OFDM系統(tǒng)的關鍵技術的研究與仿真實現(xiàn)

OFDM系統(tǒng)的發(fā)射技術的研究與仿真實現(xiàn)蔚翠翠：OFDM系統(tǒng)的發(fā)射技術的研究與仿真實現(xiàn)1415-目錄TOC\o"1-3"\u摘要 II第1章OFDM的概述 -1-1.1OFDM的發(fā)展歷史 -1-1.2OFDM的應用情況 -1-1.3OFDM的基本原理 -2-第2章OFDM系統(tǒng)的數(shù)學模型 -4-2.1OFDM系統(tǒng)基帶模型 -4-2.2OFDM的發(fā)射模型 -6-2.3本章小結(jié) -8-第3章仿真分析 -9-第4章總結(jié) -14-參考文獻 -15-附錄 -16-

OFDM系統(tǒng)的關鍵技術的研究與仿真實現(xiàn)摘要OFDM（正交頻分復用）是一種多載波寬帶數(shù)字調(diào)制技術，它能有效地克服傳輸中的多徑干擾和消除碼間串擾。在向3G/4G演進的過程中，OFDM是關鍵的技術之一，可以結(jié)合分集，時空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。本文首先介紹了OFDM的基本原理及特點，在敘述OFDM系統(tǒng)的模型的基礎上，分析了OFDM系統(tǒng)的發(fā)射的數(shù)學模型。同時對OFDM的傳輸特性進行了基于FFT算法實現(xiàn)的MATLAB軟件仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析OFDM系統(tǒng)性能。關鍵詞：正交頻分復用，Matlab仿真，快速傅立葉變換.第1章OFDM的概述1.1OFDM的發(fā)展歷史在上個世紀60年代已經(jīng)提出了使用平行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復用(FDM)的概念。1970年，美國中請和發(fā)明了一個專利，其思想是采用平行的數(shù)據(jù)和子信道相互重疊的頻分復用來消除對高速均衡的依賴，用于抵制沖激噪聲和多徑失真，而能充分利用帶寬。這項技術最初主要用于軍事通信系統(tǒng)。但在以后相當長的一段時間，OFDM理論邁向?qū)嵺`的腳步放緩了。由于OFDM各個子載波之間相互正交，采用FFT實現(xiàn)這種調(diào)制，但在實際應用中，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)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素部成為OFDM技術實現(xiàn)的制約條件。在二十世紀80年代，大規(guī)模集成電路讓FFT技術的實現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實現(xiàn)的困難也部得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺，逐步邁向高速數(shù)字移動通信的領域。1.2OFDM的應用情況由于技術的可實現(xiàn)性，在二十世紀90年代，OFDM廣泛用干各種數(shù)字傳輸和通信中，如移動無線FM信道，高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)(HDSL)，不對稱數(shù)字用戶線系統(tǒng)(ADSL)，甚高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)（HDSI〕，數(shù)字音頻廣播(DAB)系統(tǒng)，數(shù)字視頻廣播(DVB)和高清數(shù)字電視（HDTV）地面?zhèn)鞑ハ到y(tǒng)。1999年，IEEE802.lla通過了一個SGHz的無線局域網(wǎng)標準，其中OFDM調(diào)制技術被采用為物理層標準，使得傳輸速率可以達54MbPs。這樣，可提供25MbPs的無線ATM接口和10MbPs的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，并支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務。這樣的速率完全能滿足室內(nèi)、室外的各種應用場合。歐洲電信組織(ETsl)的寬帶射頻接入網(wǎng)的局域網(wǎng)標準也把OFDM定為它的調(diào)制標準技術。2001年，IEEE802.16通過了無線城域網(wǎng)標準，該標準根據(jù)使用頻段的不同，具體可分為視距和非視距兩種。其中，使用2-11GHz許可和兔許可頻段，由于在該頻段波長較長，適合非視距傳播，此時系統(tǒng)會存在較強的多徑效應，而在免許可頻段還存在干擾問題，所以系統(tǒng)采用了抵抗多徑效應、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上有明顯優(yōu)勢的OFDM調(diào)制，多址方式為OFDMA。