逐漸融入了社會。隨著通信技術的不斷成熟開展，現(xiàn)代社會也正在高速開展。如今的通信傳輸方式日新月異，從最初的有線通信到無線通信，再到現(xiàn)在的光纖通信；從最初的電報，到固定 、計算機網(wǎng)絡、再到現(xiàn)在的移動通信；從最初的文本信號通

20、信到語音通信、再到現(xiàn)在的多媒體通信。人們對通信質量的要求也在不斷提高。通信正在朝著個性化、全球化、高質量的方向開展。如各種先進技術的結晶-移動通信，使得人們可以隨時隨地的聯(lián)系外界、可以連上網(wǎng)絡、甚至可以進展可視對話。現(xiàn)代社會是信息社會，人類生活在信息高速公路交織的網(wǎng)絡中。隨著通信技術的不斷開展和成熟，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域的開展趨勢之一。正交頻分復用Orthogonal Frequency Division Multiple*ing，OFDM技術作為一種可以有效對抗符號間干擾Inter Symbol Interference，ISI的高速數(shù)據(jù)傳輸技術，已經(jīng)受

21、到前所未有的重視，對其關鍵技術的研究也正在緊張的開展。OFDM技術以其優(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)字播送等領域得到應用，并已取得可喜的成果。這預示著OFDM良好的開展前景。正交頻分復用OFDM是一種多載波數(shù)字通信調制技術，它的根本思想是將高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通過串并轉換，變成在假設干個正交的窄帶子信道上并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流。OFDM技術將傳送的數(shù)據(jù)信息分散到每個OFDM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技術利用信號的時頻正交性，允許子信道頻譜有局部重疊，使得頻譜利用率提高近一倍11.2 研究背景和意義1.2.1 OFDM技術開展歷史正

22、交頻分復用技術己有近40年的開展歷史，其概念最早出現(xiàn)于20世紀50年代中期。60年代，人們對多載波調制MCM技術進展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技術也被應用到美國軍用高頻通信系統(tǒng)中。1966年，發(fā)表了Synthesis of band-limited orthogonal signals for multi channel data transmission一文。文中表達了在線性帶寬信道中，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)多載波調制的方法。這樣在實際應用中

23、就可以依靠更為方便的快速傅立葉變換IFFT/FT來完成OFDM系統(tǒng)的調制和解調功能，無需再使用梳狀濾波器，簡化了系統(tǒng)構造，使得OFDM技術更趨實用化。但是由于當時受到實時傅立葉變換設備的復雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩(wěn)定性等相關技術條件的限制，OFDM技術沒有得到廣泛的應用。另一個重要奉獻是Pled和Ruiz在1980年做出的。他們引入了循環(huán)前綴cyclic prefi*，CP這一概念，解決了正交性的問題；沒有采用插入保護間隔的方法，相反，用OFDM的循環(huán)延伸填充了保護間隔。當CP的時間比信道的脈沖相應時間長時，這樣就可以在色散信道上保持正交性。20世紀80年代，人們對多載波調制在高速MODE

24、M、數(shù)字移動通信等領域中的應用進展了較為深入的研究。到了90年代，數(shù)字信號處理技術和超大規(guī)模集成電路的飛速開展，又為OFDM技術的實現(xiàn)掃除了障礙。此時，OFDM技術終于登上了通信的舞臺。高速數(shù)字信號處理DSP芯片的開展，使得OFDM優(yōu)越性更加突出。DSP與FFT技術的結合，使得OFDM開場迅速開展并被廣泛應用。DFT/IDFT、QAM技術、柵格編碼技術、軟判決技術、信道自適應技術等成熟技術的逐步引入，人們開場集中越來越多的精力開發(fā)OFDM技術在移動通信領域的應用。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A

