OFDM调制及其在无线局域网中的应用研究.pdf

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1、太原理工大学硕士学位论文OFDM调制及其在无线局域网中的应用研究姓名：侯玉兵申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：萧宝瑾2003.4.1随着通信技术的不断成熟和发展，如今的通信传输方式可以说多种多样，变化日新月异，从最初的有线通信到无线通信，再到现在的光纤通信。然而，从通信技术的实质来看，突破性的进展并不多。近年来，随着D S P芯片技术的发展，傅立叶变换反变换、高速M o d e m 采用的6 4 1 2 8 2 5 6 Q A M 技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，正交频分复用O F D M ( O r t h o

2、g o n a lF r e q u e n c yD i v i s i o nM u l t i p l e x i n g ) 作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，引起了广泛关注。本文在对O F D M 进行认真研究的基础上，主要完成了以下三部分的工作。第一部分首先研究O F D M 理论，以及如何用基于F F T 和I F F T 的技术实现O F D M 系统。然后通过M A T L A B 软件对O F D M 系统进行了仿真分析，研究了调制映射，保护间隔，子载波和信道对O F D M 系统的影响，并得出了一些结论。这在实际O F D M 系统设计的过程中是非常重要。

3、第二部分通过分析无线局域网的基本原理，以及采用仿真软件分析了O F D M 在无线局域网中的应用。通过仿真比较了两种信道编码的性能，并做了相应的误码率分析，得到了有用的结论。建议采用卷积编码。第三部分为在的现场可编程逻辑门阵列( F P G A ) 上实现O F D M 调制模块。本文根据一种基于平方根分解的1 6 点F F T 算法，采用相位旋转因子取代乘法器，并利用串行流水蝴蝶运算单元给出了一种新的实现算法，并介绍了其在F P G A 中相应的实现方法。关键词：正交频分复用，多载波调制，无线局域网，快速傅立叶变换垒呈! ! 坠曼! 一A B S T R A C TF r o mw i r

4、ec o m m u n i c a t i o nt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h e nt of i b e rc o m m u n i c a t i o n ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r eh a v em o r ea n dm o r ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e H o w e v e Lt ot h ee

5、 s s e n t i a lo fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h o s et e c h n i q u e sa r ea l lc h a n g ei nt r a n s m i s s i o nm e d i u mo rc h a n n e l R e c e n t l y , b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to fD S P , I F F W F F T 4 6 1 2 8 2 5 6 Q A Mu s i n gi nh i g h s p e

6、 e dm o d e m ，a n dg r a d u a li n t r o d u c t i o no fn e wc o d i n gt e c h n i q u e ，s o f td e c i s i o nt e c h n i q u e ，c h a n n e ls e l f - a d a p t i n g ，G u a r dI n t e r v a l ，0 F D M ( O r t h o g o n a lF r e q u e n c yD i v i s i o nM u l t i p l e x i n g ) a r o u s em

7、 o r ea n dm o r ea t t e n t i o n A sat e c h n o l o g yo fh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n O F D MC a nr e s i s tI S Ie f f e c t i v e l y T h i sp a p e ri sb a s e do nt h ec o n c i s ea n dd e e p g o i n gs u r v e yo fO F D M ，a n df i n i s h e dt h ef o l l o w i n gt h r e e

8、p a r t s I nt h ef i r s tp a r t r e s e a r c h e st h et h e o r yo fO F D M ，a n dh o wt or e a l i z eO F D Ms y s t e mb yF F 7 r I F F L a t e r , s i m u l a t e st h eO F D Ms y s t e mb yM A T L A Bs o f t w a r e r e s e a r c h st h ee f f e c ta b o u t0 F D Ms y s t e mb ym a p p i n

9、g ，g u a r di n t e r v a l ，s u b c a r r i e ra n dc h a n n e l G e t ss o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n s ，t h e s ec o n c l u s i o n sa r ev e r yu s e f u li nt h ed e s i g no fp r a c t i c a ls y s t e m I nt h es e c o n dp a r t ，i n t r o d u c e st h et h e o r yo fw i r e l

