基-于-OFDM-的-802.11a-系-统

1、 题 目 基 于 OFDM 的 802.11a 系 统 学生姓名 李 阳 学号 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 电 子 1101 班 指导教师 吴 燕 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015年 6 月 2 日摘 要1Abstract2第一章 绪论31.1 无线通信发展及意义31.2 无线通信研究方向3第二章 IEEE802.11a物理层标准介绍52.1 OFDM基本原理52.2OFDM的帧结构52.3OFDM的编程过程62.4 802.11a的系统参数72.5OFDM的结构框图92.6星座映射92.7 串并变换和FFT102.8插入循环前缀1

2、02.9对于OFDM调制过程的理解11第三章 802.11a仿真平台的搭建123.1 仿真模型和链路参数设置123.1.1 802.11a链路编解码参数123.1.2 插入导频133.1.3循环前缀的引入以及时延分析133.1.4加前导训练符号133.2 编码143.2.1 信道编码143.2.2 交织153.3 子载波的调制与解调153.3.1 调制153.4 解调183.5 基于链路同时使用发射接收分集的性能仿真193.6 信道模型193.7 信道估计19第四章 总结22参 考 文 献23摘 要 本文在分析与总结相关文献的基础上，介绍了OFDM(正交频分复用)的基本原理，研究基于IEEE8

3、02.11a标准的物理层仿真平台的搭建。IEEE802.11a无线局域网，其物理层采用了正交频分复用技术（OFDM）。同时，本文还分析了标准物理层的关键技术（信道估计技术，同步技术）和基本原理。链路的搭建在着重研究调制解调技术的同时，还侧重研究了同步技术对整个链路的影响，并用仿真工具Matlab对其进行了仿真分析。 全文可分为四个部分：无线通信系统的发展和研究，OFDM系统的基本原理，IEEE802.11a物理层规范，IEEE802.11a仿真平台搭建及链路性能仿真分析。其中仿真链路又分为三个部分：发送端，信道，接收端。得到信道采用单径Rayleigh衰落信道，分别采用QPSK和16-QAM调

4、制时，接收机端采用理想信道估计和利用训练符号进行信道估计时的误比特率性能。关键词：OFDM; IEEE802.11a；调制解调；单径Rayleigh衰落信道；信道估计；误比特率性能AbstractBased on the analysis and summary on the basis of relevant literature, describes the OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) and the basic principles, and discussed one of the key technologies

5、. Research is based on IEEE802.11a standard physical layer simulation platform structures. IEEE802.11a WLAN, the physical layer uses the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology. At the same time, the key techniques of the standard physical layer (channel estimation, synchronizat

6、ion technology) and basic principle are also analyzed. The link is focused on the study of the modulation and demodulation technology, and the effect of the synchronization technology to the whole link is studied, and the simulation analysis is carried out with the simulation tool Matlab.Full text c

7、an be divided into four parts: the development and research of wireless communication system, the basic principle of OFDM system, IEEE 802.11a physical layer specification, IEEE802.11a simulation platform to build and link performance simulation analysis. The simulation link is divided into three pa

8、rts: sender, channel, receiver. The channel with single path Rayleigh fading channel, respectively, using QPSK and 16-QAM modulation and the receiver with ideal channel estimation and utilizes the training symbols to estimate the channel bit error rate performance.Key Words: IEEE802.11a, OFDM, Modul

9、ation and demodulation,Single channel Rayleigh fading channel，Channel estimation，Bit error rate performance第一章 绪论1.1 无线通信发展及意义 目前，无线通信及其应用已成为当今信息科学技术最活跃的研究领域之一。其一般由无线基站、无线终端及应用管理服务器等组成。 无线通信技术按照传输距离大致可以分为以下四种技术，即基于IEEE802.15的无线个域网（WPAN）、基于IEEE802.11的无线局域网（WLAN）、基于IEEE802.16的无线城域网（WMAN）及基于IEEE802.20的

10、无线广域网（WWAN）。 总的来说，长距离无线接入技术的代表为：GSM、GPRS、3G；短距离无线接入技术的代表则包括：WLAN、UWB等。按照移动性又可以分为移动接入和固定接入。其中固定无线接入技术主要有：3.5GHz无线接入（MMDS）、本地多点分配业务（LMDS）、802.16d；移动无线接入技术主要包括：基于802.15的WPAN、基于802.11的WLAN、基于802.16e的WiMAX、基于802.20的WWAN。按照带宽则又可分为窄带无线接入和宽带无线接入。其中宽带无线接入技术的代表有3G、LMDS、WiMAX；窄带无线接入技术的代表有第一代和第二代蜂窝移动通信系统。 从技术发展

