OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究與仿真實(shí)現(xiàn)

OFDM系統(tǒng)的發(fā)射技術(shù)的研究與仿真實(shí)現(xiàn)蔚翠翠：OFDM系統(tǒng)的發(fā)射技術(shù)的研究與仿真實(shí)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(yīng)用情況 -1-1.3OFDM的基本原理 -2-第2章OFDM系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(xiàn) -15-附錄 -16-

OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究與仿真實(shí)現(xiàn)摘要OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種多載波寬帶數(shù)字調(diào)制技術(shù)，它能有效地克服傳輸中的多徑干擾和消除碼間串?dāng)_。在向3G/4G演進(jìn)的過程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集，時(shí)空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，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(diǎn)，在敘述OFDM系統(tǒng)的模型的基礎(chǔ)上，分析了OFDM系統(tǒng)的發(fā)射的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)對OFDM的傳輸特性進(jìn)行了基于FFT算法實(shí)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(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)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(gè)世紀(jì)60年代已經(jīng)提出了使用平行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用(FDM)的概念。1970年，美國中請和發(fā)明了一個(gè)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(fù)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(xiàng)技術(shù)最初主要用于軍事通信系統(tǒng)。但在以后相當(dāng)長的一段時(shí)間，OFDM理論邁向?qū)嵺`的腳步放緩了。由于OFDM各個(gè)子載波之間相互正交，采用FFT實(shí)現(xiàn)這種調(diào)制，但在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)時(shí)傅立葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(shù)實(shí)現(xiàn)的制約條件。在二十世紀(jì)80年代，大規(guī)模集成電路讓FFT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實(shí)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(dòng)通信的領(lǐng)域。1.2OFDM的應(yīng)用情況由于技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性，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，如移動(dòng)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(gè)SGHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采用為物理層標(biāo)準(zhǔn)，使得傳輸速率可以達(dá)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(wù)。這樣的速率完全能滿足室內(nèi)、室外的各種應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)也把OFDM定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。2001年，IEEE802.16通過了無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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(shí)系統(tǒng)會(huì)存在較強(qiáng)的多徑效應(yīng)，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(yīng)、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(biāo)準(zhǔn)每年都在發(fā)展，2006年2月，IEEE802.16e(移動(dòng)寬帶無線城域網(wǎng)接入空中接口標(biāo)準(zhǔn))形成了最終的出版物。當(dāng)然，采用的調(diào)制方式仍然是OFDM。2004年11月，根據(jù)眾多移動(dòng)通信運(yùn)營商、制造商和研究機(jī)構(gòu)的要求，3GPP通過被稱為LTE即“3G長期演進(jìn)”的立項(xiàng)工作。項(xiàng)目以制定3G演進(jìn)型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范作為目標(biāo)。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(shù)，即下行OFDM，上行SC(單載波關(guān)FDMA。OFDM由于技術(shù)的成熟性，被選用為下行標(biāo)準(zhǔn)很快就達(dá)成了共識。而上行技術(shù)的選擇上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些設(shè)備商認(rèn)為會(huì)增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時(shí)間，一些則認(rèn)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(fù)用技術(shù)，實(shí)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(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號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。每個(gè)子信道上的信號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，信道均衡變得相對容易。在向B3G/4G演進(jìn)的過程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集，時(shí)空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，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(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。