【毕业学位论文】(Word原稿)OFDM关键技术的研究及其通信系统仿真设计-电子信息工程

本科毕业论文（设计） 题 目 键技术的研究及其通信系统仿真设计 学 院 _电子信息工程学院 _ 专 业 _ 电子信息工程 _ 年 级 _ _ 2007级 学 号 222007315222035 姓 名 _ _ 汪洋 指 导 教 师 _ _ 王进华 成 绩 _ 2011 年 4 月 30 日西南大学本科毕业论文 键技术的研究及其通信系统仿真设计 汪 洋 西南大学电子信息工程学院，重庆北碚 400715 摘 要： 意为 正交频分复用技术，是多载波（ 调制技术之一。其主要思想是： 利用 相互正交的 多个 子载波 进行数据的 并行传输， 调制与解调 由 快速傅里叶变化 （ 实现 。与普通的通信系统相比 ， 信系统的优点表现为 频带利用率高和抗多 径干扰能力强等，因此 在 很多无线环境下 应用 广泛，例如 无线局域网 ） 、 数字视频广播 ） 、 清晰度电视）。 文章首先介绍了 术的发展 过程 、应用及 其 关键技术原理，接着提出了一个基于 信系统实现方案，最后 利用 件对 输性能进行仿真并与 16交振幅调制，一种 传统的单载波调制方式）的性能进行了比较， 仿真 结果表明 强。 关键词： 正交频分复用 （ ； 速傅里叶变换；仿真 西南大学本科毕业论文 400175, is a s is of of in so it in as a to to to a a 16in 南大学本科毕业论文 录 一、绪论 1 二、 统的基本原理 2 交调制解调 . 2 统组成 . 5 并转换 . 5 道编码 . 6 载波调制 . 6 护间隔 . 6 术的优点 . 7 干扰能力强 . 7 谱利用率高 . 7 统结构简单 . 7 术的缺点 . 7 均功率比）值较高 . 7 载波相位噪声和频率偏移敏感 . 8 关键技术 . 8 域和频域同步 . 8 道估计 . 8 低峰均功率比 . 8 三、 统的 制算法设计 9 号的 述 . 9 低峰均功率比（ 用的方法 . 9 号预畸变技术 . 10 码类技术 . 10 率类技术 . 11 法抑制 析 . 11 择映射（ . 11 分传输序列（ . 13 法仿真结果对比与分析 . 14 四、 统的同步算法设计 15 统中的同步问题及其影响 . 15 统的同步算法概述 . 15 种基于 环前缀同步算法的分析 . 16 五、 统的信道估计 19 道估计概述 . 19 于导频信息的信道估计算法 . 19 S 信道估计算法 . 20 道估计方法 . 20 六、 信系统设计 22 西南大学本科毕业论文 射机设计 . 22 道编码 . 22 制 . 22 导频 . 22 阵变换 . 23 换 . 23 循环前后缀与升采样 . 23 字上变频 . 23 收机设计 . 24 统仿真参数 . 24 统性能仿真 . 25 七、总 结 26 参考文献 27 致 谢 28 附 录：程序源代码 29 西南大学本科毕业论文 、 绪论 随着通信 技术上的飞跃发展 和 要求的不断增长， 当今通信技术领域的主要趋势便是宽带化、高速化 。在 大部分 实际信道中 ，例如 移动信道 ， 多径衰落现象 经常发生，带来极为 严重的符号干扰（ ,致使 传输速率的提高 受到限制 。 我们可以采 用自适应均衡技术来解决，但是 这种方法较为传统， 自适应均衡器的制作、调试 的复杂度和成本 随着传输带宽的不断增加 而 增加 。正是因为这样 ， 术以其卓越的性能 在第四代移动通信技术 以及无线宽带接入 中 成为继 后的又一核心技术。 全称为 为正交频分复用。20 世纪 60 年代， 思想首先被提出，人们针对多载波调制做了大量的理论工作，证明了多载波调制技术对于优化通信系统的传输性能起着很大的作用；进入 19 世纪 80年代， 研究工作取得了更深一步的进 展，这时人们首次公开发表了有关 用 20 世纪 90 年代，由于大规模集成电路技术的进步和 术的迅猛发展， 面巨大的价值开始引人注目。时至今日， 术 发展已经非常成熟，广泛 应用于 字音频广播）、 对称数字用户环路）、 字视频广播）、 线局域网） 、 清晰度电视） 等系统中。 1999 年， 获准通过的 5线局域网标准 开始就采用 制技术 作为它的物理层标准。今天高速发展的 4G 通信技术也把 制技术定义 为它的核心技术。 西南大学本科毕业论文 、 统的基本原理 多载波传输 的主要目的是先 把 高速 数据流分 为若干个独立的 低速 子 数据流 ， 然后 用这 些 速率 低得 多 的多 状态符号去调制相应的子载波， 这样便形成了 多个低速率符号并行发送。 