11、的趋势可以看出，以OFDM+MIMO为核心的无线通信技术将成为未来无线通信发展的主流方向。而目前基于该技术的无线通信技术主要有：B3G、WiMAX、WiFi、WMN等4种技术无线通信与个人通信在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通信、从FDMA到CDMA的巨大发展，目前又有新技术出现，比以CDMA为核心的第三代移动通信技术更加完善，我们称之为“第四代移动通信技术” 20世纪90年代, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信,作为一种高效传输技术备受关注，并已成为第4代移动通信的核心技术

12、点，现以成功运用于非对称数字用户环路ADSL，数字音频广播DAB，高清晰度电视HDTV，高速WLAN和数字视频广播DVB等系统中。多用于军用无线战术网通信、卫星通信链路以及无人高速、大容量的通信链路中。1.2 无线通信研究方向 现代社会对通信的依赖和要求越来越高，于是设计和开发效率更高的通信系统就成了通信工程界不断追求的目标。通信系统的效率，说到底就是频谱利用率和功率利用率。特别是在无线通信的情况下，对这两个指标的要求往往更高，尤其是频谱利用率。由于空间可用频谱资源是有限的，而无线应用却越来越多，使得无线频谱的使用受到各国政府的严格管理并统一规划。于是，各种各样的具有较高频谱效率的通信技术不断

13、被开发出来。OFDM是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力，是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一。OFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少得多。由于使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带。这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道上的数据。为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上OFDM信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道

14、上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。它具有良好的抗IsI和高频谱利用率特性，但是对频率偏差和峰均比(PAPR)非常敏感。因此，基于不同的信道模型，对OFDM系统的同步实现、降低PAPR 一直是研究的核心课题。由于OFDM的具有的优势，它成为现在的无线局域网的主流技术，而802.11a作为第一个采用该技术的802.11标准，研究它的链路系统的搭建对于研究之后的8

15、02.11g和802.11n有着深远的意义。本论文主要是对IEEE802.lla协议的研究，用仿真工具Matlab对此协议进行物理层仿真平台的搭建，并对仿真结果进行分析。第二章 IEEE802.11a物理层标准介绍 无线网络是无线通信中的一个重要的应用，根据网络范围的大小又可以划分为局域网、城域网和广域网。IEEE为无线网络专门制定了相关的标准，802.11和802.16就属于这方面的标准。其中802.11针对范围更小的无线局域网。 无线局域网（WLAN）对在一个小的范围内（比如办公室内）联入Internet给予了极大的方便，只要你处于支持WLAN的区域，再外加一个无线网卡，就可以轻松地接入网

16、络。特别是对笔记本电脑来说，这种方便更为明显，可以省去再连接网线的困扰，而且移动性能被大大加强了。可以说，正是笔记本电脑上网的问题促进了WLAN的发展，并使得WLAN变成了一个热门的技术。 802.11标准包括802.11a、802.11b、802.11g等等一系列标准，各自采用不同的物理层技术，其中802.11a即采用了OFDM技术。802.11标准的制定开始于1997年，被设计成为一个支持1M至2Mbps速率的系统。但是这个速率还是不能满足人们的要求。1999年802.11a标准通过，它应用于5GHz的频段，并且最高支持54Mbps的速率。其它这个速率也还不是很高，但是它毕竟把WLAN速率

17、的最高界限提高到了54Mbps。2.1 OFDM基本原理OFDM是一种多载波传输技术，N个子载波把整个信道分割成N个子信道，N个子信道并行传输信息。OFDM系统有许多非常引人注目的优点。第一，OFDM具有非常高的频谱利用率。普通的FDM系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔（频带），以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。OFDM系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠，但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，OFDM系统的各子信道信号的分离（解调）是靠这种正交性来完成的。另外

