本科畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于ofdm的804611a系統(tǒng)

題目基于OFDM的802.11a系統(tǒng)學(xué)生姓名李陽學(xué)號(hào)1113014018所在學(xué)院物理與電信工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)電子1101班指導(dǎo)教師吳燕完成地點(diǎn)物理與電信工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室2015年6月2日3899摘要 第一章緒論1.1無線通信發(fā)展及意義目前，無線通信及其應(yīng)用已成為當(dāng)今信息科學(xué)技術(shù)最活躍的研究領(lǐng)域之一。其一般由無線基站、無線終端及應(yīng)用管理服務(wù)器等組成。無線通信技術(shù)按照傳輸距離大致可以分為以下四種技術(shù)，即基于IEEE802.15的無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）、基于IEEE802.11的無線局域網(wǎng)（WLAN）、基于IEEE802.16的無線城域網(wǎng)（WMAN）及基于IEEE802.20的無線廣域網(wǎng)（WWAN）?？偟膩碚f，長距離無線接入技術(shù)的代表為：GSM、GPRS、3G；短距離無線接入技術(shù)的代表則包括：WLAN、UWB等。按照移動(dòng)性又可以分為移動(dòng)接入和固定接入。其中固定無線接入技術(shù)主要有：3.5GHz無線接入（MMDS）、本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)（LMDS）、802.16d；移動(dòng)無線接入技術(shù)主要包括：基于802.15的WPAN、基于802.11的WLAN、基于802.16e的WiMAX、基于802.20的WWAN。按照帶寬則又可分為窄帶無線接入和寬帶無線接入。其中寬帶無線接入技術(shù)的代表有3G、LMDS、WiMAX；窄帶無線接入技術(shù)的代表有第一代和第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。從技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)可以看出，以O(shè)FDM+MIMO為核心的無線通信技術(shù)將成為未來無線通信發(fā)展的主流方向。而目前基于該技術(shù)的無線通信技術(shù)主要有：B3G、WiMAX、WiFi、WMN等4種技術(shù)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FDMA到CDMA的巨大發(fā)展，目前又有新技術(shù)出現(xiàn)，比以CDMA為核心的第三代移動(dòng)通信技術(shù)更加完善，我們稱之為“第四代移動(dòng)通信技術(shù)”

20世紀(jì)90年代,OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)開始被歐洲和澳大利亞廣泛用于廣播信道的寬帶數(shù)據(jù)通信,作為一種高效傳輸技術(shù)備受關(guān)注，并已成為第4代移動(dòng)通信的核心技術(shù)點(diǎn)，現(xiàn)以成功運(yùn)用于非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路ADSL，數(shù)字音頻廣播DAB，高清晰度電視HDTV，高速WLAN和數(shù)字視頻廣播DVB等系統(tǒng)中。多用于軍用無線戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)通信、衛(wèi)星通信鏈路以及無人高速、大容量的通信鏈路中。1.2無線通信研究方向 現(xiàn)代社會(huì)對(duì)通信的依賴和要求越來越高，于是設(shè)計(jì)和開發(fā)效率更高的通信系統(tǒng)就成了通信工程界不斷追求的目標(biāo)。通信系統(tǒng)的效率，說到底就是頻譜利用率和功率利用率。特別是在無線通信的情況下，對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)的要求往往更高，尤其是頻譜利用率。由于空間可用頻譜資源是有限的，而無線應(yīng)用卻越來越多，使得無線頻譜的使用受到各國政府的嚴(yán)格管理并統(tǒng)一規(guī)劃。于是，各種各樣的具有較高頻譜效率的通信技術(shù)不斷被開發(fā)出來。OFDM是目前已知的頻譜利用率最高的一種通信系統(tǒng)，它將數(shù)字調(diào)制、數(shù)字信號(hào)處理、多載波傳輸?shù)燃夹g(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，使得它在系統(tǒng)的頻譜利用率、功率利用率、系統(tǒng)復(fù)雜性方面綜合起來有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，是支持未來移動(dòng)通信特別是移動(dòng)多媒體通信的主要技術(shù)之一。