而后，IEEE802.16的標準每年都在發(fā)展，2006年2月，IEEE802.16e(移動寬帶無線城域網(wǎng)接入空中接口標準)形成了最終的出版物。當然，采用的調(diào)制方式仍然是OFDM。2004年11月，根據(jù)眾多移動通信運營商、制造商和研究機構(gòu)的要求，3GPP通過被稱為LTE即“3G長期演進”的立項工作。項目以制定3G演進型系統(tǒng)技術規(guī)范作為目標。3GPP經(jīng)過激烈的討論和艱苦的融合，終于在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術，即下行OFDM，上行SC(單載波關FDMA。OFDM由于技術的成熟性，被選用為下行標準很快就達成了共識。而上行技術的選擇上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些設備商認為會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，一些則認為可以通過濾波，削峰等方法限制峰均比。1.3OFDM的基本原理OFDM即正交頻分復用技術，實際上OFDM是多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。在向B3G/4G演進的過程中，OFDM是關鍵的技術之一，可以結(jié)合分集，時空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。包括以下類型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多帶-OFDM。OFDM是一種多載波調(diào)制傳輸技術，N個子載波把整個信道分割成N個子信道，N個子信道并行傳輸信息。和單載波調(diào)制方式相比，多載波調(diào)制的主要優(yōu)點是具有抗無線信道時間彌散的特性。無線信道由于存在多徑效應而對傳輸?shù)臄?shù)字信號產(chǎn)生時延擴展，造成接收信號中前后碼元交疊，形成信元間干擾導致判決錯誤，影響傳輸質(zhì)量，特別是在碼元速率較高的情況下更是如此。另一方面，碼元速率較高時，信號帶寬較寬，當信號帶寬接近和大于信道相干帶寬(最大多徑時延的倒數(shù))時，信道的時間彌散將對接收信號造成頻率選擇性衰落。所以時間彌散是使無線信道傳輸速率受限的主要原因之一。多載波調(diào)制使子載波中數(shù)據(jù)信號碼元周期增長，只要時延擴展與碼元周期相比小于一定的值，就不會產(chǎn)生碼間串擾，提高傳輸質(zhì)量。另外，多載波系統(tǒng)對頻率選擇性衰落的抵抗力很強，這是因為頻率選擇性衰落在某一時刻只會影響一定數(shù)量的子載波，在系統(tǒng)設計時可以通過交織和前向糾錯編碼等方法成功地修補在這些子載波上較差的信號[1]。OFDM和其它多載波調(diào)制技術相比還具有系統(tǒng)實現(xiàn)簡單和更容易消除符號間干擾的特點。OFDM可以用FFT算法來實現(xiàn)，采用日益成熟的數(shù)字信號處理技術可以使系統(tǒng)用簡單的混頻和積分就能夠很好地分離各個子信道，系統(tǒng)實現(xiàn)相對較簡單，系統(tǒng)成本低，符合無線局域網(wǎng)終端和接入點設備對價格較敏感的特點。采用循環(huán)前綴可以完全消除符號間干擾，同時室內(nèi)無線信道的時延擴展相對較小，使得循環(huán)前綴的長度較短，因此引入循環(huán)前綴帶來的功率損耗也較小。

第2章OFDM系統(tǒng)的數(shù)字模型OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)如圖2.1，首先要把高速數(shù)據(jù)流進行串并轉(zhuǎn)換，然后是它的核心快速傅立葉逆變換，把信息由頻域轉(zhuǎn)換到時域，同時為了使調(diào)制系統(tǒng)有效地克服ISI，在OFDM調(diào)制輸出時符號之間插入循環(huán)前綴，使其經(jīng)過多徑信道后，各子信道間的正交性仍能保持。接收端進行發(fā)送端的相反操作，去掉保護間隔，并用FFT變換回頻域信號，然后子載波的幅度和相位被采集出來并轉(zhuǎn)換回數(shù)字信號[2]。圖2.1OFDM調(diào)制解調(diào)框圖2.1OFDM系統(tǒng)基帶模型OFDM是采用一組相互正交的子載波構(gòu)成的信道來傳輸數(shù)據(jù)流，這些載波在頻率上等間隔地分布，載波間隔一般取碼元周期的倒數(shù)。每一子載波的峰值對應于所有其它子載波的頻譜中的零點，也就是說，這些載波是相互正交的，上千個載波重疊在一起，整個頻譜幾乎為矩形。由于利用了信號的時頻正交性而允許各子信道頻譜有重疊，使頻譜利用率相對于單載波傳輸系統(tǒng)提高了近一倍。當傳輸信道中某一頻段產(chǎn)生衰落時，受影響的是其調(diào)制載波落入該頻段的那些信號，而調(diào)制于其它載波上的信號不受影響。