25、DSL，ETSI標準的音頻播送DAB，數(shù)字視頻播送DVB等。1999年IEEE802.14通過了一個5 GHz的無限局域網(wǎng)標準，其中OFDM調制技術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定位他的調制標準技術2。1999年12月，包括Ericsson，Nokia和WLAN在內的7家公司發(fā)起了國際OFDM論壇，致力于籌劃一個基于OFDM技術的全球性單一標準?，F(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在無線通信領域的應用在當時已引起國內通信界的重視。2000年11月，OFDM論壇的固定

26、無線接入工作組向的無限城域網(wǎng)委員會提交了一份建議書，提議采用OFDM技術作為IEEE8城域網(wǎng)的物理層標準，隨著802.1la和BRANHyperLAN/2兩個標準在局域網(wǎng)中的普及應用，OFDM技術將會進一步在無線數(shù)據(jù)本地環(huán)路的廣域網(wǎng)領域做出更大的奉獻。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技術在綜合無線接入領域將得到廣泛的應用。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之一3。1.2.2 OFDM技術應用領域1.移動通信領域OFDM技術的數(shù)據(jù)傳輸速度相當于GSMGlobal System for Mobile munic

27、ation ，全球移動通信系統(tǒng)和CDMACode Division Multiple Access，碼分多址技術標準的10倍。從理論上講，OFDM技術要優(yōu)越于當前的全球移動運營商所采用的標準技術。預計第三代以后的移動通信的主流技術將是OFDM技術。但問題是其本錢和兼容性等問題與當前技術相比是否具有競爭力。近年來，OFDM開場與CDMA技術相結合，產(chǎn)生了MC-CDMA。該技術除了繼承了DS-CDMA的優(yōu)點外，還具有靈活、容量高、強抗干擾、無需復雜的均衡等優(yōu)點。2.數(shù)字傳輸領域OFDM在數(shù)字播送領域也有出色的表現(xiàn)。DABDigital Audio Broadcasting，數(shù)字語音播送DMBDig

28、ital Multimedia Broadcasting，數(shù)字多媒體播送具有音質好CD質量、可實現(xiàn)多媒體接收、可加密、并可利用衛(wèi)星大幅度提高播送的覆蓋率等優(yōu)點，是播送事業(yè)開展中的一個新的里程碑。采用OFDM技術后，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。3.計算機網(wǎng)絡領域近年來，Internet以驚人的速度開展，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Internet飛速開展的需要。寬帶技術開場興起，OFDM則以其

29、良好的性能在該領域得到很好的應用。如已經(jīng)進入千家萬戶的ADSLAsymmetric Digital Subscriber Loop，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路和正在不斷升溫的VDSLVery High Bit Rate Digital Subscriber Loop，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26Mbps。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，傳輸距離則到達3000m-5000m。在無線局域網(wǎng)領域， IEEE于1999年通過了一個5GHz

30、的無線局域網(wǎng)標準802.1la，其中OFDM調制技術被作為它的物理層標準。802.1la工作于或頻段，能提供的速率有6、12、18、24、36、48和54Mbps，其中必須支持6、12和24Mbps。802.1la使用52個子載波，調制方式有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工程Hyper LAN 2也把OFDM定為它的調制標準技術。在未來的寬帶接入系統(tǒng)中，OFDM將是一項根本技術。目前，OFDM在電力線網(wǎng)絡領域中也得到了應用。1.2.3 OFDM 技術的優(yōu)缺點OFDM技術主要有如下幾個優(yōu)點：1.抗衰

31、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Impulsenoise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，到達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)的利用保護頻帶別離子信道的方式，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制方式：信道條件好時，采用效率

32、高的調制方式；信道條件差時，采用抗干擾能力強的調制方式。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展傳送。因此，OFDM技術非常適合高速數(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。OFDM技術的缺乏之處包括：1.對頻偏和相位噪聲比擬敏感OFDM技術區(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

33、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擬敏感。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)生比擬大的峰值功率，也就會帶來較大的峰值功率與均值功率之比，簡稱峰均值比PAPR。對于包含個子信道的OFDM來說，當N個子信道都以一樣的相位求和時，所得到的峰值功率就是均值功率的倍，因而基帶信號的峰均值比為：PAPR=10lgN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)內的峰值不會到達這樣高的程