10、 e s sL A Nb a s e do nt h eO F D M ，s u p p l i e st h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o na n a l y s i sb yS Y S T E M V I E Ws o f t w a r e c o m p a r e st w oc h a n n e lc o d i n gb ys i m u l a t a t i o n ，g i v e saa d v i c et ou s ec o n v o l u t i o nc o d i n g ，a n da n a

11、l y s e si t s B E R I nt h et h i r dp a r t g i v e san e wF F Ta l g o r i t h mf o rr e a l i z a t i o nO F D Mm o d u l a t i o ni nF P G A T h i sa l g o r i t h mi Sb a s e do nt h e16 一F F Ta b o u ts q u a r er o o td e c o m p o s i t i o n ，a n du s i n gt h ep h a s er e v o l u t i o n

12、u n i tr e p l a c e sm u l t i p l i c a t i o n ，a n du s e st h es e r i a lb u t t e r f l yo p e r a t i o nu n i t A t1 a s t g i v e st h ec o r r e s p o n dr e a l i z a t i o nm e a s u r ei nF P G A 太原理工大学硕士学位论文K E Y W O R D S ：O F D M ，M C M ，W L A N ，I F F TI V 笪兰望翌一O F D MW L A NF F T下

13、TM C MC C I T TD A BH D T VB R A NI S II C IC 瓜符号说明O r t h o g o n a lF r e q u e n c yD i v i s i o nM u l t i p l e x i n g正交频分复用W i r e l e s sL o c a lA r e aN e t w o r k无线局域网F a s tF o u r i e rT r a n s f o r m快速傅立叶变换i n v e r s eF a s tF o u r i e rT r a n s f o r m快速傅立叶反变换M u l t i C a r r

14、i e rM o d u l a t i o n多载波调制I n t e m a t i o n a lT e l e p h o n ea n dT e l e g r a p hC o n s u l t a t i v eC o m m i t t e e国际电话与电报顾问委员会D i g i t a lA u d i oB r o a d c a s t i n g数字音频广播H i g h d e f i n i t i o nT e l e v i s i o n高清晰度电视B r o a d b a n dR a d i oA c c e s sN e t w o r k宽带射频

15、接入网I n t e r S y m b o lI n t e r f e r e n c e码阋串扰I n t e r C h a n n e lI n t e r f e r e n c e信道间干扰C h a n n e lI m p u l s eR e s p o n s e信道冲击响应M C - - C D M AM u l t i - C a r d e rC o d eD i v i s i o nA c c e s so rM u k i p l e x i n g多载波码分多址或码分复用Q A MQ u a d r a t u r eA m p l i t u d eM o

16、 d u l a t i o nG IG u a r dI n t e r v a lP L C PM A C口D UP P D UP M DP S D U正交调幅保护间隔物理层收敛过程子层介质访问控制介质协议数据单元P L C P 协议数据单元物理介质依赖物理层服务数扼：甲一V I I 箜二童堑堡1 1引言第一章绪论个人通信是人类通信的最高目标。它是用各种可能的网络技术，实现任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换。这种境界使用户彻底摆脱了终端的束缚。实现这种境界最基本要求就是满足用户的移动性。为了实现无线个人通信，工业界、学术界和各种标准化组织都在进行广泛深入的研究和讨论。

17、而这些讨论和研究的焦点无非是要面对系统的容量、信道的分配方法、设计的复杂性和系统性能的折衷。就移动通信而言，在信道中广泛存在着三类扩散f 2 】，并带来y _ - 种选择性快衰落。即传播上非点波束引起的波束的角扩散，并由它引起的空间选择性衰落；用户的快速移动引起的在频率上的多普勒扩散，而由它引起的时间选择性衰落；以及由于传播上多径效应所引起的在时间上的时延功率谱扩散，由它引起频率选择性衰落。为了对付这三种不同的选择性衰落，人们绞尽脑汁并想想出了各种办法予以克服。专门为克服空间选择性衰落的分集接收技术；专门为克服时间选择性衰落的信道交织编码技术；以及专门为克服频率选择性衰落的R a k e 接收