18、，OFDM的个子信道上还可以采用多进制调制（如频谱效率很高的QAM），进一步提高了OFDM系统的频谱效率。第二，实现比较简单。当子信道上采用QAM或MPSK调制方式时，调制过程可以用IFFT完成，解调过程可以用FFT完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。第三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的OFDM系统均采用循环前缀（Cyclic Prefix，CP）方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性的破坏，因此OFDM系统具有很好的抗多径干扰能力。OFDM的子载波把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道是有可能是极不平坦的

19、衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的，这使得OFDM系统子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可。2.2OFDM的帧结构 IEEE802.11a关于无线局域网的规定中，其物理层汇聚协议（PLCP，Physical Layer Convergence Protocol）采用的是OFDM调制的技术标准。802.11a对OFDM的帧结构作了具体的规定，如图2-1所示，PLCP协议数据单元（PPDU，PLCP Protocol Data Unit）包括OFDM PLCP报头（Header）、PSDU、尾（Tail）比特以及填充（Pad）比特。图2.1 PPDU帧结构 其中，报头包括速

20、率（Rate）位，保留（Reserved）位、长度（Length）位、奇偶校验（Parity）位、尾比特和业务（Service）位。其中，长度位、速率位、保留位、奇偶校验位、尾比特构成一个OFDM符号，用信号（Signal）段表示。信号段采用的是BPSK调制，1/2的编码速率。业务位16bit、PSDU，再加上6个尾比特，以及填充比特构成数据（Data）区。其中，信号段的速率位以及长度位决定着数据的比特率，进而决定其调制方式，编码速率等一系列参数值。 如图2-2所示，OFDM的前导训练序列（Preamble Training Symbol）包括10个短训练序列（Short Training S

21、ymbol）、2个长训练序列（Long Training Symbol）。前导训练序列用来做系统的同步、信道估计、频偏估计、自适应控制（ACC）等。前导训练序列后面是Signal段，再后面是Data区。图2.2 OFDM的符号结构2.3OFDM的编程过程 802.11a对物理层的PPDU编码过程给出了详细的规定，编码过程包括以下步骤： (1) 产生 PLCP序列。此序列由10个重复的短训练符序列和2个重复的加保护间隔（GI）的长训练符序列构成。10个短训练序列用来进行收端的自动增益集中控制、分集选择、定时捕获以及完成频率的粗同步。长训练序列的作用是在接收端进行信道估计以及进行系统的细同步。 (

22、2) 根据发端的速率位、长度位和业务位，在添加适当的比特得到PLCP头。PLCP中的Rate和Length经过1/2速率的卷积编码，映射成一个单独的BPSK编码的OFDM符号，这与Signal符号的产生类似。为了能及时地检测到Rate和Length，采取在PLCP头插入6个0。由Signal得到一个OFDM符号要经过同样的过程：卷积编码、交织、BPSK调制、插入导频、傅立叶变换，最后是加适当的保护间隔使数据速率达到6Mbit/s。Signal部分不需要扰码。 (3) 根据发端的Rate，计算每个OFDM符号所包含的数据比特数（记为NDBPS）。编码速率（R），每个OFDM子载波中的比特数（NB

23、PSC），以及每个OFDM符号中经过编码的比特数（NCBPS）。(4) 在业务域(SERVICE)后加入PSDU。并在尾部补0比特使数据段的长度达到NDBPS的整数倍。调整过后的比特流形成包中Data部分。(5) 用非零初值产生的伪随机序列形成扰码，然后与调整后的信息比特做异或逻辑运算。(6) 用6个未经过扰码的0比特替换6个经过扰码后的0比特（这些比特能使接收端的卷积码解码器回到零状态，而它们解码后只作为尾比特）。(7) 接下来对数据进行1/2速率的卷积编码，然后再根据编码速率的需要进行打孔(Puncture)。(8) 将编码输出的数据以NCBPS为长度单位分成若干组，对每一组进行交织(In

24、terleaving)处理。(9) 编码，交织完成后输出的数据流以NCBPS为长度单位分成若干组，再选择合适的调制方法，如BPSK或者QAM等进行调制。(10) 将调制后的复数信号按48为单位分成若干组，每一组可以形成一个OFDM符号。一组中的符号映射到编号为-26-22、-20-8、-6-1、16、820、2226的OFDM子载波上。编号为-21、-7、7、21的子载波用来插入导频。代表中心频率的0号子载波可以忽略，所以置为零。(11) 导频插入编号为-21、-7、7和21的4个子载波中，总的子载波是52。(12) 每一组从编号为-2626的子载波经过逆傅立叶变换转为时域信号。对逆傅立叶变换