和單載波調(diào)制方式相比，多載波調(diào)制的主要優(yōu)點(diǎn)是具有抗無線信道時(shí)間彌散的特性。無線信道由于存在多徑效應(yīng)而對傳輸?shù)臄?shù)字信號產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)展，造成接收信號中前后碼元交疊，形成信元間干擾導(dǎo)致判決錯(cuò)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(shí)，信號帶寬較寬，當(dāng)信號帶寬接近和大于信道相干帶寬(最大多徑時(shí)延的倒數(shù))時(shí)，信道的時(shí)間彌散將對接收信號造成頻率選擇性衰落。所以時(shí)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(shí)延擴(kuò)展與碼元周期相比小于一定的值，就不會(huì)產(chǎn)生碼間串?dāng)_，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(qiáng)，這是因?yàn)轭l率選擇性衰落在某一時(shí)刻只會(huì)影響一定數(shù)量的子載波，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以通過交織和前向糾錯(cuò)編碼等方法成功地修補(bǔ)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(shù)相比還具有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單和更容易消除符號間干擾的特點(diǎn)。OFDM可以用FFT算法來實(shí)現(xiàn)，采用日益成熟的數(shù)字信號處理技術(shù)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(gè)子信道，系統(tǒng)實(shí)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(diǎn)設(shè)備對價(jià)格較敏感的特點(diǎn)。采用循環(huán)前綴可以完全消除符號間干擾，同時(shí)室內(nèi)無線信道的時(shí)延擴(kuò)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(jìn)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(shí)域，同時(shí)為了使調(diào)制系統(tǒng)有效地克服ISI，在OFDM調(diào)制輸出時(shí)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(jìn)行發(fā)送端的相反操作，去掉保護(hù)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?cái)?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(yīng)于所有其它子載波的頻譜中的零點(diǎn)，也就是說，這些載波是相互正交的，上千個(gè)載波重疊在一起，整個(gè)頻譜幾乎為矩形。由于利用了信號的時(shí)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(dāng)傳輸信道中某一頻段產(chǎn)生衰落時(shí)，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(gè)OFDM符號都是多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號，其中每個(gè)子載波可以采用相移鍵控(PSK)或者正交幅度調(diào)制(QAM)進(jìn)行調(diào)制。OFDM系統(tǒng)的各個(gè)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(shè)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(shè)為一組正交載波，各個(gè)載波之間的關(guān)系為：(k=0,1,2N-1)。其中，N為載波的數(shù)目，為發(fā)送時(shí)使用的最低頻率(單位Hz),1/NT為相鄰兩個(gè)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(fù)包絡(luò)表示為：（2-1）通常采用復(fù)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(shí)部和虛部分別對應(yīng)于OFDM符號的同相(In-phase)和正交(Quadrature-phase)分量，在實(shí)際中可以分別與相應(yīng)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(jìn)行如下的解調(diào)：(2-3)在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù)符號的調(diào)制方式，每個(gè)子載波的幅值和相位都可能是不同的，但每個(gè)子載波在一個(gè)OFDM符號周期內(nèi)都包含整數(shù)倍個(gè)周期，而且各個(gè)相鄰子載波之間相差一個(gè)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(dāng)n=m時(shí)，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(shí)積分值為NT，則d(-)的值為d(m)號：當(dāng)時(shí)，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(shí)現(xiàn)了信號的傳送。可以通過4個(gè)子載波的實(shí)例圖2.2看一下。圖2.24個(gè)子載波實(shí)例圖可以看出OFDM的接收機(jī)實(shí)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(gè)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(huì)對這個(gè)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(shí)際運(yùn)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(shí)際上可以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，即多個(gè)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(gè)子信道頻譜最大值對應(yīng)于其他子信道頻譜的零點(diǎn)，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(shù)的系統(tǒng)中，編碼采用Reed-Solomon碼、卷積糾錯(cuò)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(cuò)誤，交織后的數(shù)據(jù)通過一個(gè)串并行轉(zhuǎn)換器，將IQ映射到一個(gè)相應(yīng)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(yīng)的星座點(diǎn)上。