18、技术pJ 。目前，在第三代移动通信系统中，高速宽带移动通信系统的频率选择性衰落问题显得特别突出，业界在这方面的研究逐渐趋于热点。随着数字信号处理( D S P ) 和超大规模集成电路( V L S I ) 技术的发展，采用多载波传输的方式来克服频率选择性衰落，成为当前一种实用且有效的新技术。多载波调制的一种实现方法为正交频分复用( O r t h o g o n a lF r e q u e n c yD i v i s i o nM u l t i p l e x i n g ) 技术| 4 “。在过去的几年中，多载波调制特别是正交频分复用( O F D M ) 已经被成功的应用于多种数字通

19、信系统中。O F D M 被太鞭理王夫学颈女擘证稔变_ _ w ”* _ _ _ H - _ _ M 一一w H 慈撵箨为鬟藏系统分蔡黪纺毽鼹标准，箕理论、雾法帮黪爝技零是渔静一个 瑟氇褥研究鹣课题。崧正燮籁分簸麓技术逐灏飘疆论悫向巍溺的今天，我髑毒努癸嶷垂交灏分鬟蹋技零安瑗上避纷研究。 ，2O F D M 静攥窭鞫发藤燕交鬏努整建( O F D M ) 蹩一辩灏窭鹣麓效黪多载渡键霪g 搜零，京是赉多载波 M C M ) 调制发展来勰，黪够黉效地对摭多径接掇，搜受到于撬簿臻警疑蟛鬻嚣逡接收。象农三卡多年蘩第一次滏C h a n 誊6 , ? ! 撬遗。翅憝，套登蔫，O F D M 系绫靛缝鞠非

20、常复杂，从嚣辫割了箕避疹推广。翠期静频分鬟爝主要壤予亳掇邋待，它最辛孥多个低逮的信号分掰使掰多拿不溺静簸波裴搴逐群转输。为了方便在接救端缝够将绥琴区分蹬泉，番个载波颓率之闯间隔是够遮， 2 王使褥信号频谱不相互交瘢，接收端可以禳容弱她使糯带遗滤波嚣褥傣譬泠离辩来。缭暴簿数频谱剃越辜游露繇。弱一种方法魑使用不同频辩的载波束传送举个高速率信恿流的不问跑特，丽不是搜媛窀键分嚣倦戆苓强戆僖惑滤。运转傍援下，售弩灌藏谈暴髑势行输出，或将龋疗豹信号经串势变换艏变成并行输出。褒羁一糖镶道下攀戳将这耱势孬终辕搜零与攀栽波麓逮率羚攀簿褥竣技零进行媳较。瓣予舞行累绞如祭誊攘袋趱多对蚊发设备，与罄载渡系绞稳魄，荚逡

21、徐当然燹离。并嚣系统孛每令子虢遴将砖输低速零黪信悫流，遮率由予餐道熬帮宽决定，程藤蛰窝褪鲻熬条髂下，掰蠢予傣遴游播惑攀之秘般小予单载被率 亍传输方案靛僖怠率。这楚国予在并行系统予载渡之趣存巍一些稼妒鲻繇。毽嶷努一方鬻，罐载波系统赘容器产奎蟹馨闽窜扰。遮蕊由予串彳予商速蘩传输的每个信息码元的周期短，占用带宽较窕，弗基容瓣莓 入鼙大躲失囊。褥舞 亍健毓懿每个予绩遒上码嚣瘸麓长，占掰带宽窄，而髓不容翁产生鹃闽予扰。谯均衡技术产生之前，虽然菇舒黄埝技术霉簧燹赢翡逢赞滋及它躲藏带鞭飕霉低，毽它怒农惫敬傣遂上实现糯遗率健辕豹蒋散方法。并 亍传输技零靛另一个馁点翅它能羝抗多耱辫式戆辣i 孛啜声。O F D

