基于simulink的ofdm通信系统的仿真

1、-PAGE . z*工程大学邮电与信息工程学院毕业设计论文摘 要在无线信道环境中可靠、高速的传输数据是无线通信技术的目标和要求。OFDM技术能够大幅度的提高无线通信系统的信道容量和传输速率,并能有效地抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声,有着广阔的应用前景。 本文在分析移动无线信道特性的根底上,基于OFDM系统的根本原理,研究了OFDM通信系统中同步实现和基于导频的信道估计问题,分析了几种经典信道估计算法以及相关的关键技术环节。 在此根底上,基于Simulink,讨论了如何构建完整的OFDM动态仿真系统,完成Simulink模块设置,确定搭建系统的主要参数,并对主要模块的构建方式进展了说明;就信道编码

2、、多普勒频移及不同调制方式对OFDM系统性能的影响进展了全面的仿真分析和比拟;参考COST-207多径信道模型,深入全面研究了瑞利衰落信道对OFDM通信系统性能的影响,对COST-207典型城市模型下OFDM系统性能仿真进展了有益的尝试;首次应用Simulink同时对不同导频方式、不同导频比、不同多普勒频移条件下的OFDM通信系统进展详细仿真分析。 研究结果说明,对于应用块状导频的OFDM通信系统,在Eb/N0较小时,加性高斯白噪声对性能起主导作用,Eb/N0较大时,ICI对性能起主导作用,形成了误比特率底限;仿真分析说明,OFDM通信系统采用块状导频方式时,适用的多普勒频移的范围为100Hz

3、以下,对应的移动速度为静止或步行速度或较慢的汽车行驶速度;导频比为1/3或1/4时综合效果较好。对于应用梳状导频的OFDM通信系统,其系统性能不如块状导频,但这种导频插入方式对多普勒频移及时间选择性衰落不敏感,假设将梳状导频与其他形式的导频综合使用,可用于改善OFDM通信系统性能,尤其是具有较高相对移动速度的OFDM系统。 论文所得结论可为进一步研究提供仿真数据,也可为OFDM系统的仿真与研究提供重要的参考。关键词：OFDM；导频；衰落信道；信道估计；Simulink；多普勒频移；仿真分析ABSTRACTData transmission in wireless channels with h

4、igh speed and reliability is required in wireless munication technology. OFDM technology which has widely application prospects can not only increase the transmission rate and the capacity of the wireless munication system, but also effectively resist multi-path fading as well as restrain interferen

5、ce and noise.In this paper,synchronizationand channel estimationbasedon pilot are researched; several classic channel estimation algorithm and relative key technology are analysised on the basis of principles of OFDM. Based on simulink, how to build a plete OFDM simulation systems is discussed; chan

6、nel code, Doppler and different kinds of modulations influence on OFDM system performance is pared and analysised prehensively; influence of Rayleigh fading channel which refer to COST-207 model is researched; a positive attempt on OFDM system performance simulation is made. It is the first time for

7、 OFDM munication system to be simulated and analysised in detail under condition of different pilot patterns, different pilot rate and different Doppler frequency shift at the same time.The research results indicate that, for OFDM munication system using block-type pilot, AWGN will play the leading

8、role when Eb/N0 is smaller as well as ICI will play the leading role and the bottom bit error is formed when Eb/N0 is larger. The simulation analysis results imply that Doppler frequency shift should be smaller than 100Hz, the corresponding movement speed should be zero or walking pace or slow drivi

9、ng speed when using block-type pilot and the pilot rate should be 1/3 or 1/4 considering prehensive performance.Performance of OFDM system using b-type pilot is not good as block-type pilot, however, the b-type pilot pattern is insensitive to Doppler frequency shift and time selective fading; OFDM s

10、ystem performance, especially the high speed system, could be improved if b-type and other pattern pilots used together. The conclusion could provide simulation data for further research and provide reference for OFDM simulation and research.KEY WORDS: OFDM; Pilot; Fading channel; Channel Estimation

11、; Simulink; Doppler Frequency Shift; Simulation Analysis作者声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进展的研究工作和取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果及专利。与我一同工作的同志对本研究所做的任何奉献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如本毕业设计论文引起的法律结果完全由本人承当。毕业设计论文由*工程大学邮电与信息工程学院所有。特此声明。 作者专业：作者*：作者签名：_年_月_日目 录TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc285291079第一章绪论1HY

12、PERLINK l _Toc2852910801.1 引言1HYPERLINK l _Toc2852910811.2 研究背景和意义2HYPERLINK l _Toc2852910821.2.1 OFDM技术开展历史2HYPERLINK l _Toc2852910831.2.2 OFDM技术应用领域3HYPERLINK l _Toc2852910841.2.3 OFDM技术的优缺点5HYPERLINK l _Toc2852910851.3 本文研究内容6HYPERLINK l _Toc2852910861.4 本章小结7HYPERLINK l _Toc285291087第二章 OFDM 原理与