每個OFDM符號都是多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號，其中每個子載波可以采用相移鍵控(PSK)或者正交幅度調(diào)制(QAM)進行調(diào)制。OFDM系統(tǒng)的各個了載波可根據(jù)信道的條件來使用不同的調(diào)制，比如BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，64QAM等，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則[3]。設原始基帶數(shù)據(jù)信號帶寬為B，碼元速率為R，碼元周期為T?，F(xiàn)將原始信號分割為N路子信號，分割后的碼元速率為R/N，周期為NT。設為一組正交載波，各個載波之間的關系為：(k=0,1,2N-1)。其中，N為載波的數(shù)目，為發(fā)送時使用的最低頻率(單位Hz),1/NT為相鄰兩個載波之間的頻率間隔，為角頻率，。在發(fā)送端合成的傳輸信號的低通復包絡表示為：（2-1）通常采用復等效基帶信號來描述OFDM的輸出信號，即調(diào)制到高頻上的待發(fā)送的OFDM信號D(t)為：（2-2）其中的實部和虛部分別對應于OFDM符號的同相(In-phase)和正交(Quadrature-phase)分量，在實際中可以分別與相應子載波的cos分量和sin分量相乘，構(gòu)成子信道信號和合成OFDM符號[4]。接收端接收到信號后進行如下的解調(diào)：(2-3)在實際應用中，根據(jù)數(shù)據(jù)符號的調(diào)制方式，每個子載波的幅值和相位都可能是不同的，但每個子載波在一個OFDM符號周期內(nèi)都包含整數(shù)倍個周期，而且各個相鄰子載波之間相差一個周期，據(jù)此說明了OFDM系統(tǒng)各子載波之間的正交性，即：（2-4）可知式中，當n=m時，調(diào)制載波與調(diào)制載波為同頻載波，滿足相干解調(diào)的條件，此時積分值為NT，則d(-)的值為d(m)號：當時，在接收端不同載波之間互不干擾，接收端完成了信號的提取，從而實現(xiàn)了信號的傳送?？梢酝ㄟ^4個子載波的實例圖2.2看一下。圖2.24個子載波實例圖可以看出OFDM的接收機實際上是一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期內(nèi)積分，其它載波則于所積分的信號正交，因此不會對這個積分結(jié)果產(chǎn)生影響。OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以分別由IDFT和DFT來代替。在OFDM系統(tǒng)實際運用中，可以采用更加方便快捷的IFFT/FFT。從上面分析還可以看出，OFDM符號頻譜實際上可以滿足奈奎斯特準則，即多個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。每個子信道頻譜最大值對應于其他子信道頻譜的零點，有效地避免了子信道間擾干的出現(xiàn)。2.2OFDM的發(fā)射模型1編碼：在基于OFDM調(diào)制技術的系統(tǒng)中，編碼采用Reed-Solomon碼、卷積糾錯碼、維特比碼或TURBO碼。2交織：交織器用于降低在數(shù)據(jù)信道中的突發(fā)錯誤，交織后的數(shù)據(jù)通過一個串并行轉(zhuǎn)換器，將IQ映射到一個相應的星座圖上。在這里I代表同相信號，Q代表正交信號。3數(shù)字調(diào)制：在OFDM方式中，采用星座圖將符號映射到相應的星座點上。這一過程產(chǎn)生IQ值，它們被過濾并送到IFFT上進行變換。4插入導頻：為了能夠使接收穩(wěn)定，在每48個子載波中插入4個導頻信息。5串并轉(zhuǎn)換：使串行輸入的信號以并行的方式輸出到M條線路上。這M條線路上的任何一條上的數(shù)據(jù)傳輸速率則為R/M碼字/秒。OFDM系統(tǒng)的基本原理就是將指配的信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，信號帶寬小于信道的相關帶寬。6快速傅立葉逆變換：快速傅立葉逆變換可以把頻域離散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時域離散的數(shù)據(jù)。由此，用戶的原始輸入數(shù)據(jù)就被OFDM按照頻域數(shù)據(jù)進行了處理。7并串轉(zhuǎn)換：用于將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。8插入循環(huán)前綴并加窗：循環(huán)前綴為單個的OFDM符號創(chuàng)建一個保護帶，在信噪比邊緣損耗中被丟掉，以極大地減少符號間干擾[5]。一個OFDM的符號是由N個頻域上相距為的子載波構(gòu)成，而且所有的載波在一個OFDM符號的寬度內(nèi)是相互正交的。