OFDM系統(tǒng)比傳統(tǒng)的FDM系統(tǒng)要求的帶寬要少得多。由于使用無干擾正交載波技術(shù)，單個(gè)載波間無需保護(hù)頻帶。這樣使得可用頻譜的使用效率更高。另外，OFDM技術(shù)可動(dòng)態(tài)分配在子信道上的數(shù)據(jù)。為獲得最大的數(shù)據(jù)吞吐量，多載波調(diào)制器可以智能地分配更多的數(shù)據(jù)到噪聲小的子信道上OFDM信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾ICI。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。它具有良好的抗IsI和高頻譜利用率特性，但是對(duì)頻率偏差和峰均比(PAPR)非常敏感。因此，基于不同的信道模型，對(duì)OFDM系統(tǒng)的同步實(shí)現(xiàn)、降低PAPR一直是研究的核心課題。由于OFDM的具有的優(yōu)勢(shì)，它成為現(xiàn)在的無線局域網(wǎng)的主流技術(shù)，而802.11a作為第一個(gè)采用該技術(shù)的802.11標(biāo)準(zhǔn)，研究它的鏈路系統(tǒng)的搭建對(duì)于研究之后的802.11g和802.11n有著深遠(yuǎn)的意義。本論文主要是對(duì)IEEE802.lla協(xié)議的研究，用仿真工具M(jìn)atlab對(duì)此協(xié)議進(jìn)行物理層仿真平臺(tái)的搭建，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。第二章IEEE802.11a物理層標(biāo)準(zhǔn)介紹無線網(wǎng)絡(luò)是無線通信中的一個(gè)重要的應(yīng)用，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)范圍的大小又可以劃分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。IEEE為無線網(wǎng)絡(luò)專門制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，802.11和802.16就屬于這方面的標(biāo)準(zhǔn)。其中802.11針對(duì)范圍更小的無線局域網(wǎng)。無線局域網(wǎng)（WLAN）對(duì)在一個(gè)小的范圍內(nèi)（比如辦公室內(nèi)）聯(lián)入Internet給予了極大的方便，只要你處于支持WLAN的區(qū)域，再外加一個(gè)無線網(wǎng)卡，就可以輕松地接入網(wǎng)絡(luò)。特別是對(duì)筆記本電腦來說，這種方便更為明顯，可以省去再連接網(wǎng)線的困擾，而且移動(dòng)性能被大大加強(qiáng)了?？梢哉f，正是筆記本電腦上網(wǎng)的問題促進(jìn)了WLAN的發(fā)展，并使得WLAN變成了一個(gè)熱門的技術(shù)。802.11標(biāo)準(zhǔn)包括802.11a、802.11b、802.11g等等一系列標(biāo)準(zhǔn)，各自采用不同的物理層技術(shù)，其中802.11a即采用了OFDM技術(shù)。802.11標(biāo)準(zhǔn)的制定開始于1997年，被設(shè)計(jì)成為一個(gè)支持1M至2Mbps速率的系統(tǒng)。但是這個(gè)速率還是不能滿足人們的要求。1999年802.11a標(biāo)準(zhǔn)通過，它應(yīng)用于5GHz的頻段，并且最高支持54Mbps的速率。其它這個(gè)速率也還不是很高，但是它畢竟把WLAN速率的最高界限提高到了54Mbps。2.1OFDM基本原理OFDM是一種多載波傳輸技術(shù)，N個(gè)子載波把整個(gè)信道分割成N個(gè)子信道，N個(gè)子信道并行傳輸信息。OFDM系統(tǒng)有許多非常引人注目的優(yōu)點(diǎn)。第一，OFDM具有非常高的頻譜利用率。普通的FDM系統(tǒng)為了分離開各子信道的信號(hào)，需要在相鄰的信道間設(shè)置一定的保護(hù)間隔（頻帶），以便接收端能用帶通濾波器分離出相應(yīng)子信道的信號(hào)，造成了頻譜資源的浪費(fèi)。OFDM系統(tǒng)各子信道間不但沒有保護(hù)頻帶，而且相鄰信道間信號(hào)的頻譜的主瓣還相互重疊，但各子信道信號(hào)的頻譜在頻域上是相互正交的，各子載波在時(shí)域上是正交的，OFDM系統(tǒng)的各子信道信號(hào)的分離（解調(diào)）是靠這種正交性來完成的。另外，OFDM的個(gè)子信道上還可以采用多進(jìn)制調(diào)制（如頻譜效率很高的QAM），進(jìn)一步提高了OFDM系統(tǒng)的頻譜效率。第二，實(shí)現(xiàn)比較簡單。當(dāng)子信道上采用QAM或MPSK調(diào)制方式時(shí)，調(diào)制過程可以用IFFT完成，解調(diào)過程可以用FFT完成，既不用多組振蕩源，又不用帶通濾波器組分離信號(hào)。第三，抗多徑干擾能力強(qiáng)，抗衰落能力強(qiáng)。