22、M 技术豹主要崽想就蔻在犊城内将绘定售邋分成许多委交予蕊逶，霞每个子镑灌上镶臻一令予裁滚避行谗铡，并基各予载波辩行传输。蔓二兰堑堡这样，尽管总的信道是非平坦的每个子信道上进行的是窄带传输但是每个子信道是相对平坦的，并且在信号速率相对较低，从而可以大大消除信号波形问的干扰。W e i n s t e i n f 8 1 成功地将D F T 用到并行传输系统中作为调制解调的手段。这样一来，不但可以去掉频分复用所需要的子载波振荡器组、解调用带通滤波器组，并且可以利用快速傅立叶变换( F F T ) 专用器件来实现全数字化的调制解调过程。在过去的2 0 年中，O F D M 技术，或者特别的讲，离散多

23、音频( D i s c r e t eM u l t i T o n e ，D M T ) 9 1 技术，已经得到广泛的应用。曾经制造出多种O F D M话音M O D E M 。但由于没有被标准化组织采纳，而没有成功实现商业化。D M T 已经被采纳作为A D S L 的标准。这种技术能够在普通电话线上实现从电话局到用户的几M b s 速率的数据传输，同时实现从用户到电话局的低速率传输。O F D M 在无线应用中有广阔的前景，尤其在多径环境下具有优良的性能。无线接收机的难点是需要检测出经过时间和频率选择性衰落的信号。O F D M 技术与适当的编码和交织技术结合，对于抗无线信道的干扰具有优

24、良的性能。在以后的发展中，O F D M 得到了更加深入的研究，其应用范围更加广泛。在八十年代，O F D M 的研究已经发展到高速调制解调器、数字移动通信等方面。九十年代，O F D M 的研究开发推广到了无线F M 信道上的宽带通信、数字用户环路( X D S L ) 1 “、数字音频广播( D i g i t a lA u d i oB r o a d c a s t i n g 。D A B ) 1 1 3 1 1 4 J 、高清晰度电视( H i g h d e f i n i t i o nT e l e v i s i o n ，H D T V ) 1 5 , 1 6 1 、无线

25、局域网( W i r e l e s sL o c a lA r e a N e t w o r k ，W L A N ) i t 7 1o 移动通信中的运用也是大势所趋。国内的研究在理论分析和计算机模拟阶段有了一定的成果，在数字用户环路、有线电视网( C A T V ) 【1 8 J 方面有了一些具体的应用，但在无线局域网方面的应用研究较少。1 3 课题研究的背景和意义正交频分复用技术( O F D M ) 的应用已有3 0 多年的历史。第一个O F D M技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双3 一太原理工大学硕士学位论文向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。

26、经过多年的发展，该技术在音频和视频广播领域已得到广泛的应用。目前，欧洲的D A B 系统使用的就是O F D M 调制技术。试验系统已在运行，它明显地改善了移动中接收无线广播的效果。用于D A B 的成套芯片的开发正在一项欧洲发展项目中进行。它将使O F D M 接收机的价格大大降低，市场前景非常看好。当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中就有O F D M 技术。欧洲H D T V 传输系统计划采用C O F D M ( c o d e dO F D M - - 编码O F D M ) J O l 技术。它具有很高的频谱利用率和很高的抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。1 9

27、 9 9 年I E E E 8 0 2 1 l a 通过了一个5 G H z 的无线局域网标准。其中O F D M调制技术被采用为它的物理层标准。E T S I 的宽带射频接入网B R A N( B r o a d b a n dR a d i oA c c e s sN e t w o r k ) 的局域网标准也把O F D M 定为它的调制标准技术。1 9 9 9 年1 2 月，包括E r i c s s o n 、N o k i a 和w i L A N 在内的7家公司发起了国际O F D M 论坛，致力于策划一个基于O F D M 技术的全球性单一标准。现在O F D M 论坛的成员已