34、度。頂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4。1.3 本文研究內容本文對OFDM通信系統(tǒng)進展了較為全面的仿真分析。主要包括：對采用Simulink搭建的仿真系統(tǒng)及主要模塊進展了說明；對分別采用QPSK，16QAM，64QAM的OFDM系統(tǒng)的性能進展了比擬和分析：對采用RS編碼和未采用編碼的OFDM系統(tǒng)的性能進展了比擬；對采用COST-207多徑信道模型及不同多普勒頻移的OFDM系統(tǒng)進展了仿真，深入全面研究了瑞利衰落信道對OFDM通信系統(tǒng)性能的影響；對采用塊狀導頻的OFDM通信系統(tǒng)進展了仿真分析，對采用不同導頻比及不同多普勒頻移的系統(tǒng)性能進展了比擬和分析，得出了仿真

35、模型下適用的多普勒頻移的變化范圍及相應的導頻比的選擇；對采用梳狀導頻的OFDM通信系統(tǒng)進展了仿真分析，對采用不同導頻比及不同多普勒頻移的系統(tǒng)性能進展了比擬和分析，根據(jù)仿真結果總結了梳狀導頻的適用情況，對OFDM系統(tǒng)的導頻選擇進展了分析和總結。1.4 本章小結正交頻分復用OFDM是一種多載波數(shù)字通信調制技術，它的根本思想是將高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通過串并轉換，變成在假設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技術利用信號的時頻正交性，允許子信道頻譜有局部重疊，使得頻譜利用率提高近一倍。正

36、交頻分復用技術其概念最早出現(xiàn)于20世紀50年代中期。60年代形成了并行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復用的思想。離散傅立葉變換DFT的引入使實際應用中可以依靠更為方便的快速傅立葉變換從F1至FT來完成OFDM系統(tǒng)的調制和解調功能。80年代，人們對多載波調制在高速MODEM、數(shù)字移動通信等領域中的應用進展了較為深入的研究。90年代，數(shù)字信號處理技術和超大規(guī)模集成電路的飛速開展為OFDM技術的實現(xiàn)掃除了障礙。DSP與FFT技術的結合，使得OFDM開場迅速開展并被廣泛應用。隨著成熟技術的逐步引入，人們開場集中越來越多的精力開發(fā)OFDM技術在移動通信領域的應用。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，

37、OFDM技術在綜合無線接入領域將得到廣泛的應用。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之一。OFDM技術應用領域有移動通信領域、數(shù)字傳輸領域、計算機網(wǎng)絡領域和電力線網(wǎng)絡領域。OFDM技術主要有如下幾個優(yōu)點：抗衰落能力強、頻率利用率高、適合高速數(shù)據(jù)傳輸和抗碼間干擾能力強。OFDM技術的缺乏之處包括：對頻偏和相位噪聲比擬敏感、峰均值比大導致射頻放大器功率效率低、加載算法和自適應調制會增加系統(tǒng)復雜度。在本章的最后，對本文研究內容進展了說明。第2章 OFDM原理與性能OFDM由大量在頻率上等間隔的子載波構成設共有N個載波，各載波可用同一種數(shù)字調制方法

38、，或不同的載波使用不同的調制方法，將高速串行數(shù)據(jù)分成多路并行的低速數(shù)據(jù)加以調制。所以OFDM實際上是一種并行調制方案，將符號周期延長N倍，從而提高了抗多徑衰落的抵抗能力。在傳統(tǒng)的頻分復用中備載波的信號頻譜互不重疊，頻帶利用率較低。在OFDM系統(tǒng)中，各于載波在整個符號周期上是正交的即加于符號周期上的任何兩個載被的乘積等于零，因此各于載波信號頻譜可以互相重疊，大大提高了頻帶利用率。由于OFDM系統(tǒng)中的載波數(shù)量多達幾百上千，所以在實際應用中不可能使用幾百個振蕩器和鎖相環(huán)進展調制。因此，Weinstein提出了用離散傅里葉變換DFT實現(xiàn)OFDM的方法。隨著數(shù)字信號處理技術DSP的飛速開展，采用快速傅里