由于一般的OFDM系統(tǒng)均采用循環(huán)前綴（CyclicPrefix，CP）方式，使得它在一定條件下可以完全消除信號(hào)的多徑傳播造成的碼間干擾，完全消除多徑傳播對(duì)載波間正交性的破壞，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾能力。OFDM的子載波把整個(gè)信道劃分成許多窄信道，盡管整個(gè)信道是有可能是極不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落卻是近似平坦的，這使得OFDM系統(tǒng)子信道的均衡特別簡單，往往只需一個(gè)抽頭的均衡器即可。2.2OFDM的幀結(jié)構(gòu)IEEE802.11a關(guān)于無線局域網(wǎng)的規(guī)定中，其物理層匯聚協(xié)議（PLCP，PhysicalLayerConvergenceProtocol）采用的是OFDM調(diào)制的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。802.11a對(duì)OFDM的幀結(jié)構(gòu)作了具體的規(guī)定，如圖2-1所示，PLCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU，PLCPProtocolDataUnit）包括OFDMPLCP報(bào)頭（Header）、PSDU、尾（Tail）比特以及填充（Pad）比特。圖2.1PPDU幀結(jié)構(gòu)其中，報(bào)頭包括速率（Rate）位，保留（Reserved）位、長度（Length）位、奇偶校驗(yàn)（Parity）位、尾比特和業(yè)務(wù)（Service）位。其中，長度位、速率位、保留位、奇偶校驗(yàn)位、尾比特構(gòu)成一個(gè)OFDM符號(hào)，用信號(hào)（Signal）段表示。信號(hào)段采用的是BPSK調(diào)制，1/2的編碼速率。業(yè)務(wù)位16bit、PSDU，再加上6個(gè)尾比特，以及填充比特構(gòu)成數(shù)據(jù)（Data）區(qū)。其中，信號(hào)段的速率位以及長度位決定著數(shù)據(jù)的比特率，進(jìn)而決定其調(diào)制方式，編碼速率等一系列參數(shù)值。如圖2-2所示，OFDM的前導(dǎo)訓(xùn)練序列（PreambleTrainingSymbol）包括10個(gè)短訓(xùn)練序列（ShortTrainingSymbol）、2個(gè)長訓(xùn)練序列（LongTrainingSymbol）。前導(dǎo)訓(xùn)練序列用來做系統(tǒng)的同步、信道估計(jì)、頻偏估計(jì)、自適應(yīng)控制（ACC）等。前導(dǎo)訓(xùn)練序列后面是Signal段，再后面是Data區(qū)。圖2.2OFDM的符號(hào)結(jié)構(gòu)2.3OFDM的編程過程802.11a對(duì)物理層的PPDU編碼過程給出了詳細(xì)的規(guī)定，編碼過程包括以下步驟：(1)產(chǎn)生PLCP序列。此序列由10個(gè)重復(fù)的短訓(xùn)練符序列和2個(gè)重復(fù)的加保護(hù)間隔（GI）的長訓(xùn)練符序列構(gòu)成。10個(gè)短訓(xùn)練序列用來進(jìn)行收端的自動(dòng)增益集中控制、分集選擇、定時(shí)捕獲以及完成頻率的粗同步。長訓(xùn)練序列的作用是在接收端進(jìn)行信道估計(jì)以及進(jìn)行系統(tǒng)的細(xì)同步。(2)根據(jù)發(fā)端的速率位、長度位和業(yè)務(wù)位，在添加適當(dāng)?shù)谋忍氐玫絇LCP頭。PLCP中的Rate和Length經(jīng)過1/2速率的卷積編碼，映射成一個(gè)單獨(dú)的BPSK編碼的OFDM符號(hào)，這與Signal符號(hào)的產(chǎn)生類似。為了能及時(shí)地檢測(cè)到Rate和Length，采取在PLCP頭插入6個(gè)‘0’。由Signal得到一個(gè)OFDM符號(hào)要經(jīng)過同樣的過程：卷積編碼、交織、BPSK調(diào)制、插入導(dǎo)頻、傅立葉變換，最后是加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)間隔使數(shù)據(jù)速率達(dá)到6Mbit/s。Signal部分不需要擾碼。(3)根據(jù)發(fā)端的Rate，計(jì)算每個(gè)OFDM符號(hào)所包含的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)（記為NDBPS）。編碼速率（R），每個(gè)OFDM子載波中的比特?cái)?shù)（NBPSC），以及每個(gè)OFDM符號(hào)中經(jīng)過編碼的比特?cái)?shù)（NCBPS）。(4)在業(yè)務(wù)域(SERVICE)后加入PSDU。并在尾部補(bǔ)‘0’比特使數(shù)據(jù)段的長度達(dá)到NDBPS的整數(shù)倍。調(diào)整過后的比特流形成包中Data部分。(5)用非零初值產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列形成擾碼，然后與調(diào)整后的信息比特做異或邏輯運(yùn)算。