13、性能7HYPERLINK l _Toc2852910882.1 OFDM的根本原理模型8HYPERLINK l _Toc2852910892.2 OFDM的IFFT/FFT 实现11HYPERLINK l _Toc2852910902.3 添加循环前缀12HYPERLINK l _Toc2852910912.4 本章小结15HYPERLINK l _Toc285291092第三章 OFDM 关键技术16HYPERLINK l _Toc2852910933.1 OFDM同步16HYPERLINK l _Toc2852910943.1.1 同步误差的产生16HYPERLINK l _Toc2852

14、910953.1.2 基于PN序列的符号同步17HYPERLINK l _Toc2852910963.1.3 基于循环前缀的符号同步19HYPERLINK l _Toc2852910973.1.4 频域同步20HYPERLINK l _Toc2852910983.1.5 无线信道的时变性以及多普勒频移21HYPERLINK l _Toc2852910993.2 信道估计22HYPERLINK l _Toc2852911003.2.1 信道估计的常用方法22HYPERLINK l _Toc2852911013.2.2 导频形式的选择23HYPERLINK l _Toc2852911023.2.3

15、 LS信道估计算法24HYPERLINK l _Toc2852911033.2.4 MMSE信道估计算法26HYPERLINK l _Toc2852911043.3 本章小结27HYPERLINK l _Toc285291105第四章不同编码及调制方式下OFDM仿真分析28HYPERLINK l _Toc2852911064.1 仿真软件简介及其在通信领域的应用28HYPERLINK l _Toc2852911074.1.1 MATLAB/SIMULINK 概述28HYPERLINK l _Toc2852911084.1.2 使用MATLAB/SIMULINK进展通信系统设计29HYPERLI

16、NK l _Toc2852911094.2 编码对OFDM系统影响的仿真分析29HYPERLINK l _Toc2852911104.2.1 OFDM基带系统框图29HYPERLINK l _Toc2852911114.2.2 仿真分析30HYPERLINK l _Toc2852911124.3 不同调制方式下OFDM系统仿真分析34HYPERLINK l _Toc2852911134.3.1 QPSK 仿真模型及分析34HYPERLINK l _Toc2852911144.3.2 BER误差原因分析37HYPERLINK l _Toc2852911154.4 本章小结38HYPERLINK

17、l _Toc285291116第五章瑞利衰落信道对OFDM 系统影响的仿真分析38HYPERLINK l _Toc2852911175.1 COST-207多径信道模型38HYPERLINK l _Toc2852911185.2 COST-207典型城市模型下的仿真分析40HYPERLINK l _Toc2852911195.3 本章小结42HYPERLINK l _Toc285291120第六章导频比对OFDM 系统影响的仿真分析43HYPERLINK l _Toc2852911216.1 导频比(块状导频)对OFDM系统影响的仿真分析43HYPERLINK l _Toc2852911226

18、.1.1 系统模型43HYPERLINK l _Toc2852911236.1.2 仿真分析45HYPERLINK l _Toc2852911246.2 导频比(梳状导频)对OFDM系统影响的仿真分析50HYPERLINK l _Toc2852911256.2.1 系统模型50HYPERLINK l _Toc2852911266.2.2 仿真分析52HYPERLINK l _Toc2852911276.3 本章小结53HYPERLINK l _Toc285291128第七章总结与展望54HYPERLINK l _Toc285291129参考文献56HYPERLINK l _Toc2852911

19、30致谢58*工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计论文基于Simulink的OFDM通信系统的仿真Simulation of OFOM munication system based on Simulink学生*：雷雨学 号：6203130409专业班级：通信1204指导教师：王亮2016年5月2日-. z第1章 绪论1.1 引言自1837年最早的通信形式-电报出现以来，通信己经逐渐融入了社会。随着通信技术的不断成熟开展，现代社会也正在高速开展。如今的通信传输方式日新月异，从最初的有线通信到无线通信，再到现在的光纤通信；从最初的电报，到固定 、计算机网络、再到现在的移动通信；从最初的文本信号通

20、信到语音通信、再到现在的多媒体通信。人们对通信质量的要求也在不断提高。通信正在朝着个性化、全球化、高质量的方向开展。如各种先进技术的结晶-移动通信，使得人们可以随时随地的联系外界、可以连上网络、甚至可以进展可视对话。现代社会是信息社会，人类生活在信息高速公路交织的网络中。随着通信技术的不断开展和成熟，人类社会正在进入一个新的信息化时代，宽带已成为当今通信领域的开展趋势之一。正交频分复用Orthogonal Frequency Division Multiple*ing，OFDM技术作为一种可以有效对抗符号间干扰Inter Symbol Interference，ISI的高速数据传输技术，已经受