28、增加到4 6 个会员，其中1 5 个为主要会员。我国的信息产业部也已参加了O F D M 论坛，并且于2 0 0 2 年7 月宣布辟出专门5 8 G H z 频段，作为无线局域网、无线宽带、蓝牙设备【2 0 1 和交通无线电台等共同使用的频段【2 ”。可见O F D M 在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。随着I E E E S 0 2 1 1 a 和B R A NH y p e r l a n 2 两个标准在局域网的普及应用，O F D M 技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域作出重大贡献。无线局域网得到了人们越来越多的关注。目前，支持I E E E8 0 2 1 1 b 标准的

29、产品已占据了无线局域网主要的市场份额。I E E E8 0 2 1 l b 产品工作频段为2 4G H z 2 4 8 3 5 G H z ，采用直序扩频技术，调制方式为补偿码键控( C C K ) ，空中最高接口速率达到1 1 M b i t s ，有效载荷速率在6 M b i t s 以上。用户通过C S M A C A ( 载波监听多路访问冲突防止) 方式共享带宽。由于I E E E8 0 2 1 l b 提供的带宽有限，而且2 4G H z 的频段已经相当拥挤，随着人们对带宽需求不断的增加，基于O F D M 技术，工作在5 G H z接口速率可达5 4 M b i t s 的I E

30、E E8 0 2 1 l a 标准作为I E E E8 0 2 1 I b 标准的后续技术逐渐成为目前研究的重点。为了早日推出I E E E8 0 2 1 l a 标准产品，我们有必要从O F D M 的基本d 一第一章绪论瓢理入手并在箕实现主进行磷究。O F D M 由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。隧若入们对透倍数据亿、宽带纯、今天纯稻移动亿静需求，O F D M 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。同时现代数字僚号处理技术和超大蕊模专用集成电路( V L S I ) 的发展诡使得快速傅立时交换的实现交的更加容易，使该技术的实现费用擞趋实际，为以后O F D

31、M 广泛应用于通信领域开辟了邋路。1 4 论文各蠢内容提要第二章简单介绍了O F D M 的基本理论，系统结构以及性能特点。第三章绘窭TO F D M 系统酌M A T L A B 仿真分撰。第四章介绍了基于O F D M 的无线局域网以及对它的仿真分析。第五章给崮了W L A N 中O F D M 的算法实现。第六章对论文工作的总绻及今麟萌工作。一5 奎堕翼三查黧堡主妻焦笙苎一一2 1引言第二章0 F D I d 原理在传统的并行传输系统中，整个带宽黩分割厨被送到子信j 萋中，并且频繁没毒纛叠，毽是其最太豹袋点燕频谱裂建率缀低，造成频谱渡费。繇以，人们提出了频谱可以重叠的多载波系统。在O F

32、 D M 系统中各个子信道翡载波褶嚣正交，于是它髓瓣频谱霹淤褶曩重叠，这释不毽藏夺了子裁波间的相互平扰，间时又提高了频谱利用率。在分析O F D M 静饿能之靛，我们有必簧获多载波调潮( M u l t i C a r d e rM o d u l a t i o n ，M C M ) 1 2 2 1 和并行传输的角度去分析这釉调制的基本性能。其基本概念怒将高速率的信息数据流缀串并变换，分割为若干路低速数据漉，每路低速数耀采用个独立约载波调铡并迭热在一越构成发送信号。由于速率降低，信息码元周期增大。如果粥元周期大于多径时延，那么多经的影晚将较少嬲荣到下一令码元，这样裁减少了多径予撬对转埝系统性

33、能的影响。2 2 多载波调制无线信道( 特别是陆地移动信逆) ，由予地厩情况的复杂饿，发射的信号往往楚经过多条路径至g 达接收端，即存在多径传播效应。从而造成接收傣号相纛重叠，产生信号波形闯的楣互予扰，遗戚接收端判凝错误，严重影响信譬传输质量。这种特性称为信道的时间弥散性。在这样的信道特性下豹；孛激昀皮带来约对延扩数姆弓l 起多缎效应，数字绥号在接收端藏螽码元交迭，产生所谓的码间串扰( I S I ) ，造成判决错误，严重影响传输质塞。特裂燕在酶元速率鞍蹇翡情嚣下，更是鲤夔。这是凌子藏辩信号波形的周期很缀在接收端信号波形重叠的程度将进一步加深，信号间的干扰将爨糯严蘩+ 对嚣扩震褥跨越筵多的溺元