(6)用6個(gè)未經(jīng)過擾碼的‘0’比特替換6個(gè)經(jīng)過擾碼后的‘0’比特（這些比特能使接收端的卷積碼解碼器回到零狀態(tài)，而它們解碼后只作為尾比特）。(7)接下來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行1/2速率的卷積編碼，然后再根據(jù)編碼速率的需要進(jìn)行打孔(Puncture)。(8)將編碼輸出的數(shù)據(jù)以NCBPS為長度單位分成若干組，對(duì)每一組進(jìn)行交織(Interleaving)處理。(9)編碼，交織完成后輸出的數(shù)據(jù)流以NCBPS為長度單位分成若干組，再選擇合適的調(diào)制方法，如BPSK或者QAM等進(jìn)行調(diào)制。(10)將調(diào)制后的復(fù)數(shù)信號(hào)按48為單位分成若干組，每一組可以形成一個(gè)OFDM符號(hào)。一組中的符號(hào)映射到編號(hào)為-26~-22、-20~-8、-6~-1、1~6、8~20、22~26的OFDM子載波上。編號(hào)為-21、-7、7、21的子載波用來插入導(dǎo)頻。代表中心頻率的0號(hào)子載波可以忽略，所以置為零。(11)導(dǎo)頻插入編號(hào)為-21、-7、7和21的4個(gè)子載波中，總的子載波是52。(12)每一組從編號(hào)為-26~26的子載波經(jīng)過逆傅立葉變換轉(zhuǎn)為時(shí)域信號(hào)。對(duì)逆傅立葉變換后的波形加循環(huán)前綴形成GI，并采用時(shí)間截短的方法對(duì)每一個(gè)周期的OFDM符號(hào)的波形范圍進(jìn)行加窗處理(Windowing)。(13)以含有Rate和Length信息的Signal開始的OFDM符號(hào)流一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)入信道傳輸。(14)根據(jù)理想信道的中心頻率，將復(fù)基帶波形上變頻到RF頻率上。2.4802.11a的系統(tǒng)參數(shù)表2.1為802.11a中規(guī)定的系統(tǒng)主要參數(shù)[1]。表2.1OFDM系統(tǒng)的主要參數(shù)參數(shù)參數(shù)值抽樣時(shí)間(chipduration)50nsNSD(Numberofdatasubcarriers)數(shù)據(jù)子載波的個(gè)數(shù)48NSP(Numberofpilotsubcarriers)導(dǎo)頻子載波的個(gè)數(shù)4NST(Numberofsubcarriers,total)總的子載波個(gè)數(shù)52（NSD＋NSP）抽樣速率20MHzOFDM符號(hào)間隔4us(80chip)循環(huán)前綴長度（保護(hù)間隔）0.8us(16chip)FFT周期TFFT3.2us(64chip)調(diào)制方式BPSK、QPSK、16QAM、64QAM編碼方式1/2卷積，約束長度為7，可選擇打孔比特速率6、9、12、18、24、36、48、54Mbit/s子載波頻率間隔(Δf)0.3125MHz(20MHz/64)訓(xùn)練(Preamble)序列長度16us(Tshort+Tlong) 在OFDM的幀結(jié)構(gòu)中，Signal中的Rate決定了系統(tǒng)的比特速率，進(jìn)而決定了調(diào)制方式等一系列參數(shù)。表2.2為由Rate決定的參數(shù)。表2.2Rate決定的參數(shù)Rate數(shù)據(jù)速率(Mbit/s)調(diào)制方式編碼速率NBPSCNCBPSNDBPS11016BPSK1/21482411119BPSK3/414836010112QPSK1/229648011118QPSK3/42967210012416QAM1/241929610113616QAM3/4419214400014864QAM2/3628819200115464QAM3/462882162.5OFDM的結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)OFDM的原理，可以畫出大致的結(jié)構(gòu)框圖。基本上，各種介紹OFDM的書籍中都會(huì)有類似的結(jié)構(gòu)圖。如下圖所示。圖2.3OFDM發(fā)射端結(jié)構(gòu)框圖接收端的框圖與發(fā)射端的類似，只是進(jìn)行的過程相反而已。經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)會(huì)依次進(jìn)行星座映射，F(xiàn)FT變換，插入循環(huán)前綴后再采用無線數(shù)字通信的方式發(fā)射出去。其中OFDM調(diào)制的部分包括星座映射，F(xiàn)FT變換，插入循環(huán)前綴這三個(gè)步驟。下面依次進(jìn)行介紹。2.6星座映射星座映射是指將輸入的串行數(shù)據(jù)，先做一次調(diào)制，再經(jīng)由FFT分布到各個(gè)子信道上去。調(diào)制的方式可以有許多種，包括BPSK、QPSK、QAM等。下圖示意了采用QPSK調(diào)制的星座圖。圖2.4星座映射的過程OFDM中的星座映射，其實(shí)只是一個(gè)數(shù)值代換的過程。比如輸入為“00”，輸出就是“-1+1i”。它為原來單一的串行數(shù)據(jù)引入了虛部，使其變成了復(fù)數(shù)。