21、到前所未有的重视，对其关键技术的研究也正在紧张的开展。OFDM技术以其优异的性能受到人们的青睐，并在移动通信、数字通信、数字播送等领域得到应用，并已取得可喜的成果。这预示着OFDM良好的开展前景。正交频分复用OFDM是一种多载波数字通信调制技术，它的根本思想是将高速传输的数据流通过串并转换，变成在假设干个正交的窄带子信道上并行传输的低速数据流。OFDM技术将传送的数据信息分散到每个OFDM子载波上，使得符号周期加长并大于多径时延，从而有效地对抗多径衰落；OFDM技术利用信号的时频正交性，允许子信道频谱有局部重叠，使得频谱利用率提高近一倍11.2 研究背景和意义1.2.1 OFDM技术开展历史正

22、交频分复用技术己有近40年的开展历史，其概念最早出现于20世纪50年代中期。60年代，人们对多载波调制MCM技术进展了许多理论上的研究，形成了并行数据传输和频分复用的思想。同时，OFDM技术也被应用到美国军用高频通信系统中。1966年，发表了Synthesis of band-limited orthogonal signals for multi channel data transmission一文。文中表达了在线性带宽信道中，无ISI和ICI的同时传输信息的原理。1971年，Weinstein和Ebert提出了将离散傅立叶变换DFT引入并行传输系统来实现多载波调制的方法。这样在实际应用中

23、就可以依靠更为方便的快速傅立叶变换IFFT/FT来完成OFDM系统的调制和解调功能，无需再使用梳状滤波器，简化了系统构造，使得OFDM技术更趋实用化。但是由于当时受到实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性等相关技术条件的限制，OFDM技术没有得到广泛的应用。另一个重要奉献是Pled和Ruiz在1980年做出的。他们引入了循环前缀cyclic prefi*，CP这一概念，解决了正交性的问题；没有采用插入保护间隔的方法，相反，用OFDM的循环延伸填充了保护间隔。当CP的时间比信道的脉冲相应时间长时，这样就可以在色散信道上保持正交性。20世纪80年代，人们对多载波调制在高速MODE

24、M、数字移动通信等领域中的应用进展了较为深入的研究。到了90年代，数字信号处理技术和超大规模集成电路的飞速开展，又为OFDM技术的实现扫除了障碍。此时，OFDM技术终于登上了通信的舞台。高速数字信号处理DSP芯片的开展，使得OFDM优越性更加突出。DSP与FFT技术的结合，使得OFDM开场迅速开展并被广泛应用。DFT/IDFT、QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的逐步引入，人们开场集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用。OFDM的出现己有几十年的历史，但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近十年来的新趋势。主要应用包括：非对称数字用户环路A

25、DSL，ETSI标准的音频播送DAB，数字视频播送DVB等。1999年IEEE802.14通过了一个5 GHz的无限局域网标准，其中OFDM调制技术被采用成为它的物理层标准。ETSI的宽带射频接入网BRAN的局域网标准也把OFDM定位他的调制标准技术2。1999年12月，包括Ericsson，Nokia和WLAN在内的7家公司发起了国际OFDM论坛，致力于筹划一个基于OFDM技术的全球性单一标准。现在OFDM论坛的成员已增加到46个会员，其中15个为主要会员。我国的信息产业部也参加了OFDM论坛，可见OFDM在无线通信领域的应用在当时已引起国内通信界的重视。2000年11月，OFDM论坛的固定

26、无线接入工作组向的无限城域网委员会提交了一份建议书，提议采用OFDM技术作为IEEE8城域网的物理层标准，随着802.1la和BRANHyperLAN/2两个标准在局域网中的普及应用，OFDM技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出更大的奉献。人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求日益增长，OFDM技术在综合无线接入领域将得到广泛的应用。此外，还由于其具有高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，而被看作是第四代移动通信的核心技术之一3。1.2.2 OFDM技术应用领域1.移动通信领域OFDM技术的数据传输速度相当于GSMGlobal System for Mobile munic

27、ation ，全球移动通信系统和CDMACode Division Multiple Access，码分多址技术标准的10倍。从理论上讲，OFDM技术要优越于当前的全球移动运营商所采用的标准技术。预计第三代以后的移动通信的主流技术将是OFDM技术。但问题是其本钱和兼容性等问题与当前技术相比是否具有竞争力。近年来，OFDM开场与CDMA技术相结合，产生了MC-CDMA。该技术除了继承了DS-CDMA的优点外，还具有灵活、容量高、强抗干扰、无需复杂的均衡等优点。2.数字传输领域OFDM在数字播送领域也有出色的表现。DABDigital Audio Broadcasting，数字语音播送DMBDig