25、后的波形加循环前缀形成GI，并采用时间截短的方法对每一个周期的OFDM符号的波形范围进行加窗处理(Windowing)。(13) 以含有Rate和Length信息的Signal开始的OFDM符号流一个接一个地进入信道传输。(14) 根据理想信道的中心频率，将复基带波形上变频到RF频率上。2.4 802.11a的系统参数表2.1为802.11a中规定的系统主要参数1。表2.1 OFDM系统的主要参数参数参数值抽样时间(chip duration)50nsNSD(Number of data subcarriers)数据子载波的个数48NSP(Number of pilot subcarriers

26、)导频子载波的个数4NST(Number of subcarriers,total)总的子载波个数52（NSD NSP ）抽样速率20MHzOFDM符号间隔4us(80chip)循环前缀长度（保护间隔）0.8us(16chip)FFT周期TFFT3.2us(64chip)调制方式BPSK、QPSK、16QAM、64QAM编码方式1/2卷积，约束长度为7，可选择打孔比特速率6、9、12、18、24、36、48、54Mbit/s子载波频率间隔(f )0.3125MHz(20MHz/64)训练(Preamble)序列长度16us(Tshort+Tlong)在OFDM的帧结构中，Signal中的Rat

27、e决定了系统的比特速率，进而决定了调制方式等一系列参数。表2.2为由Rate决定的参数。表2.2 Rate决定的参数Rate数据速率(Mbit/s)调制方式编码速率NBPSCNCBPSNDBPS11016BPSK1/21482411119BPSK3/414836010112QPSK1/229648011118QPSK3/42967210012416QAM1/241929610113616QAM3/4419214400014864QAM2/3628819200115464QAM3/462882162.5OFDM的结构框图根据OFDM的原理，可以画出大致的结构框图。基本上，各种介绍OFDM的书籍中

28、都会有类似的结构图。如下图所示。图2.3OFDM发射端结构框图接收端的框图与发射端的类似，只是进行的过程相反而已。经过编码的数据会依次进行星座映射，FFT变换，插入循环前缀后再采用无线数字通信的方式发射出去。其中OFDM调制的部分包括星座映射，FFT变换，插入循环前缀这三个步骤。下面依次进行介绍。2.6星座映射星座映射是指将输入的串行数据，先做一次调制，再经由FFT分布到各个子信道上去。调制的方式可以有许多种，包括BPSK、QPSK、QAM等。下图示意了采用QPSK调制的星座图。图2.4 星座映射的过程OFDM中的星座映射，其实只是一个数值代换的过程。比如输入为“00”，输出就是“-1+1i”

29、。它为原来单一的串行数据引入了虚部，使其变成了复数。这样一方面可以进行复数的FFT变换，另外，进行星座映射后，为原来的数据引入了冗余度。因为从原来的一串数，现在变成了由实部和虚部组成的两串数。引入冗余度的意义在于以牺牲效率的方式降低误码率。通过牺牲效率来换取可靠性在通信上是一种非常经典的思想。2.7 串并变换和FFT 在星座映射之后，下面进行的是串并变换，将串行数变为并行，主要是为了便于做傅立叶变换。串并变换之后进行傅立叶变换，在发射端是反变换（IFFT），在接收端是下变换（FFT）。最后再通过并串变换变为串行数据。其实串并变换和并串变换都是为了FFT服务的。如果把它们三个看作一个整体的话，那

30、么相当于输入和输出都是串行的数据。假设是64点FFT的话，那么一次输入64个串行数据，再输出64个串行数据。这样做是为什么呢？分析FFT的意义，虽然它的输入和输出都是64个数，但是对于输入的64个数来说，它们互相之间是没有关系的。而输出就不同了，经过了FFT变换，输出的64个数相互之间有了一定的关联。在理论上说，就是用输入的数据来调制相互正交的子载波。从直观上来看，64个数之间产生了互相间的关联，如果有一个数据在传输中发生错误的话，就会影响其它的数据。这就是采用FFT所起到的作用，也是OFDM技术的精髓所在。2.8插入循环前缀OFDM调制中还有一个必不可少的步骤是插入循环前缀。尽管OFDM通过