34、，造成严蘑舀瓣串挽粒瓣。放翳一一6 一第二章o F D M 琢理个受度餐，当偿号渡形熬黉输速率较毫辩，信号豢宽较宠。当信号带宽接近和超过信道相干带宽时，信道的时间弥散特性将对接收信号造成频率选择牲衰落( 信号耱衰落与颏率有关) 。为了傈 正芷确静数据簧输，必须对信号的健输速率加以限制。因此，可以说时间弥散是使无线倍道传输速率受限的主簧原阂之一弘”。对于一个特定的倍道特性，设计通信系统时必须考虑如何有效的剩用有限的篱道带廉，并在收发设备的复杂度折衷条件下可靠的传输数据信息。对予这种频率响应非理想豹滤波信道，一静办法是在单载波调铡时，以特定的码元速率进行传输，在不改变码元速率并承认有了较严重的多径

35、扩教豹条箨下囊| 强R A K E 接牧瓤遨牙均簿和 偿，采翅扩频鹳将费攫静多径信号能量分离、校正，并加以收集利用，化喾为利，从而设法消除多经予撬煞影羲强”。另外种方法则是采用多载波调制( M C M ) ，将特定带宽的非理想线经信道捌分爻N 个近鑫鬟线经豹子倍遂，在镰令予信道中黻I N 褐元遮率瓣低速码流进行传输。数据传输速率低后，鹤元周期长，只要时延扩展与码元蔺期之院小予定的值，裁不会造成码阉串挽。因而，觚本质上说，多载波调制对信道的时殛弥散不敏感，或者诞具有抗时延弥数的特性。使用革载波调制进行高速率传输时必须加均衡器，而用多载波调制不加均衡器也髓获 导较好的性魁n l 。为了详细说明这一

36、点，我们假设C ( f ) 为带宽矽的带限非理想信道的频率响应，审。( 。D 为艇性麓戆自噪声麴功率谱密度。将W 划分戒N = W ，v 个带宽为V 的子倍道。假设，足够小，以便I C ( f ) L - 中( ，) 近织为豢数。强黠，还鬣考虑到，发瓣极匏乎I 毒发袈功率乒I 一定，锻设功率谱密度为P ( f ) ，由此得到以下的约束条件：_ P ( 厂) 影茎只。( 2 1 )根摇番农公式，瑾慧带限鑫薅瘊信邋静信遴容量为：c 硼( t + 彘)眩z ，这里C 为售遴容量，擎袋为b i t s ，W 为信逶豹带宽，蠢名，为发辩橇查堕堡三查黧堡主鲎焦塑兹平均发瓣功率。在多载波系统孛，筹盎歹足够小

37、，剩子蘑遭瓣容量为：c 删小等等隰s ，嚣诧，蓓邋熬怒容量秀：c ：争c ：够萝l o g ；l |(24)2P ( f , ) l C ( f ) 1 2g 。善= 够百 n 虿万l( 2 _ ，；If = lV 舢、J ，I当A 加e 敬辍袋薅，磷定整条信遴戆容量( 犟佼笼b i t ，s ) 凳：。S w l o g s h 掣警| 够混弱伐入( 2 ，1 ) 式确定戆p ( f ) 2 4 j 窳条辞，使C 簸大纯熬尹 t ，。O F D M 是将原信号分割为N 个子信号，分割后码元速率为R N 、周期为瓦= N t 。，然后用N 个子信号去分别调制N个相互正交的子载波。设第k 个符号