令第k個子載波為，k=0,1,...N，則有(2-5)而為了抵抗多徑傳播而產(chǎn)生的碼間干擾(ISI)，一般需要使用循環(huán)前綴作為保護時間加入OFDM符號的前端，而加入了保護間隔后，設保護間隔長度為，則有：(2-6)一個OFDM符號總的寬度。在OFDM中，每一個子載波可以獨立的選擇一種調(diào)制方式，令在第n個OFDM符號中第k個子載波對應的調(diào)制符號為，因此第n個OFDM符號可以表示為：(2-7)則連續(xù)的OFDM信號即為：(2-8)由于基帶信號是矩形脈沖信號，每個子載波上的頻譜就是sin函數(shù)，第k個子載波的頻譜為：（2-9）整個OFDM信號的頻譜就是：（2-10）可見相鄰的子載波的頻譜有一半是重疊的，但所有子載波相互正交，即滿足：（2-11）其中：（2-12）調(diào)制符號可以通過相關運算來恢復：（2-13）OFDM信號的帶寬，而以采樣間隔采樣信號，所得到的第n個OFDM符號的第i個采樣點表示為，i=0,1,...,N-1，就有：(2-14)該公式的形式和反離散傅立葉變換(IDFT)形式相同，則在實際系統(tǒng)中可以使用反快速傅立葉變換(IFFT)來實現(xiàn)。使用IFFT來進行調(diào)制，是因為發(fā)射端比較復雜，并且有較高的平峰比要求。2.3本章小結(jié)在這一章中，我們介紹了OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)射的模型和基本原理。同時附加了實現(xiàn)各個部分的主程序?？紤]到其發(fā)射端比較復雜，切峰平比要求較高，因此采用IFFT進行調(diào)制，應用FFT進行解調(diào)。OFDM符號頻譜實際上可以滿足奈奎斯特準則，即多個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。每個子信道頻譜最大值對應于其他子信道頻譜的零點，有效地避免了子信道間干擾的出現(xiàn)[6]。

第3章仿真分析圖3.1OFDM的發(fā)射流程圖我們增添了4096-1705=2391個零給信號信息去超采樣。在圖3.2和圖3.3中能觀測到這個信號產(chǎn)生的結(jié)果和信號載波用T/2作為它的時間周期。載波信號g(t)是離散的時間基帶信號，圖3.2在B點的信號時域響應B點是通過傅立葉逆變換后的波形，圖3.2呈現(xiàn)的是采樣點前20個的波形。圖3.3對其進行頻譜分析，分析頻率的分布范圍。g(t)的脈沖響應或者脈沖波形如圖3.4所示。在C點通過矩形脈沖使波形成型，成型后波形更連貫。圖3.6與圖3.7分別是時間響應和頻率響應。在圖3.7中上圖為頻譜圖，下圖為譜密度估計圖。圖3.3在B點的信號頻域響應圖3.5是一個13階巴特沃思濾波器的響應。這個重建過程或者D/A濾波器響應是一個13階巴特沃思濾波器，并且近似1/T的下降頻率。這個發(fā)射濾波器的輸出在時域范圍如圖3.6所示，頻域波形如圖3.7所示。圖3.4g(t)的脈沖波形圖3.5D/A濾波器響通過低通濾波器的輸出信號如圖3.8和圖3.9。需要注意的是濾波器的這個過程產(chǎn)生了近似s的延遲。在延遲的一邊，濾波器如預期一樣的工作，因為除了基帶頻譜其它的所有都被濾除了。E點就是合路信號，圖3.10就是信號波形圖，圖3.11是其頻譜圖。此時的信號經(jīng)過天線發(fā)射出去后就可以通過與之匹配的接收機來接收。圖3.6信號在C點的時間響應圖3.7在C點的頻率響應圖3.8D點的時間響應圖3.9信號在D點的頻率響應波形圖3.10信號在E處的時間響應圖3.11信號在E處的頻率響應

第4章總結(jié)OFDM是一種多載波調(diào)制傳輸技術，N個子載波把整個信道分割成N個子信道，N個子信道并行傳輸信息。OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以分別由IDFT和DFT來代替。在OFDM系統(tǒng)實際運用中，可以采用更加方便快捷的IFFT/FFT。當子信道數(shù)目比較多的時候，采用此算法還可以大大減少系統(tǒng)的復雜度。在本文中主要完成了以下內(nèi)容：介紹了OFDM的發(fā)展歷史，應用情況；敘述了OFDM系統(tǒng)的基本原理；分析了OFDM系統(tǒng)的發(fā)射的原理；應用MATLAB對OFDM系統(tǒng)進行仿真，并對仿真結(jié)果進行分析。OFDM技術由于其獨特的優(yōu)點，在無線接入和寬帶移動通信中具有廣闊的應用前景。本文在對OFDM技術實現(xiàn)原理進行詳細介紹的基礎上，用MATLAB軟件實現(xiàn)了對基本OFDM傳輸系統(tǒng)的仿真。我們在OFDM系統(tǒng)中能發(fā)現(xiàn)很多優(yōu)勢，但也有很多復雜的問題需要我們?nèi)ソ鉀Q，例如對頻偏和相位噪聲比較敏感，功率峰值與均值比(PAPR)大，導致射頻放大器的功率效率較低，負載算法和自適應調(diào)制技術會增加系統(tǒng)復雜度等缺點。

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