31、串并变换已经将数据分散到了n个子载波，速率已经降低到了n分之一，但是为了最大限度地消除符号间的干扰（ISI），还需要在每个OFDM符号之间插入保护前缀，这样做可以更好地对抗多径效率产生的时间延迟的影响。有意思的是，与FDM中的使用频率保护间隔类似，对于OFDM这样的频率使用率高的系统来说，需要在时域上插入保护间隔。如果对时域和频域相互关系理解较为深刻的话，也许可以找出其中的内在联系。插入循环前缀本身非常简单，就是把每个OFDM符号的最后一部分提到符号前，使整个符号加长即可。如下图所示。图2.5 插入循环前缀2.9对于OFDM调制过程的理解通过上面对于OFDM调制过程三个步骤原理的描述，已经作了

32、一个初步的介绍。下面再回到OFDM发射端的图，写一写我自己对于OFDM调制过程的理解。 如果把OFDM技术发射端的结构图分成两部分：一部分是OFDM数字调制部分；另一部分是无线发射部分。前一部分是数字处理的部分，后一部分是发射模拟波形信号的部分。如图所示。图2.6 OFDM发射端组成图在数字通信中，除了D/A变换和无线发射信号以后，在空间中传播的是模拟信号，在发射机的系统中，也就是上图所示的OFDM调制部分，始终都是在传输数字的信号。调制的过程，其实就是在做一个数字处理的工作。输入一串数据，经过数值上的代换后变成另一串数据输出。整个调制的过程可以看作一个函数：y=f(x)。x是输入的串行数据，

33、f代表调制的过程，y代表输出的数据。所以如果不考虑那些复杂的理论，那么在OFDM的物理层上的所有工作都是按照一定步骤不断地做函数变换，设计OFDM物理层硬件的过程也就是实现OFDM函数变换的过程。具体来看，星座映射是将比特流在数值上变换为以星座表示的规范的数值，FFT是将一串数变成另一串相互间有关联的数，而循环前缀的插入进一步引入了冗余度，使数据扩展得更长。从这个角度上来说，OFDM技术也可以看成是一种编码技术。它将一般数值的比特流进行OFDM编码后传输。和未经过OFDM编码的数据相比，假定以相同的速率传输，以OFDM编码的数据在传输的过程中具有频带利用率高，可以对抗多径效应等等的优点，而且误

34、码率也更小。第三章 802.11a仿真平台的搭建3.1 仿真模型和链路参数设置仿真链路分为三个模块：发送端，信道，接收端。具体链路链接如图所示：输入信号扰码卷积编码调制插入导频IFFT加CP加前导训练符号信道交织发射分集空时编码分组检测频偏估计及纠正符号 定时FFT并分离出前导，导频和数据符号信道估计相位跟 踪接 收 分 集（MRC）和空 时 解 码解调解交织Viterbi译码接收数据计算误码率发射模块接收模块图3.1 802.11a链路仿真图3.1.1 802.11a链路编解码参数FFT_size=64; %FFT长度Num_sub=52; %占用子载波数目,取偶数CP_size=floor

35、(FFT_size/4); %循环前缀长度，须取非负整数Num_symbol=14; %每帧包含OFDM符号数目,不包括2个前导序列符号Sub_spacing=25000; %子载波间隔，单位HzSample_time=1/(FFT_size*Sub_spacing); %采样时间间隔，单位sCode_type=0; %编码方式 0-NSC卷积码,1-RSC卷积码G_coder=1 1 0 1; 1 0 0 1; %卷积码生成多项式mg=size(G_coder,2)-1; %寄存器数目decoder_type=0; %译码方式，04调制符号映射到64点离散傅立叶逆变换(IDFT)的子载波上，

36、从而形成一个OFDM符号，注意由于带宽的限制，只有48个子载波可用于调制，4个子载波预留给导频用，剩下的12个子载波没有使用，用0来填充。短训练序列用于对时间及频率误差的粗略的和精确的估计，长训练序列用来估计信道脉冲响应或信道状态信息。3.1.2 插入导频在链路中，导频插入到4个子载波上，即前面所说的载波12 26 40 54，载波是经过BPSK调制的伪随机序列，这样做是为了能够防止频谱偏移以及加强自相关检测的性能。导频插入之前，先将复数符号的序列以48为单位分成若干组，由于交织前插入比特的处理，接收到的复数数目为48的整数倍。3.1.3循环前缀的引入以及时延分析循环前缀是OFDM系统的一个重