术 作为 多载波传输方案的 最重要的 实现方式 ， 调制 通过 快速傅里叶逆变换（ 来实现，相应地 快速傅里叶变换（ 可以 实现解调 功能 ， 这种多载波传输方式 实现 起来 复杂度最低 ，因此 应用 范围 最广 。 交调制解调 要思想是： 用 N 个子载波把整个信道分割成 N 个子信道，即将频率上等间隔的 N 个子载波信号调制并相加后同时发送，实现 N 个子信道并行传输信息。这样每个符号的频谱只占用信道带宽的 1/N，且使各子载波在 号周期 T 内保持频谱的正交性。 如图 a） 所示为 4 个子载波 包含 在 一个 号内 的实例。 理论上认为 ，所 这些 子载波 的 幅 度 和相位 是相同的 ， 然而 在实际应用中， 由于 数据符号 调制方式 的差别 ，每个子载波 具有不 同的幅值和相位。从图 a）中 不难发现 ，在一个 号周期内 ， 每个子载波 都包含整数倍个周期， 同时 相邻的子载波之间相差 的 周期 数为 1 。子载波间的正交性 可以利用 这一特性解释 ，即满足： 01,10,j w t j w t e d （ 式 此外， 从频域角度来看，我们也不难解释这种正交性 。 由于在 号 周期 多个非零的子载波 均包括在每个 号内 ，则其频谱便可被认为 是 一组 函数 （这些函数位于各个子载波上） 与 周期为 T 的矩形的傅里叶变换 的卷积。 图 b）绘出 了符号 数频谱 ，它由 在 相 互 覆盖的各个子信道内经过矩形波成形得到 。 如图所示 ，在 一 个子载波频率 所对应的 最大值 时 ，所有其他子信道的频谱值恰好为零。因 此，在系统的接收端需要对 号进行解调， 这时 这些点上所对应的每个子载波频率的最大值 需要计算 ，所以 在保证 不会受到其他子信道的干扰 的情况下， 可以从多个互相重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号。 因此这种频谱 特点可以避免 出现。 西南大学本科毕业论文 a） 4个子载波 包括 在 号内 的情况 a） b） 载波 频谱 b） of 南大学本科毕业论文 发送端，串行码元序列经过数字基带调制、串并转换，将整个信道分成 N 个子信道。 N 个子信道码元分别调制在 N 个子载波频率0 1 1, , . . . , , . . . ,f f f 上，设邻频率相差 1/N，则n /cf f n T， 0 , 1, 2 , , 1 ，角频率为 2，0 , 1, 2 , , 1 。 在发送端，待发送的 号 D(t)为： （式 在 接收端 ，将 接收到的信号进行解调 ， 如下 所示 ： 1200 011 ( ) ( ) ( )m n f t j w t j w m D t e d t X n e e d （式 1001( ) , 0 , j w t j w n e e d t t 由于 号周期 T 内各子载波是正交的，正交关系如式 示。所以，当n=m 时，调制载波足相干解调的条件，( ) ( ) , 0 , 1 , 2 , , 1X m X m m N ， 恢复了原始信号；当 时，接收到的不同载波之间互不干扰，无法解调出信号。这样就在接收端完成了信号的提取，实现了信号的传输。 在式 ，设 1 2/0( ) ( ) , 0 , N j n t t X n e t T （式 若 1 个 T 内 ()采样频率 1 / ( 1 / = / )sf t t T N 其 中被采样，则可得 N 个采样点。设 , / /t k t n t T n k N ，则 1 2/0( ) ( ) , 0 , 1 , 2 , , 1N j n k k X n e k N （式 式 是序列 ( ) , 0 , 1, 2 , , 1X n n N 的 N 点 结果，这表明 带调制过程 可利用 算可完成 。 相应地在接收端， 对 ()行 算， 即可恢复西南大学本科毕业论文 原始的数据符号 ()得 ： 12/0( ) ( ) , 0 , 1 , 2 , , 1N j n k n y k e n N （式 综上所述 ， 以分别完成 统的调制和解调功能 。在 实际运用中，为了降低算法的复杂度，我们可以采用 速傅里叶反变换 /快速傅里叶变换） 。 统组成 图 信 系统 的原理 框图。 在 发送端 ，先将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，再 进行 数据由频域 变 换到时域上；在 接收端 ，实际上是 进行 与 发送端相反的操作， 利 用 行信号解调 ， 同时将采集出来 的 子载波的幅度和相位被转换回数字信号。 