這樣一方面可以進(jìn)行復(fù)數(shù)的FFT變換，另外，進(jìn)行星座映射后，為原來的數(shù)據(jù)引入了冗余度。因?yàn)閺脑瓉淼囊淮當(dāng)?shù)，現(xiàn)在變成了由實(shí)部和虛部組成的兩串?dāng)?shù)。引入冗余度的意義在于以犧牲效率的方式降低誤碼率。通過犧牲效率來換取可靠性在通信上是一種非常經(jīng)典的思想。2.7串并變換和FFT在星座映射之后，下面進(jìn)行的是串并變換，將串行數(shù)變?yōu)椴⑿校饕菫榱吮阌谧龈盗⑷~變換。串并變換之后進(jìn)行傅立葉變換，在發(fā)射端是反變換（IFFT），在接收端是下變換（FFT）。最后再通過并串變換變?yōu)榇袛?shù)據(jù)。其實(shí)串并變換和并串變換都是為了FFT服務(wù)的。如果把它們?nèi)齻€(gè)看作一個(gè)整體的話，那么相當(dāng)于輸入和輸出都是串行的數(shù)據(jù)。假設(shè)是64點(diǎn)FFT的話，那么一次輸入64個(gè)串行數(shù)據(jù)，再輸出64個(gè)串行數(shù)據(jù)。這樣做是為什么呢？分析FFT的意義，雖然它的輸入和輸出都是64個(gè)數(shù)，但是對(duì)于輸入的64個(gè)數(shù)來說，它們互相之間是沒有關(guān)系的。而輸出就不同了，經(jīng)過了FFT變換，輸出的64個(gè)數(shù)相互之間有了一定的關(guān)聯(lián)。在理論上說，就是用輸入的數(shù)據(jù)來調(diào)制相互正交的子載波。從直觀上來看，64個(gè)數(shù)之間產(chǎn)生了互相間的關(guān)聯(lián)，如果有一個(gè)數(shù)據(jù)在傳輸中發(fā)生錯(cuò)誤的話，就會(huì)影響其它的數(shù)據(jù)。這就是采用FFT所起到的作用，也是OFDM技術(shù)的精髓所在。2.8插入循環(huán)前綴OFDM調(diào)制中還有一個(gè)必不可少的步驟是插入循環(huán)前綴。盡管OFDM通過串并變換已經(jīng)將數(shù)據(jù)分散到了n個(gè)子載波，速率已經(jīng)降低到了n分之一，但是為了最大限度地消除符號(hào)間的干擾（ISI），還需要在每個(gè)OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)前綴，這樣做可以更好地對(duì)抗多徑效率產(chǎn)生的時(shí)間延遲的影響。有意思的是，與FDM中的使用頻率保護(hù)間隔類似，對(duì)于OFDM這樣的頻率使用率高的系統(tǒng)來說，需要在時(shí)域上插入保護(hù)間隔。如果對(duì)時(shí)域和頻域相互關(guān)系理解較為深刻的話，也許可以找出其中的內(nèi)在聯(lián)系。插入循環(huán)前綴本身非常簡單，就是把每個(gè)OFDM符號(hào)的最后一部分提到符號(hào)前，使整個(gè)符號(hào)加長即可。如下圖所示。圖2.5插入循環(huán)前綴2.9對(duì)于OFDM調(diào)制過程的理解通過上面對(duì)于OFDM調(diào)制過程三個(gè)步驟原理的描述，已經(jīng)作了一個(gè)初步的介紹。下面再回到OFDM發(fā)射端的圖，寫一寫我自己對(duì)于OFDM調(diào)制過程的理解。如果把OFDM技術(shù)發(fā)射端的結(jié)構(gòu)圖分成兩部分：一部分是OFDM數(shù)字調(diào)制部分；另一部分是無線發(fā)射部分。前一部分是數(shù)字處理的部分，后一部分是發(fā)射模擬波形信號(hào)的部分。如圖所示。圖2.6OFDM發(fā)射端組成圖在數(shù)字通信中，除了D/A變換和無線發(fā)射信號(hào)以后，在空間中傳播的是模擬信號(hào)，在發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)中，也就是上圖所示的OFDM調(diào)制部分，始終都是在傳輸數(shù)字的信號(hào)。調(diào)制的過程，其實(shí)就是在做一個(gè)數(shù)字處理的工作。輸入一串?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)值上的代換后變成另一串?dāng)?shù)據(jù)輸出。整個(gè)調(diào)制的過程可以看作一個(gè)函數(shù)：y=f(x)。x是輸入的串行數(shù)據(jù)，f代表調(diào)制的過程，y代表輸出的數(shù)據(jù)。所以如果不考慮那些復(fù)雜的理論，那么在OFDM的物理層上的所有工作都是按照一定步驟不斷地做函數(shù)變換，設(shè)計(jì)OFDM物理層硬件的過程也就是實(shí)現(xiàn)OFDM函數(shù)變換的過程。具體來看，星座映射是將比特流在數(shù)值上變換為以星座表示的規(guī)范的數(shù)值，F(xiàn)FT是將一串?dāng)?shù)變成另一串相互間有關(guān)聯(lián)的數(shù)，而循環(huán)前綴的插入進(jìn)一步引入了冗余度，使數(shù)據(jù)擴(kuò)展得更長。從這個(gè)角度上來說，OFDM技術(shù)也可以看成是一種編碼技術(shù)。它將一般數(shù)值的比特流進(jìn)行OFDM編碼后傳輸。