39、葉變換，利用現(xiàn)有的高速數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn)OFDM的調制與解調，非常方便，又可大大降低系統(tǒng)本錢。2.1 OFDM的根本原理模型OFDM的根本原理就是把串行的數(shù)據(jù)流分解成假設干個數(shù)據(jù)速率低得多的并行子數(shù)據(jù)流，每個子數(shù)據(jù)流再去調制相應各個正交的子載波，最后把各個子載波上的信號疊加合成一起輸出。OFDM系統(tǒng)的根本原理如圖2.1所示：圖2.1OFDM系統(tǒng)根本原理模型從上圖可以看出：OFDM的發(fā)送端的根本原理就是把輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換成N路子信道數(shù)據(jù)，然后分別調制相應各個正交的子載波后疊加合成一起輸出。而在接收端則用各個子載波分別混頻和積分得到各路數(shù)據(jù)，經(jīng)過并串變換便輸出原始數(shù)據(jù)。從上面對OFDM根本原

40、理的論述可以看出：其實現(xiàn)的根本思想是通過串并變換把串行的高速數(shù)據(jù)流變成并行的低速數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)的關鍵點是保證各個子載波之間的正交性56。串并變換是很容易實現(xiàn)的，而正交性是如何實現(xiàn)的呢？下面先看看OFDM信號的表達式。一個OFDM符號之內包括多個經(jīng)過調制的子載波的合成信號，其中每個子載波信號都可以進展相移鍵控PSK或者正交幅度調制QAM。如果N表示子信道的個數(shù)，T表示一個OFDM符號的時間寬度，(i=0,1,iN-1)為每個子信道的數(shù)據(jù)符號，是第0個子載波的載波頻率，則。開場的一個已經(jīng)調制的OFDM符號可表示為：(2-1)然而在多數(shù)的文獻中，通常采用復等效基帶信號來表示OFDM的輸出信號，如式(2

41、-2)所示。其中實部和虛局部別對應于OFDM符號的同相和正交分量，在實際中可以分別與相應的子載波的COS分量和SIN分量相乘，再疊加成OFDM信號。2-2 從式(2.1)和式2.2都可以看出，OFDM信號相鄰子載波間的間隔為OFDM的碼元速率即1/T，這樣就有： 2-3 =式2-3說明了只要使各個子載波之間的間隔為1/T就保證了各個子載波之間的正交性。正是這種正交性使頻譜互相重疊的各個子載波信號能夠被正確的別離出來。比方要解調第j個子載波，根據(jù)圖2-1及式(2-3)有： = 2-4 =這種正交性在時域的表現(xiàn)就是每個子載波在一個OFDM符號周期內包含整數(shù)倍個周期，而且各個相鄰子載波之間相差一個周

42、期7。如圖2.2所示圖2.2OFDM信號正交性的時域表現(xiàn)這種正交性也可以從頻域得到更直觀的表達。因為每個OFDM符號包含了多個非零的子載波，因此其頻譜可以看作是周期為T的矩形脈沖的頻譜與各個子載波的脈沖響應函數(shù)的卷積，圖2.3顯示了OFDM信號頻譜中各個子信道頻譜的情況其中每個子信道的頻譜為sinc函數(shù)，它在中心頻率處有最大值，在1/T的整數(shù)倍頻率上的值為零8。這樣，在每個子載波的頻譜最大值處所有其他子載波為零，在解調時，需要計算各個于載波頻譜的最大值，只要保證各個子載波的頻率沒有偏移，就可以準確的解調出每個子信道上的數(shù)據(jù)而不受其他子信道的影響圖2.3從各個子信道頻譜看OFDM信號的頻譜在OF