37、要特色，它的基本思想是通过引入循环前缀从而形成保护间隔（GI），从而有效的对抗由于多径时延带来的ISI和ICI，方法是在时域内把OFDM符号的后面部分插入到该符号的开始部分，形成循环前缀。保护间隔的长度应该大于多径时延扩展的最大值。即在接收端抽样开始的时刻应该满足下式： （3.1）其中是最大多径时延扩展，当抽样满足该式时，由于前一个符号的干扰只会存在于0，所以不会产生ISI。同时，由于OFDM延时副本内所包含的子载波的周期个数也为整数，时延信号就不会在解调过程中产生ICI。3.1.4加前导训练符号从1到10为短训练符号，同为16取样长度。C12为32取样的循环前缀以保证第二部分长训练符号1，2

38、不受短训练符号间干扰的影响。长训练符号为64取样的长OFDM符号。图3.2 802.11aPLCP前导第一部分用于同步（信号检测、AGC、分集选择、频偏估计和捕获定时），而第二部分用于信道估计。PLCP前导，包括10个短序列和2个长序列。3.2 编码3.2.1 信道编码3.2.1.1 卷积编码OFDM系统中采用的是前向纠错法中的卷积编码。卷积码是目前最为广泛应用的信道编码，IEEE802.11a标准就是采用（2，1，7）卷积码。码率为1/2，可以结合打孔来获得其他码率的编码。卷积码是一种非分组码，编码器在任何一段时间内产生的个码元，不仅决定于这段时间内的个信息位，而且还取决于前段规定时间内的信

39、息位，这时监督位监督着这段时间内的信息。这段时间内的码元数目称为卷积码的约束长度。在OFDM系统中，只对Data部分进行卷积编码，Data中包括Service、PSDU、尾比特以及插入比特，分别按照要求的速率R=1/2、2/3或3/4来进行卷积编码。卷积编码分为上下两路，两路采用的生成多项式分别为：g0=133(8),g1=171(8),即用八进制表示。对应的编码器如图3.3所示：输入数据TbTbTbTbTbTb支路1输出支路2输出图3.3 卷积编码器3.2.1.2 Viterbi译码 一般说来，卷积编码的译码有两种方式：一种是代数解码，它利用编码本身的代数结构进行解码，不考虑信道的统计特性；

40、一种是概率解码，这种解码方法在计算时要用到信道的统计特性。Viterbi译码属于概率解码，它的基本思想是最大似然算法：把接收到的序列与所有可能的发送序列进行比较，选择一种距离最小的序列作为发送序列。采用硬判决或者软判决解调可以很容易实现Viterbi算法。但在本链路中，Viterbi译码采用的是软判决，这是因为这种方法所获得的性能提高不需要浪费任何通信资源。3.2.2 交织交织主要是为了防止在传输过程中，发生用户信息比特丢失的情况时，不至于丢失某一个用户所有的信息，而只是会丢失若干个用户的信息，根据剩下的信息比特依然可以恢复原始信息，也就是将丢失的比特分散，从而达到降低误码率的目的。如果系统在

41、一个纯粹的AWGN环境下运行，就不需要交织，这是因为通过重新分配位的方法是无法改变误码分布的。而802.11a系统通常假定运行于慢衰落信道，故可以交织。3.3 子载波的调制与解调3.3.1 调制对于OFDM系统来说，只能采用幅移键控（ASK），相移键控（PSK）的调制方法，这是因为子载波是频率正交，并且携带独立的信息，调制子载波频率会破坏这些子载波的正交特性。802.11a的四种调制方式为：BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM。这里我们设计调制器主要问题是采用什么样的星座图，星座图上的点是以单个符号（symbol）在传输，所采用的星座图关系到一个通信系统的许多重要特性，比如比特误码率

42、（BER）、功率峰值与平均值的比率(PAPR)和RF频谱形状。最小距离（）是它的一个重要参数，它是指星座图中任意两个点之间的最小距离，因此决定了噪声的最小量。需要由该最小噪声来生成判决差错，式（4.5）定义的Q函数用于计算一个星座图实际的BER或，Q函数的值等于服从零均值、单位方差的正态分布的随机变量的概率密度函数（PDF）尾部的面积。 （3.2） 是每比特能量与噪声的比值或者信号能量与噪声的比值的函数，这里.在星座图中与Q函数的关系一般形式如式（3.3）所示。 （3.3）参数越大，Q函数的值就越小，所以式（3.3）显示较大的的值对应更好的性能。对于相同的值，不同的星座图有不同的，对于给定，具