38、故调制第k 个载波( 表示第k 道载频的幅度和相位) 为e x p ( j 2 矾r ) ，则O F D M 调制信号可以表示为：N - ID ( r ) = d ( n ) e x p ( j 2 n f t )，【o ，T s ( 2 9 )n = 0这里政疗) 为第F 个调制码元，B 为码元周期，各子载波的频率满足下列关系：五= f o + k 瓦，k = O ，1 ，一l( 2 1 0 )载波的基本单元信号为：1 4 墨三雯Q ! 里塑垦望J f ( t ，七) = e j 2 t c k t , 0 s ，l f ( t ，七) = 0 ，其他，故这些基本的单元信号满足正交性：鼢篇跋

39、) d r 啦扩d t ：瓦嚣K 亿z ，憎巾，七) 矗+ ( ，膏7 = f 、胁，女) 22 瓦，= P在接收端，输入信号分成N 个支路，分别用各子载波混频和积分，恢复出子载波上调制的信号，再经过并串变换和常规Q A M 解调就可以恢复出数据。由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效地分离各个子信道，如下式所示：o ( 脚) = f 。艺m ) e x 町州) e x 巾，吖) 础2 毒丢m ) 卜刚( ( O n - - 6 0 m ) f ) 出( 2 = 去弘，脚c 骂P ，= d ( m )图2 - 6O F I 】 I 的调制解调原理图一1 5 奎堕堡三盔兰堡主堂垡堡苎一2 5

40、0 F D M 系统性能特点O F D M 的本质是一种多载波并行传输系统，它将待传输的信息分到多个载波上分别传送。这样一来，每个子带的传输速率就比整个信道带宽小得多。也就是说，经过调制的符号的持续时间变大，可能比反射扩展时间大得多。如果相邻符号之间插入保护间隔，这样多经衰落可能不产生任何符号间干扰3 4 1 。由于并行系统的特点，O F D M 系统对脉冲干扰的抵抗力比单载波系统大得多，这是因为对O F D M 信号的解调是在一个很长的符号周期内积分，从而使脉冲噪声的影响得以分散。事实上，对脉冲噪声强大的抑制作用是最初研究M C M 的动机之一。提交给C C I T T 的测试报告表明，能够

41、引起M C M 系统发生错误的脉冲噪声的门限电平比单载波系统高1 1 d B 。由于O F D M 系统把信息分散到许多个载波上，大大降低了各子载波的信号速率，使符号周期比回波延迟长，从而能够减弱多经传播的影响。2 51 调制方式O F D M 系统的各个载波可以根据信道的条件来使用不同的调制，比如B P S K 、Q P S K 、1 6 Q A M 、6 4 Q A M 等等。以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大频谱效率。多经信道的频谱选择性衰落会导致接收信号大幅下降，达到3 0 d B 之多，信噪比也大幅下降。使用与信噪比相匹配的调制方式

42、可以提高频谱利用率。众所周知，可靠性是通信系统运行是否良好的重要考核指标，因此系统通常选择B P S K 或Q P S K 调制。这样可以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制的频谱效率太低。如果使用自适应调制，那么在信道好的时候终端就可以使用效率较高的调制。同样在终端靠近基站时，调制可以由B P S K ( 1 b i t s H z ) 转化成1 6 - 6 4 Q A M ( 4 6 b i t s H z ) ，整个系统的频谱利用率得到大幅度的改善，自适应调制能够使系统容量翻番。但任何事物都有其两面性，自适应调制也不例外。它要求信号包含一定冗余比特，以告知接收端发射信号所采用

43、的调制方式，并且，终端需要定期一1 6 第二章O F D M 原理更新调制信息，这又势必会增加更多的冗余比特。O F D M 技术使这个矛盾迎刃而解。通过采用功率控制和自适应调制协调工作的技术，信道好的时候，发射功率不变，可以采用高效调制方式( 如6 4 Q A M ) ，或者在低效调制( 如Q P S K ) 时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡1 3 5 , 3 6 o失真与频偏也是在选择调制时必须考虑的因素。信道衰落以及延迟失真的影响使得各个子载波以不同的幅度和相位接收。同时多经传播引起的失真也可能使各子信道把能量扩散到相邻信道，从而产生带间干扰I C I ( I n t e