43、DM信號頻譜中，由于各個子信道頻譜相互重疊，OFDM信號的帶寬是進展一般頻分復用信號帶寬的一半即頻譜利用率提高了一倍。這是OFDM給我們帶來的最大好處之一9。2.2 OFDM的IFFT/FFT實現(xiàn)圖2-1只是從理論上說明了OFDM系統(tǒng)的根本原理，按圖2-1來實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)是非常的困難和不可取的。因為當子載波數(shù)目多，子載波間隔非常小時，難以實現(xiàn)這么高的頻率分辨率，而且解調時每一路子載波都要進展積分，導致系統(tǒng)構造龐大，非常的浪費資源，因此需要尋找一種易于實現(xiàn)的方案10。在式2-2中令，對信號s(t)以T/N的速率進展采樣即令 (k=0,1,2.N-1)，可以得到： 2-5可以看到可以看作對進展離

44、散傅立葉反變換IDFT運算。同樣在接收端為了恢復出原始的數(shù)據(jù)符號，對進展反變換，即進展離散傅立葉變換DFT得到：2-6根據(jù)以上的分析可以看出，OFDM系統(tǒng)的調制和解調可以分別由IDFT/DFT完成。通過N點IDFT運算，把頻域數(shù)據(jù)符號變成時域數(shù)據(jù)符號，經(jīng)過射頻載波調制之后，發(fā)送到無線信道中。其中，每一個IDFT輸出的數(shù)據(jù)符號都是由所有子載波信號經(jīng)過疊加而生成，即對連續(xù)的多個經(jīng)過調制的子載波的疊加信號進展抽樣得到的。這樣通過DFT的方法來實現(xiàn)OFDM有很大的好處，它大大簡化了調制解調器的設計，使用IDFT/DFT便可完成了多路子載波的調制和解調，而且IDFT/DFT早就有了成熟的快速算法IFFT

45、/FFT，它可以方便的在DSP芯片中實現(xiàn)。使用IFFT/FFT的OFDM系統(tǒng)根本原理如圖2.4所示11。圖2.4OFDM根本原理的IFFT/FFT實現(xiàn)2.3 添加循環(huán)前綴應用OFDM的一個最主要原因是它可以有效的對抗多徑時延擴展。通過把輸入的數(shù)據(jù)流串并變換到N個并行的子信道中，使得每個用于去調制子載波的數(shù)據(jù)符號周期可以擴大為原始數(shù)據(jù)符號周期的N倍，因此時延擴展與符號周期的比值也同樣降低N倍。為了最大限度地消除符號間干擾，還可以在每個OFDM符號之間插入保護間隔guard interval，而且該保護間隔長度12Tg一般要大于無線信道的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干

46、擾。在這段保護間隔內，可以不插入任何信號，即是一段空閑的傳輸時段。然而在這種情況中，由于多徑傳播的影響，則會產(chǎn)生信道間干擾ICI，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13。這種效應可見圖2.5。由于每個OFDM符號中都包括所有的非零子載波信號，而且也同時會出現(xiàn)該OFDM符號的時延信號，因此圖2.5中給出了第一子載波和第二子載波的延時信號。從圖中可以看到，由于在FFT運算時間長度內，第一子載波與帶有時延的第二載波之間的周期個數(shù)之差不是整數(shù)，所以當接收機試圖對第一于載波進展解調時第二子載波會對此造成干擾。同樣，當接收機對第二子載波進展解調時，也會存在來自第一子載波的干擾。為了消除

47、由于多徑所造成的ICI，OFDM符號需要在其保護間隔內填入循環(huán)前綴信號，見圖2.6這樣就可以保證在FFT周期內，OFDM符號的時延副本內所包吉的波形的周期個數(shù)也是整數(shù)14。這樣，時延小于保護間隔的時延信號就不會在解調過程中產(chǎn)生ICI。圖2.5由于多徑時延的影響，插入保護間隔造成的對于載波之間的干擾圖2.6OFDM符號的循環(huán)前綴當子載波個數(shù)比擬大時，OFDM的符號周期相對于信道的脈沖響應長度很大，則符號間干擾ISI的影響很??；而如果相鄰OFDM符號之間的保護間隔滿足。的要求，則可以完全克制ISI的影響15。同時為了保持子載波之間的正交性，該保護間隔必須是循環(huán)前綴，即將每個OFDM符號的后時間中的