和未經(jīng)過OFDM編碼的數(shù)據(jù)相比，假定以相同的速率傳輸，以O(shè)FDM編碼的數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中具有頻帶利用率高，可以對(duì)抗多徑效應(yīng)等等的優(yōu)點(diǎn)，而且誤碼率也更小。第三章802.11a仿真平臺(tái)的搭建3.1仿真模型和鏈路參數(shù)設(shè)置仿真鏈路分為三個(gè)模塊：發(fā)送端，信道，接收端。具體鏈路鏈接如圖所示：輸入信號(hào)輸入信號(hào)擾碼卷積編碼調(diào)制插入導(dǎo)頻IFFT加CP加前導(dǎo)訓(xùn)練符號(hào)信道交織發(fā)射分集空時(shí)編碼分組檢測(cè)頻偏估計(jì)及糾正符號(hào)定時(shí)FFT并分離出前導(dǎo)，導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)符號(hào)信道估計(jì)相位跟蹤接收分集（MRC）和空時(shí)解碼解調(diào)解交織Viterbi譯碼接收數(shù)據(jù)計(jì)算誤碼率發(fā)射模塊接收模塊圖3.1802.11a鏈路仿真圖3.1.1802.11a鏈路編解碼參數(shù)FFT_size=64;%FFT長度Num_sub=52;%占用子載波數(shù)目,取偶數(shù)CP_size=floor(FFT_size/4);%循環(huán)前綴長度，須取非負(fù)整數(shù)Num_symbol=14;%每幀包含OFDM符號(hào)數(shù)目,不包括2個(gè)前導(dǎo)序列符號(hào)Sub_spacing=25000;%子載波間隔，單位HzSample_time=1/(FFT_size*Sub_spacing);%采樣時(shí)間間隔，單位sCode_type=0;%編碼方式0-->NSC卷積碼,1-->RSC卷積碼G_coder=[1101;1001];%卷積碼生成多項(xiàng)式mg=size(G_coder,2)-1;%寄存器數(shù)目decoder_type=0;%譯碼方式，0~4調(diào)制符號(hào)映射到64點(diǎn)離散傅立葉逆變換(IDFT)的子載波上，從而形成一個(gè)OFDM符號(hào)，注意由于帶寬的限制，只有48個(gè)子載波可用于調(diào)制，4個(gè)子載波預(yù)留給導(dǎo)頻用，剩下的12個(gè)子載波沒有使用，用0來填充。短訓(xùn)練序列用于對(duì)時(shí)間及頻率誤差的粗略的和精確的估計(jì)，長訓(xùn)練序列用來估計(jì)信道脈沖響應(yīng)或信道狀態(tài)信息。3.1.2插入導(dǎo)頻在鏈路中，導(dǎo)頻插入到4個(gè)子載波上，即前面所說的載波[12264054]，載波是經(jīng)過BPSK調(diào)制的偽隨機(jī)序列，這樣做是為了能夠防止頻譜偏移以及加強(qiáng)自相關(guān)檢測(cè)的性能。導(dǎo)頻插入之前，先將復(fù)數(shù)符號(hào)的序列以48為單位分成若干組，由于交織前插入比特的處理，接收到的復(fù)數(shù)數(shù)目為48的整數(shù)倍。3.1.3循環(huán)前綴的引入以及時(shí)延分析循環(huán)前綴是OFDM系統(tǒng)的一個(gè)重要特色，它的基本思想是通過引入循環(huán)前綴從而形成保護(hù)間隔（GI），從而有效的對(duì)抗由于多徑時(shí)延帶來的ISI和ICI，方法是在時(shí)域內(nèi)把OFDM符號(hào)的后面部分插入到該符號(hào)的開始部分，形成循環(huán)前綴。保護(hù)間隔的長度應(yīng)該大于多徑時(shí)延擴(kuò)展的最大值。即在接收端抽樣開始的時(shí)刻應(yīng)該滿足下式：<<（3.1）其中是最大多徑時(shí)延擴(kuò)展，當(dāng)抽樣滿足該式時(shí)，由于前一個(gè)符號(hào)的干擾只會(huì)存在于[0，]，所以不會(huì)產(chǎn)生ISI。同時(shí)，由于OFDM延時(shí)副本內(nèi)所包含的子載波的周期個(gè)數(shù)也為整數(shù)，時(shí)延信號(hào)就不會(huì)在解調(diào)過程中產(chǎn)生ICI。3.1.4加前導(dǎo)訓(xùn)練符號(hào)從1到10為短訓(xùn)練符號(hào)，同為16取樣長度。C12為32取樣的循環(huán)前綴以保證第二部分長訓(xùn)練符號(hào)1，2不受短訓(xùn)練符號(hào)間干擾的影響。長訓(xùn)練符號(hào)為64取樣的長OFDM符號(hào)。圖3.2802.11aPLCP前導(dǎo)第一部分用于同步（信號(hào)檢測(cè)、AGC、分集選擇、頻偏估計(jì)和捕獲定時(shí)），而第二部分用于信道估計(jì)。PLCP前導(dǎo)，包括10個(gè)短序列和2個(gè)長序列。3.2編碼3.2.1信道編碼卷積編碼OFDM系統(tǒng)中采用的是前向糾錯(cuò)法中的卷積編碼。卷積碼是目前最為廣泛應(yīng)用的信道編碼，IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)就是采用（2，1，7）卷積碼。碼率為1/2，可以結(jié)合打孔來獲得其他碼率的編碼。