44、r c h a n n e lI n t e r f e n c e ) 和码间干扰I S I ( I n t e r S y m b o lI n t e r f e n c e ) ，使各载波失去正交性，在接收端不能正确恢复出信号。传输的非线性会造成互调失真( M D ) ，此时信号具有较高的噪声电平，信噪比一般不会太高。失真和多普勒频移造成的频率偏移使信道间失去正交特性。仅仅1 的频偏就会使成信噪比下降3 0 d B 。自适应调制要求对信道的性能有充分的了解，如果在差的信道上使用效率较高的调制方式，那么就会产生较高的误码率，影响系统的可靠性。O F D M 系统的导频信道或参考码字可以用

45、来测试信道的好坏。发送一个已知数据的码字，在满足通信极限的情况下测量出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最合适的调制方式。2 5 2 信道编码在有强反射干扰的情况下，不同反射的某种组合可能使得某个载波受到严重衰减，而另一些子带可能被放大。如果信号能量增加是由于那些相互延时超过带宽倒数的不同反射引起的，那么在接收机的输入端的信噪比会提高。由于一部分子带被严重衰减了，为了利用这些能量增加的子带，所以就需要在O F D M 系统中加入强有力的信道编码措施。编码将时域交织和频域交织结合在一起，其作用是在那些不周子带上传输的数据之间以及同一子带上前后数据之间建立一种联系。这样，利用接受效果较好的子带

46、上的数据与严重衰落子带上数据之间的联系，可以恢复这种受到破坏的数据。编码和交织应用于O F D M 可以看作是一个在整个传输带宽和整个交织深度上平均本地衰落的工具。一1 7 一奎堕里三查兰堡圭堂垡鲨壅一2 5 3 多天线O F D M 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰。这就允许单频网络( S F N ) 可以用于宽带O F D M 系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。多天线系统非常适用于无线局域网。一般的局域网由于阴影效应，信号无法完全覆盖，需要使用中继器。对

47、于传统系统来说，中继器可能会带来多径干扰。但O F D M 不存在这个问题，它的中继器可以加在任何需要的地方，不仅可以完全覆盖网络，并且可以消除多径干扰。2 6 本章小结本章在分析多载波调制以及并行传输体制的基础上阐述了0 F D M 的基本原理，正交频分复用采用并行传送的方式，利用傅立叶变换( F F T ) 算法实现调制，降低了码速率。数据帧之间插入保护间隔，可以较好克服符号间串扰( I S I ) 。通过分析可以看到0 F D M 有以下的优点：1 ) 、O F D M 技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统

48、中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道可以采用纠错码来进行纠错。2 ) 、有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波及其携带的信息受到影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。3 ) 、通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。0 F D M 技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。4 ) 、可以选用基于I F F T 厂F F T 的O F D M 实现方法，即采用快速傅

49、立叶一1 8 篁三兰Q ! 里竺堕里一一5 ) 、信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要一当子载波个数很多时，系统的频谱利用率会趋于2 B a u d H z 。当然O F D M 也有它自身的不足之处，比如峰均值比较大、对频偏和相位噪声敏感等等，随着人们对O F D M 的进一步研究，相信它的缺点会被克服的。随着I E E E 8 0 2 1la 协议、E T S IB R A N ( B r o a d b a n dR a d i oA c c e s sN e t w o r k ) 和多媒体虚用的引入，无线通信领域已经为O F D M 技术的应用做好了准备。9奎堕堡

50、三查兰堡主堂垡丝苎一一一3 1引言第三章O F D M 系统仿真分析如前所述，O F D M 系统可以用离散付立叶变换( D F T ) 1 3 7 1 来实现，并能够采用高效率的快速付立时变换( F F T ) 技术1 3 8 】。这是O F D M 的优点之一。在用M A T L A B 对该系统进行仿真分析之前，我们有必要给出O F D M 的F F T实现原理。在本章里我们通过M A T L A B 仿真分析了O F D M 的基本原理，研究了输入信号信噪比、载波数目N 和保护时间J 对O F D M 系统性能的影响，并得出了一些结论。在实际O F D M 系统设计的过程中是非常重要，