48、樣點復制到OFDM符號的前面形成前綴，此時OFDM的符號周期為： 2-7保護間隔的離散長度，即樣點個數(shù)為： 2-8包含保護間隔、功率歸一化的OFDM的抽樣序列*為: 2-9經(jīng)過信道和加性白高斯噪聲的作用后的接收信號為： 2-10接收信號經(jīng)過A/D變換后得到的接收序列，為對按T/N的抽樣速率得到的數(shù)字抽樣。ISI只會對接收序列的前個樣點形成干擾，因此將前個樣點去掉，就可完全消除ISI的影響16。數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并變換實現(xiàn)了把串行數(shù)據(jù)流變換成N個并行數(shù)據(jù)流N為OFDM系統(tǒng)的子載波個數(shù)后，進展N點的IFFT變換，從而在基帶上實現(xiàn)把N個并行數(shù)據(jù)調制到N個并行的正交子載波上，為了最大程度的消除碼間串擾ISI

49、和信道間干擾ICI，在每個OFDM數(shù)據(jù)符號前面添加了長度為N。的循環(huán)前綴(CP)17，最后經(jīng)過并串變換和D/A變換發(fā)送到信道中。2.4 本章小結OFDM的發(fā)送端的根本原理就是把輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換成N路子信道數(shù)據(jù)，然后分別調制相應各個正交的子載波后疊加合成一起輸出。其實現(xiàn)的根本思想是通過串并變換把串行的高速數(shù)據(jù)流變成并行的低速數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)的關鍵點是保證各個子載波之間的正交性。OFDM系統(tǒng)的調制和解調可以分別由IDFT/DFT完成。通過N點IDFT運算，把頻域數(shù)據(jù)符號變成時域數(shù)據(jù)符號，經(jīng)過射頻載波調制之后，發(fā)送到無線信道中。為了消除由于多徑所造成的ICI，OFDM符號需要在其保護間隔內填入循環(huán)前

50、綴信號，這樣就可以保證在周期內，OFDM符號的時延副本內所包含的波形的周期個數(shù)也是整數(shù)。這樣，時延小于保護間隔的時延信號就不會在解調過程中產(chǎn)生ICI。當子載波個數(shù)比擬大時，OFDM的符號周期相對于信道的脈沖響應長度很大，則符號間干擾(ISI)的影響很小；而如果相鄰OFDM符號之間的保護間隔滿足的要求，則可以完全克制ISI的影響。同時為了保持子載波之間的正交性，該保護間隔必須是循環(huán)前綴，即將每個OFDM符號的后時間中的樣點復制到OFDM符號的前面形成前綴。第3章 關鍵技術3.1 OFDM同步OFDM傳輸系統(tǒng)可以有效的對抗多徑傳播，并且其信號處理過程并不復雜，但是，假設OFDM系統(tǒng)要在頻率選擇性衰

51、弱信道下獲得到較好的性能，解調系統(tǒng)必須有一個近乎完美的同步。由于OFDM使用許多正交的子載波，時間或者頻率的失步不僅影響本采樣點的振幅和相位，而且使載波間失去正交性，產(chǎn)生載波間干擾，使得前后采樣點都受到干擾。因此與單載波通信系統(tǒng)相比，多載波通信系統(tǒng)需要更為準確的同步18。3.1.1 同步誤差的產(chǎn)生同步誤差是由于接收機對于發(fā)射機的未知性造成的，總的說來分為時間同步和頻率同步。由于發(fā)射信號到達時間的未知性產(chǎn)生了符號定時誤差。OFDM的基帶信號: 3-1其中表示第j個符號的第k個載波上的調制數(shù)據(jù)，表示第j個符號的第n個采樣點。加上保護間隔得到基帶信號： 3-2 =第j個符號的接收信號可以表示為： 3