43、有最大的值的星座图具有最好的性能。最小距离的大小取决于多个因素：星座中点的个数，平均功率和星座的形状，其中最重要的是星座点的个数，它是由每传输一个符号所对应的比特个数来决定的：。影响的另一个重要的因素是星座图的形状，设计星座形状有两个主要的目标，首先是保证传输信号幅度恒定不变，第一个目标是尽量改善。即对于给定的,在放置这此点时要使得最大。3.3.2.1正交相移键控（QPSK）相移键控（PSK）调制是通过改变载波的相位来传输信息的，而载波的幅度保持不变，因此PSK调制又叫做等幅调制。式(4.9)表示的是PSK信号的载波波形，调制是对项进行的。 （3.4）表3.1 PSK调制的距离特征调制方式归一

44、化值 SNRBPSK 1 4.00 QPSK 1 2.00 3.00dB8-PSK 1 0.5858 5.33dB16-PSK 1 0.1522 5.85dB对于BPSK和QPSK，可以精确地导出PSK调制的符号差错率，而对于QPSK，表达式要比BPSK复杂，如式（3.5）： （3.5）QPSK的格雷码映射为：00 、01、11、10，其星座调制图如图3.4：图3.4 QPSK调制星座图3.3.2.2 正交幅度调制（QAM）正交幅度调制（QAM）是要改变载波的幅度和相位，因为它是ASK和PSK的组合。式（3.6）表示了称为IQ的QAM信号，是I和Q载波的调制。QAM还可以用式（4.12）来描述

45、，表示在QAM中是如何结合幅度和相位调制的。 （3.6） （3.7） 式（3.7）中的幅度和相位项可从式（3.8）和式（3.9）中计算得到。 （3.8） （3.9） 如图3.5是16-QAM的星座调制图：图3.5 16-QAM调制星座图 将QAM认为是在I和Q载波上的两个独立的ASK调制，就可以近似计算出QAM调制的符号差错率，如式（3.10）： （3.10） 3.4 解调由于在通信系统中存在噪声等干扰的影响，故信息在传输过程中会产生失真，解调接收就要求最大可能地减少误差。在这里解调的方法是，首先求出接收端信号值（复数形式表示）与星座图中各点的距离，接下来求出所有距离中的最小值，则将星座图中该

46、点所对应的二进制作为解调的结果输出。与调制相对应，要除以归一化系数。在接收端QPSK的接收星座图如图3.6。在很多的点靠近中心位置0，是在调制过程中补0的结果，判决时会舍去那些点。图3.6 QPSK的接收星座图3.5 基于链路同时使用发射接收分集的性能仿真指数衰减信道下，以QPSK调制方式仿真，其它参数为默认值。从图3.7和3.8可以看出，对于整个链路而言，采用分集技术，带来的增益是相当大的。当BER为时，链路增益约为10dB；当PER为时，链路增益约为8dB。 图3.7 分集的BER仿真 图3.8 分集的PER仿真3.6 信道模型本链路仿真使用的信道是IEEE 802.11a标准使用的指数信

47、道模型 (Chayat, et al.，1997)，又叫“Baseline信道模型”或者“指数延时瑞利衰落模型”。该信道模型反映了现实世界中的一种特殊情况，即反射体产生的多径长度依次递增。该模型多径延时分布如式（3.11）所示： （3.11）由上式可知，完全表征了该模型的多径延时分布。对于指数模型，平均附加时延，rms延时扩展。本链路假设对每一个发送包信道都是静态的，不同包对应的信道相互独立。信道冲击响应幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布，平均功率服从指数衰落。 3.7 信道估计所谓信道估计，就是信道对输入信号影响的一种数学表示。通过信道估计算法，接收机可以得到信道的冲激响应。信道估计的一个重要的好处在于它使得相关解调成为可能。因为相关解调需要知道信号的相位信息，与非相干解调相比，可以提高系统的整体性能，而信道估计技术使之成为可能。LS（Least Square）估计法,就是以最小平方为目的的信道估计。LS信道估计器的性能不