O F D M R e c e i v e rC h a n n e l M o d e D M T r a n s m i t t e r R a n d o mD a t aG e n e r a t o G NG u a r dI n t e r v a lR e m o v a lS e r i a l - t o -P a r a l l e lC o n v e r t e TP a r a l l e l -t o - S e r i a lC o n v e r t e rD i d i t a lD e m o d u l a t i o nD e c o d eS e r i a lD a t aO u t p u t. . . . . .S e r i a l - t o -P a r a l l e lC o n v e r t e rC o d eD i d i t a lM o d u l a t i o F TP a r a l l e l -t o - S e r i a lC o n v e r t e rG u a r dI n t e r v a lI n s e r t i o n. . . . 信 系统 的原理 框图 串并转换 在 信 系统中，每个传输符号速率的大小大约在 40000型值 )之间，串并转换 的作 用 是将输入串行比特流转换成可以 在 统中 传输的信号。因为调制模式可以自适应调节，所以每个子载波的调制模式是可以变化的，因而每个子载波可传输的比特数也是可以变 化的，故串并变换需要分配给每个子载波数据段的长度也西南大学本科毕业论文 不一样的。 接收端执行 与发送端 相反的过程， 即将 从子载波处传来的数据 转换为 串行数据。 道编码 在 信系统中， 信道编码（通常还伴有交织）是 为了 提高数字通信系统的性能 而 普遍采用的方法。 当 在 信道衰落不 太严重 的情况下 ， 由于 统自身具有利用信道分集特性的能力 ， 种调制方式本 身 已经 利用了 一般的信道特性信息 ，因此 均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的 。 然而 ， 我们可以 在子载波间进行编码， 因为 统 独特 的结构 ，这样便可 形 成 前置编码 信道 编码 可以采用的 码 型较多 ， 常用的有 分组码、卷积码 。它们各有优缺点： 分组码的编解码实现 起来比较 简单 ，但是 卷积码的效果 却 比分组码好 。 载波调制 子载波的数字调制 在 传输信号进行信道编码后 进行，通常 采用 式对编码后的子载波进行，形成 载波幅度和相 位的映射 。 根据子信道的干扰情况 ， 各子载波 可以 采用 不 同的 进制数 甚至 调制方式 ， 这使得 持的传输速率 的 变化 范 围比较大。 护间隔 为了 减小 号码元间由于信道的时间离散型所引起的码间干扰（ 可以引入保护时间间隔（ ,见图 护 时间 间隔是循环复制，即 号 最前面 的信息由每个 号最后的一般 将这一部分 称为循环前缀（ 保 护间 隔保 护间 隔I F F T g T F F TT N - 1 符 号 N + 1图 号 在带有保护间隔下的示意图 南大学本科毕业论文 术的优点 干扰能力强 术的抗干扰能力可以分为两部分：一是可以大大减少 为 主要思想是把高速数据流通过串并传换分解为低速的多路子数据流，这样由于信道的最大时延拓展远小于调制符号的持续时间而使系统对信道时延拓展的敏感程度大大降低；二是 可以很好地克服多径效应带来的 是通过添加循环前缀来实现的 。 谱利用率高 术所具有的一个巨大的优势在于它 允许 相互正交的子载波频谱 重叠，因此频谱资源 可以得到最大限度地利用 。 为了对比 制技术与 制技术频谱 利用率，给出了如图 示 的 制技术频谱对比 图 。 图 制技术频谱对比图：（ a） 制技术（ b） 制技术 of DM (a)(b) 系统结构简单 相对于 单载波通信系统而言， 统自身所具有的优良的抗多径干扰能力和直观的信道估计方法使其 无需设计复杂 的 均衡器。此外， 着大规模集成电路和 术的发展 实现起来 也非常简单，这样 统调制解调的复杂性也大大降低。 术的缺 点 峰均功率比 ） 值 较高 在时域上， 号 有时会出现较大的峰值，这时因为 号是有多路子载波叠加而成，例如有 N 路子载波，那么当这 N 个信号恰好均处于峰值且相加时，此西南大学本科毕业论文 号的峰值最大即为平均功率的 N 倍。因此，为了能够传输这些 均功率比 )值较大的 号，发送端的 高功率放大器（ 时就要求具有较高 的 线性度，同时放大器 的发送效率很低。在接收端，系统对前端发送器以及 A/D 转换器的线性度都要有很高的要求。所以， 统的性能 就会受到极大的影响，甚至实际应用也会受到影响。 