卷積碼是一種非分組碼，編碼器在任何一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的個(gè)碼元，不僅決定于這段時(shí)間內(nèi)的個(gè)信息位，而且還取決于前段規(guī)定時(shí)間內(nèi)的信息位，這時(shí)監(jiān)督位監(jiān)督著這段時(shí)間內(nèi)的信息。這段時(shí)間內(nèi)的碼元數(shù)目稱為卷積碼的約束長度。在OFDM系統(tǒng)中，只對(duì)Data部分進(jìn)行卷積編碼，Data中包括Service、PSDU、尾比特以及插入比特，分別按照要求的速率R=1/2、2/3或3/4來進(jìn)行卷積編碼。卷積編碼分為上下兩路，兩路采用的生成多項(xiàng)式分別為：g0=133(8),g1=171(8),即用八進(jìn)制表示。對(duì)應(yīng)的編碼器如圖3.3所示：輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)TbTbTbTbTbTb支路1輸出支路2輸出圖3.3卷積編碼器Viterbi譯碼一般說來，卷積編碼的譯碼有兩種方式：一種是代數(shù)解碼，它利用編碼本身的代數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解碼，不考慮信道的統(tǒng)計(jì)特性；一種是概率解碼，這種解碼方法在計(jì)算時(shí)要用到信道的統(tǒng)計(jì)特性。Viterbi譯碼屬于概率解碼，它的基本思想是最大似然算法：把接收到的序列與所有可能的發(fā)送序列進(jìn)行比較，選擇一種距離最小的序列作為發(fā)送序列。采用硬判決或者軟判決解調(diào)可以很容易實(shí)現(xiàn)Viterbi算法。但在本鏈路中，Viterbi譯碼采用的是軟判決，這是因?yàn)檫@種方法所獲得的性能提高不需要浪費(fèi)任何通信資源。3.2.2交織交織主要是為了防止在傳輸過程中，發(fā)生用戶信息比特丟失的情況時(shí)，不至于丟失某一個(gè)用戶所有的信息，而只是會(huì)丟失若干個(gè)用戶的信息，根據(jù)剩下的信息比特依然可以恢復(fù)原始信息，也就是將丟失的比特分散，從而達(dá)到降低誤碼率的目的。如果系統(tǒng)在一個(gè)純粹的AWGN環(huán)境下運(yùn)行，就不需要交織，這是因?yàn)橥ㄟ^重新分配位的方法是無法改變誤碼分布的。而802.11a系統(tǒng)通常假定運(yùn)行于慢衰落信道，故可以交織。3.3子載波的調(diào)制與解調(diào)3.3.1調(diào)制對(duì)于OFDM系統(tǒng)來說，只能采用幅移鍵控（ASK），相移鍵控（PSK）的調(diào)制方法，這是因?yàn)樽虞d波是頻率正交，并且攜帶獨(dú)立的信息，調(diào)制子載波頻率會(huì)破壞這些子載波的正交特性。802.11a的四種調(diào)制方式為：BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM。這里我們?cè)O(shè)計(jì)調(diào)制器主要問題是采用什么樣的星座圖，星座圖上的點(diǎn)是以單個(gè)符號(hào)（symbol）在傳輸，所采用的星座圖關(guān)系到一個(gè)通信系統(tǒng)的許多重要特性，比如比特誤碼率（BER）、功率峰值與平均值的比率(PAPR)和RF頻譜形狀。最小距離（）是它的一個(gè)重要參數(shù)，它是指星座圖中任意兩個(gè)點(diǎn)之間的最小距離，因此決定了噪聲的最小量。需要由該最小噪聲來生成判決差錯(cuò)，式（4.5）定義的Q函數(shù)用于計(jì)算一個(gè)星座圖實(shí)際的BER或，Q函數(shù)的值等于服從零均值、單位方差的正態(tài)分布的隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)（PDF）尾部的面積。 （3.2）是每比特能量與噪聲的比值或者信號(hào)能量與噪聲的比值的函數(shù)，這里.在星座圖中與Q函數(shù)的關(guān)系一般形式如式（3.3）所示。（3.3）參數(shù)越大，Q函數(shù)的值就越小，所以式（3.3）顯示較大的的值對(duì)應(yīng)更好的性能。對(duì)于相同的值，不同的星座圖有不同的，對(duì)于給定，具有最大的值的星座圖具有最好的性能。最小距離的大小取決于多個(gè)因素：星座中點(diǎn)的個(gè)數(shù)，平均功率和星座的形狀，其中最重要的是星座點(diǎn)的個(gè)數(shù)，它是由每傳輸一個(gè)符號(hào)所對(duì)應(yīng)的比特個(gè)數(shù)來決定的：。影響的另一個(gè)重要的因素是星座圖的形狀，設(shè)計(jì)星座形狀有兩個(gè)主要的目標(biāo)，首先是保證傳輸信號(hào)幅度恒定不變，第一個(gè)目標(biāo)是盡量改善。即對(duì)于給定的,在放置這此點(diǎn)時(shí)要使得最大。正交相移鍵控（QPSK）相移鍵控（PSK）調(diào)制是通過改變載波的相位來傳輸信息的，而載波的幅度保持不變，因此PSK調(diào)制又叫做等幅調(diào)制。式(4.9)表示的是PSK信號(hào)的載波波形，調(diào)制是對(duì)項(xiàng)進(jìn)行的。