52、-3其中表示第k個載波的信道響應，表示符號定時誤差，表示采樣誤差，表示頻率誤差，,分別表示有效數(shù)據(jù)符號長度，采樣間隔和整個符號長度包括保護間隔。接收機首先去掉符號中的保護間隔，然后將信號送入FFT，經(jīng)過FFT第j個符號的第k個載波的解調數(shù)據(jù)可以表示如下: 3-4這里k表示載波間干擾ICI，表示噪聲19。我們首先分析符號同步。符號同步是接收機解調的第一步，其作用是判定符號的起始位置，只有得到了正確的符號起始位置接收機才能正確解調信號。符號同步誤差是指符號估計位置和正確位置的誤差，表現(xiàn)為載波相位的改變，在第k個載波相位改變如下： 3-5 我們可以發(fā)現(xiàn)相位改變值與載波位置成正比。3.1.2 基于序列

53、的符號同步使用PN序列的OFDM傳輸系統(tǒng)符號構造需要在幀的開頭插入訓練符號，因此基于PN序列OFDM傳輸系統(tǒng)不僅適合連續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸，同樣也適合突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸。訓練符號有兩種組成方式，一種是直接在時域插入PN序列形成訓練符號，這種方法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單；另一種方法是在頻域插入PN序列形成訓練符號，這種方法的優(yōu)點是有利于均衡和頻偏估計。下面簡單介紹兩種PN序列構造。對于一個OFDM系統(tǒng)，假設發(fā)射信號，通過高斯信道，接收信號可以表示為：3-6第一種PN序列構造，如圖3.1所示，其符號長度與數(shù)據(jù)符號長度一樣為N，分為前后兩局部，后一局部是前一局部的簡單重復，也可以用以下方法產(chǎn)生。在一個長度為的符號的偶數(shù)

54、位置插入PN序列，在其奇數(shù)位置插入零，經(jīng)過IFFT就可以得到所需要的訓練符號。圖3.1PN序列構造為了得到符號同步我們可以將前后半個符號共扼相乘并且累加，這樣將在正確的符號同步位置產(chǎn)生一個鋒利的相關峰。我們使用以下量度來搜索這一峰值。其中：3-7這種方法在高信噪比下可以得到很好的性能，但是在條件惡劣多徑的情況下，尤其當信噪比降低時，其相關峰將會在頂峰處出現(xiàn)一段平坡，使得峰值模糊，從而造成符號同步估計誤差。為了改善頂峰處平坡的量度，第二種PN序列構造使用四段長度一樣的PN序列，前兩段完全一樣，后兩段是前兩端的相反數(shù)，其總長度依然與數(shù)據(jù)符號長度一樣為，構造見下列圖：圖3.2PN序列構造其中B由長度

55、為N/4的PN序列經(jīng)過IFFT得到，我們使用如下的量度搜索符號同步：其中：3-8其峰值由于引進了兩段PN序列的相反數(shù)使得在正確的符號同步位置出現(xiàn)峰值，其兩側的累加值迅速下降，防止了平坡的出現(xiàn)，使得符號同步估計的正確性大大提高。與其他一些符號同步構造相比，使用PN序列進展符號同步具有速度快，精度高的特點，這就使得無線移動接收成為可能例如WLAN。但是訓練符號的插入必然使頻率利用率降低，這就使這種方法在高速率通信系統(tǒng)中的應用受到限制。基于循環(huán)前綴的符號同步基于循環(huán)前綴同步完全利用一個符號的循環(huán)前綴局部與末尾局部的相關性在時域進展相關運算得到。設一個符號周期內有用信號長度為N，循環(huán)前綴為L，且最大時

56、延小于循環(huán)前綴的時間，同時要求數(shù)據(jù)的隨機性良好，連續(xù)符號不相關否則誤同步概率增加。當起始位置落在循環(huán)前綴內時，信號是以N為周期進展周期擴展，令接收信號為，計算與的差，如果n取值使得起始位置在理想同步范圍內，則，進展求和運算得： 3-9顯然有，令同步時對應的時刻為，時刻就是時域同步需要找到的一個符號的起始同步位置，是以為周期取到的最小值。令，正確同步概率可以用概率分布函數(shù)表示：越小，正確同步概率越大20。3.1.4 頻域同步OFDM傳輸對載波頻率偏差CFO非常敏感，由于OFDM系統(tǒng)采用分塊傳輸，其傳輸信號為時域受限信號，與其相對應的子載波的頻譜在頻域內無限擴展。假設時域為矩形窗，則頻譜為Sinc