载波相位噪声 和频 率偏移 敏感 相位噪声和频率偏移是 统的两个主要缺点，它们都会导致子信道干扰，影响系统性能 ：（ 1） 相互覆盖 的 子信道 频谱 要求 它们之间 必须具有 严格的正交性 ，然而在传输过程中 ，经常会 出现 发射机与接收机本地振荡器之间存在频率偏差 或信号频谱偏移 ， 这些都会 破坏 统子载波之间的正交性，导致子信道间干扰（ （ 2） 相位噪声在一定程度上 导致频率扩散， 随之 产生 。 关键技术 如前所示， 统有很多缺点，为了充分利用 优势，提高基于 要解决制约其发展的一些关键难点，主要包括： 域和频域同步 定时和 频偏对 统具有非常显著的影响，尤其是当 术与其他多址技术结合使用时，频率和时域同步更加不可忽略。与一般的数字通信系统一样，同步可分为两个阶段：捕获和跟踪。下行链路同步实现的方法较为简单，我们可以通过向各个终端广播式发送同步信号来实现。然而在上行链路中，为了保证子载波之间的正交性，必须使各个终端发来的信号 同步到达基站。 这时基站可以从发来的子载波信息中提取频域和时域的同步信息，再发送 到各个终端，便达到了终端同步进行的目的。 道估计 统中， 需要设计信道估计器。它的设计主要面临两方面的问题：一是导频信息的选择问题。因为无线信道 的衰落特性使得系统需要不断跟踪信道特性，所以不断地传输导频信息； 二是信道估计器最好具有良好的导频跟踪能力以及较低的复杂度。 低峰均功率比 降低 号的 ，对 信系统的性能改善具有相当重要的意义 ，许多通信领域的学者先后提出了许多方法 。 到目 前为止 ，可以将主流的降 技术分为以下三类：（ 1）信号畸变技术；（ 2） 概率类技 术；（ 3） 信号编码技术。 西南大学本科毕业论文 、 统的 制算法设计 号的 述 统 主要缺点之一是 具有较大的峰均比（ 定义为： m a x 21 0 l g ( )( 2 ) P R d 式 式中：后得到的输出信号。 统中 ，对 位相同的 子信号 进行求和 ， 则求和后的 信号的峰均功率 等于 平均功率的 N 倍， 根据定义此时基带信号的峰均比应 为 10例如令 N=16，可以观察到 统中存在较大 时的现象，如图 示，此时平均功率 是峰值功率 的 116。 图 号存在 6 的情况 he 6 低 峰均 功率比（ 常用的方法 如前所述 ,文章将就 降低 号 三 类 常用方法 ：信号预畸变技术、编码类技术和概率类技术 做简要介绍。 这三种算法均有优缺点，而且它们的着眼点不同。 西南大学本科毕业论文 信号预畸变 技术 限幅和压缩扩张变换 是 信号预畸变技术 常采用的 两种方法 。 （ 1）限幅 限幅是目前为止所有方法中最简单的一种，属于非线性方程，它的主要原理是直接对 号幅度峰值或附近 的部分进行非线性操作以达到 降低信号 目的。非线性是因为限幅相当于对原始信号加窗处理。限幅技术的优点是它实现简单且适用性很强， 缺点是 它的非线性，这种非线性会导致信号的畸变，因此这种方法造成的干扰会使 能下降。另外，限幅还会导致频谱泄露（带外频谱的辐射），这种辐射可以利用改变窗函数类型（例如汉明窗、凯塞窗等）进行改善，但实际上效果并不明显。 （ 2）压缩扩张变换 压缩扩张变换是将输出信号 y 转换为输入信号 x 的非线性函数，是一种基于 u 律非均匀量化的变换函数。它的主要原理是将幅值 较小的信号功率放大，同时幅值较大的信号功率保持不变。这样做的目的是可以降低 以整个系统平均功率增大为代价的。 这种信号畸变方法的优点在于简单易于实现，子载波数的增加也不会导致计算复杂度增加；缺点是信号失真以及要求系统具有很高的平均发射功率。 码类技术 编码类技术是选择用不同编码技术所产生的码组中 小的作为 码组进行数据的传输。这种技术为线性变换，不会产生信号失真。但是计算和编码却相当复杂，而且信息传输速率衰减很快。所以这只适合子载波数少 的情况。编码类技术的方法有：分组编 码法、雷德密勒、格雷补码序列 等。 编码类技术之所以能降低 的原因是利用预编码技术，这就是先对信号进行特殊的处理例如特殊的编码方式，然后在将处理后的信号进行运算，这不仅可以降低还相当于信道编码。 使用格雷互补序列的方法就是这么个例子，先将序列变成 后再将其进行相应的运算，这样就可以降低 。应用格雷互补序列方法最大的优点就是子载波的多少都不会影响 的降低，但是当子载波数越多，相应的计算会变得非常的复杂，所以对于子载波数多的情况，这种方法也不是很适合。 编码类技术既有优点 也有缺点。优点是：系统简单、稳定、效果好。缺点是：系统受编码方式的限制、子载波数的多少直接影响计算量的大小、编码会引入一定的冗余信西南大学本科毕业论文 使得编码速率有所下降。 率类技术 概率类技术的主要着眼点在于通过利用相应算法使峰值出现的概率