這一過程產(chǎn)生IQ值，它們被過濾并送到IFFT上進(jìn)行變換。4插入導(dǎo)頻：為了能夠使接收穩(wěn)定，在每48個(gè)子載波中插入4個(gè)導(dǎo)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(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，信號帶寬小于信道的相關(guān)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(shí)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(jìn)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(gè)的OFDM符號創(chuàng)建一個(gè)保護(hù)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(gè)OFDM的符號是由N個(gè)頻域上相距為的子載波構(gòu)成，而且所有的載波在一個(gè)OFDM符號的寬度內(nèi)是相互正交的。令第k個(gè)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(hù)時(shí)間加入OFDM符號的前端，而加入了保護(hù)間隔后，設(shè)保護(hù)間隔長度為，則有：(2-6)一個(gè)OFDM符號總的寬度。在OFDM中，每一個(gè)子載波可以獨(dú)立的選擇一種調(diào)制方式，令在第n個(gè)OFDM符號中第k個(gè)子載波對應(yīng)的調(diào)制符號為，因此第n個(gè)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(gè)子載波上的頻譜就是sin函數(shù)，第k個(gè)子載波的頻譜為：（2-9）整個(gè)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(guān)運(yùn)算來恢復(fù)：（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(gè)OFDM符號的第i個(gè)采樣點(diǎn)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(shí)際系統(tǒng)中可以使用反快速傅立葉變換(IFFT)來實(shí)現(xiàn)。使用IFFT來進(jìn)行調(diào)制，是因?yàn)榘l(fā)射端比較復(fù)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(shí)附加了實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分的主程序。考慮到其發(fā)射端比較復(fù)雜，切峰平比要求較高，因此采用IFFT進(jìn)行調(diào)制，應(yīng)用FFT進(jìn)行解調(diào)。OFDM符號頻譜實(shí)際上可以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，即多個(gè)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(gè)子信道頻譜最大值對應(yīng)于其他子信道頻譜的零點(diǎn)，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(gè)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(gè)信號產(chǎn)生的結(jié)果和信號載波用T/2作為它的時(shí)間周期。載波信號g(t)是離散的時(shí)間基帶信號，圖3.2在B點(diǎn)的信號時(shí)域響應(yīng)B點(diǎn)是通過傅立葉逆變換后的波形，圖3.2呈現(xiàn)的是采樣點(diǎn)前20個(gè)的波形。圖3.3對其進(jìn)行頻譜分析，分析頻率的分布范圍。g(t)的脈沖響應(yīng)或者脈沖波形如圖3.4所示。在C點(diǎn)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(shí)間響應(yīng)和頻率響應(yīng)。在圖3.7中上圖為頻譜圖，下圖為譜密度估計(jì)圖。圖3.3在B點(diǎn)的信號頻域響應(yīng)圖3.5是一個(gè)13階巴特沃思濾波器的響應(yīng)。這個(gè)重建過程或者D/A濾波器響應(yīng)是一個(gè)13階巴特沃思濾波器，并且近似1/T的下降頻率。這個(gè)發(fā)射濾波器的輸出在時(shí)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(gè)過程產(chǎn)生了近似s的延遲。在延遲的一邊，濾波器如預(yù)期一樣的工作，因?yàn)槌嘶鶐ьl譜其它的所有都被濾除了。E點(diǎn)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(shí)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(jī)來接收。圖3.6信號在C點(diǎn)的時(shí)間響應(yīng)圖3.7在C點(diǎn)的頻率響應(yīng)圖3.8D點(diǎn)的時(shí)間響應(yīng)圖3.9信號在D點(diǎn)的頻率響應(yīng)波形圖3.10信號在E處的時(shí)間響應(yīng)圖3.11信號在E處的頻率響應(yīng)

第4章總結(jié)OFDM是一種多載波調(diào)制傳輸技術(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)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(shí)際運(yùn)用中，可以采用更加方便快捷的IFFT/FFT。當(dāng)子信道數(shù)目比較多的時(shí)候，采用此算法還可以大大減少系統(tǒng)的復(fù)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(yīng)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(yīng)用MATLAB對OFDM系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。OFDM技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在無線接入和寬帶移動(dòng)通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文在對OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行詳細(xì)介紹的基礎(chǔ)上，用MATLAB軟件實(shí)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(fù)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(dǎo)致射頻放大器的功率效率較低，負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度等缺點(diǎn)。

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