（3.4）表3.1PSK調(diào)制的距離特征調(diào)制方式歸一化值SNRBPSK14.00—QPSK12.003.00dB8-PSK10.58585.33dB16-PSK10.15225.85dB對(duì)于BPSK和QPSK，可以精確地導(dǎo)出PSK調(diào)制的符號(hào)差錯(cuò)率，而對(duì)于QPSK，表達(dá)式要比BPSK復(fù)雜，如式（3.5）：（3.5）QPSK的格雷碼映射為：00、01、11、10，其星座調(diào)制圖如圖3.4：圖3.4QPSK調(diào)制星座圖正交幅度調(diào)制（QAM）正交幅度調(diào)制（QAM）是要改變載波的幅度和相位，因?yàn)樗茿SK和PSK的組合。式（3.6）表示了稱為IQ的QAM信號(hào)，是I和Q載波的調(diào)制。QAM還可以用式（4.12）來描述，表示在QAM中是如何結(jié)合幅度和相位調(diào)制的。（3.6）（3.7）式（3.7）中的幅度和相位項(xiàng)可從式（3.8）和式（3.9）中計(jì)算得到。（3.8）（3.9）如圖3.5是16-QAM的星座調(diào)制圖：圖3.516-QAM調(diào)制星座圖將QAM認(rèn)為是在I和Q載波上的兩個(gè)獨(dú)立的ASK調(diào)制，就可以近似計(jì)算出QAM調(diào)制的符號(hào)差錯(cuò)率，如式（3.10）：（3.10）3.4解調(diào)由于在通信系統(tǒng)中存在噪聲等干擾的影響，故信息在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生失真，解調(diào)接收就要求最大可能地減少誤差。在這里解調(diào)的方法是，首先求出接收端信號(hào)值（復(fù)數(shù)形式表示）與星座圖中各點(diǎn)的距離，接下來求出所有距離中的最小值，則將星座圖中該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制作為解調(diào)的結(jié)果輸出。與調(diào)制相對(duì)應(yīng)，要除以歸一化系數(shù)。在接收端QPSK的接收星座圖如圖3.6。在很多的點(diǎn)靠近中心位置0，是在調(diào)制過程中補(bǔ)0的結(jié)果，判決時(shí)會(huì)舍去那些點(diǎn)。圖3.6QPSK的接收星座圖3.5基于鏈路同時(shí)使用發(fā)射接收分集的性能仿真指數(shù)衰減信道下，以QPSK調(diào)制方式仿真，其它參數(shù)為默認(rèn)值。從圖3.7和3.8可以看出，對(duì)于整個(gè)鏈路而言，采用分集技術(shù)，帶來的增益是相當(dāng)大的。當(dāng)BER為時(shí)，鏈路增益約為10dB；當(dāng)PER為時(shí)，鏈路增益約為8dB。圖3.7分集的BER仿真圖3.8分集的PER仿真3.6信道模型本鏈路仿真使用的信道是IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)使用的指數(shù)信道模型(Chayat,etal.，1997)，又叫“Baseline信道模型”或者“指數(shù)延時(shí)瑞利衰落模型”。該信道模型反映了現(xiàn)實(shí)世界中的一種特殊情況，即反射體產(chǎn)生的多徑長度依次遞增。該模型多徑延時(shí)分布如式（3.11）所示：（3.11）由上式可知，完全表征了該模型的多徑延時(shí)分布。對(duì)于指數(shù)模型，平均附加時(shí)延，rms延時(shí)擴(kuò)展。本鏈路假設(shè)對(duì)每一個(gè)發(fā)送包信道都是靜態(tài)的，不同包對(duì)應(yīng)的信道相互獨(dú)立。信道沖擊響應(yīng)幅度服從瑞利分布，相位服從均勻分布，平均功率服從指數(shù)衰落。3.7信道估計(jì)所謂信道估計(jì)，就是信道對(duì)輸入信號(hào)影響的一種數(shù)學(xué)表示。通過信道估計(jì)算法，接收機(jī)可以得到信道的沖激響應(yīng)。信道估計(jì)的一個(gè)重要的好處在于它使得相關(guān)解調(diào)成為可能。因?yàn)橄嚓P(guān)解調(diào)需要知道信號(hào)的相位信息，與非相干解調(diào)相比，可以提高系統(tǒng)的整體性能，而信道估計(jì)技術(shù)使之成為可能。LS（LeastSquare）估計(jì)法,就是以最小平方為目的的信道估計(jì)。LS信道估計(jì)器的性能不是很好,但是在保證一定誤碼率的情況下,其復(fù)雜度相對(duì)非常低。因此，運(yùn)用相對(duì)較為廣泛。數(shù)字信號(hào)在多徑衰落信道中傳送，噪聲視為理想加性高斯白噪聲（AWGN），表示。接收機(jī)的任務(wù)就是從接收信號(hào)中檢測(cè)出發(fā)送信息。此外，檢測(cè)器還需要信道矢量，這需要用信道估計(jì)算法得到。接收到的信號(hào)可以表示為：（3.12）其中，為信道沖激響應(yīng)，表示為：（3.13）為噪聲抽樣。在每一個(gè)數(shù)據(jù)包中，發(fā)射機(jī)都傳送一個(gè)訓(xùn)練序列。訓(xùn)練序列表示為：（3.14）為參考長度，為保護(hù)長度，為雙極性元素，。矩陣可以表示為：（3.15）LS信道估計(jì)算法就是要使以下平方誤差最?。?/p>