57、函數(shù)，并且各子載波的頻譜互相穿插重疊。在沒有頻率偏差的情況下，頻率間的正交性得以維持。假設接收信號與傳輸信號之間存在頻率偏移，則破壞了子載頻間的正交性，從而降低了子載波上有用信號的幅度。而子載波上損失的能量作為干擾信號泄漏到其它子載波。下面就來分析多徑衰落信道下載波偏移對OFDM系統(tǒng)性能的影響21。假設接收端與發(fā)射端沒有完全同步，則本地載波與信號載波間有一頻率偏差,歸一化為，接收端的輸入信號經(jīng)解調后為： 3-10其中 3-11 3-12 設傳輸數(shù)據(jù)的均值為0且統(tǒng)計獨立，則有用信號的能量與ICI信號的能量比為： 3-13式3-13是歸一化頻率的函數(shù)，系統(tǒng)對頻偏非常敏感，要保持CIR大于20db，

58、系統(tǒng)頻偏不得大于5%。根據(jù)上面的分析，OFDM傳輸對載波頻偏很敏感，因此對頻率同步的研究也非常多。一類是利用導頻信號或訓練序列完成OFDM載波同步，這種方法性能好，但會造成帶寬和功率的損失。另一類是盲估計方法，其中最簡單的是直接判決，它利用解調后信元速率數(shù)據(jù)檢測相位或頻率誤差，因此估計的范圍不超過信元速率的1/2。3.1.5 無線信道的時變性以及多普勒頻移當移動臺在運動中進展通信時，接收信號的頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應，這是任何波動過程都具有的特性。以可見光為例，假設一個發(fā)光物體在遠處以固定的頻率發(fā)出光波，我們可以接收到的頻率應該是與物體發(fā)出的頻率一樣?，F(xiàn)在假定該物體開場向我們運動，但光源

59、發(fā)出第二個波峰時，它距我們的距離應該要比發(fā)出第一個波峰的時候要近，這樣第二個波峰到達我們的時間要小于第一個波峰到達我們的時間，因此這兩個波峰到達我們的時間間隔變小了，與此相應我們接收到的頻率就會增加。相反，當發(fā)光物體遠離我們而去的時候，我們接收到的頻率就要減小，這就是多普勒效應的原理。在天體物理學中，天文學家利用多普勒效應可以判斷出其它星系的恒星都在遠離我們而去，從而得出宇宙是在不斷膨脹的結論。這種稱為多普勒效應的頻率和速度的關系是我們日常熟悉的，例如我們在路邊聽消防車警報的聲音：當消防車行駛方向靠近我們時，其警報音調變高對應頻率增加；而當消防車行駛方向遠離我們時，警報音調又會變低對應頻率降低

60、。信道的時變性是指信道的傳遞函數(shù)是隨時間而變化的，即在不同的時刻發(fā)送一樣的信號，在接收端收到的信號是不一樣的。時變性在移動通信系統(tǒng)中的具體表達之一就是多普勒頻移，即單一頻率信號經(jīng)過時變衰落信道之后會呈現(xiàn)為具有一定帶寬和頻率包絡的信號，這又可以稱為信道的頻率彌散性frequency dispersion.多普勒效應所引起的附加頻率偏移可以稱為多普勒頻移Doppler Frequency Shift，可以用下式表示：3-14其中表示載波頻率，表示光速，表示最大多普勒頻移，表示移動臺的運動速度?？梢钥吹?，多普勒頻移與載波頻率和移動臺運動速度成正比。從時域來看，與多普勒頻移相關的另一個概念就是相干時間