28、ital Multimedia Broadcasting，数字多媒体播送具有音质好CD质量、可实现多媒体接收、可加密、并可利用卫星大幅度提高播送的覆盖率等优点，是播送事业开展中的一个新的里程碑。采用OFDM技术后，系统发射功率减小、可高速移动接收、频谱利用率高、有很强的抗干扰和在恶劣环境下接收的能力，有效的实现了数据高速可靠的传输。3.计算机网络领域近年来，Internet以惊人的速度开展，Internet的用户众多，分布广泛，传统Modem仅能提供56Kbps的速度，ISDN业务最多也只能提供128Kbps的速度，这些都难以满足Internet飞速开展的需要。宽带技术开场兴起，OFDM则以其

29、良好的性能在该领域得到很好的应用。如已经进入千家万户的ADSLAsymmetric Digital Subscriber Loop，非对称数字用户环路和正在不断升温的VDSLVery High Bit Rate Digital Subscriber Loop，甚高速数字用户线路。VDSL不对称工作时，上行速率为1.6到2.3Mbps，下行速率可高达52Mbps；对称工作时，尚下行速率均可高达26Mbps。ADSL采用不对称工作方式，下行速率8Mbps，远高于ISDN速率；而且上行速率也有1Mbps，传输距离则到达3000m-5000m。在无线局域网领域， IEEE于1999年通过了一个5GHz

30、的无线局域网标准802.1la，其中OFDM调制技术被作为它的物理层标准。802.1la工作于或频段，能提供的速率有6、12、18、24、36、48和54Mbps，其中必须支持6、12和24Mbps。802.1la使用52个子载波，调制方式有BPSK、QPSK、16QAM及64QAM，采用了编码率为1/2，2/3和3/4的前向纠错编码。ETSI的宽带无线接入网BRAN工程Hyper LAN 2也把OFDM定为它的调制标准技术。在未来的宽带接入系统中，OFDM将是一项根本技术。目前，OFDM在电力线网络领域中也得到了应用。1.2.3 OFDM 技术的优缺点OFDM技术主要有如下几个优点：1.抗衰

31、落能力强OFDM使用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，因而对脉冲噪声Impulsenoise和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，到达了子信道间的频率分集作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。2.频率利用率高OFDM采用允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带别离子信道的方式，因而提高了频率利用率。3.适合高速数据传输首先，OFDM的自适应调制机制使不同的子载波可以根据信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式：信道条件好时，采用效率

32、高的调制方式；信道条件差时，采用抗干扰能力强的调制方式。另外，OFDM采用的加载算法使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进展传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。4.抗码间干扰能力强码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。OFDM技术的缺乏之处包括：1.对频偏和相位噪声比拟敏感OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特

33、性恶化，仅仅1%的频偏就会造成信噪比下降30db。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比拟敏感。2.峰均值比大导致射频放大器功率效率低与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比拟大的峰值功率，也就会带来较大的峰值功率与均值功率之比，简称峰均值比PAPR。对于包含个子信道的OFDM来说，当N个子信道都以一样的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的倍，因而基带信号的峰均值比为：PAPR=10lgN例如，在N=256的情况下，OFDM系统的PAPR=2.4db。当然，这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰值不会到达这样高的程

34、度。顶峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低4。1.3 本文研究内容本文对OFDM通信系统进展了较为全面的仿真分析。主要包括：对采用Simulink搭建的仿真系统及主要模块进展了说明；对分别采用QPSK，16QAM，64QAM的OFDM系统的性能进展了比拟和分析：对采用RS编码和未采用编码的OFDM系统的性能进展了比拟；对采用COST-207多径信道模型及不同多普勒频移的OFDM系统进展了仿真，深入全面研究了瑞利衰落信道对OFDM通信系统性能的影响；对采用块状导频的OFDM通信系统进展了仿真分析，对采用不同导频比及不同多普勒频移的系统性能进展了比拟和分析，得出了仿真

35、模型下适用的多普勒频移的变化范围及相应的导频比的选择；对采用梳状导频的OFDM通信系统进展了仿真分析，对采用不同导频比及不同多普勒频移的系统性能进展了比拟和分析，根据仿真结果总结了梳状导频的适用情况，对OFDM系统的导频选择进展了分析和总结。1.4 本章小结正交频分复用OFDM是一种多载波数字通信调制技术，它的根本思想是将高速传输的数据流通过串并转换，变成在假设干个正交的窄带子信道上并行传输的低速数据流。OFDM技术将传送的数据信息分散到每个子载波上，使得符号周期加长并大于多径时延，从而有效地对抗多径衰落；OFDM技术利用信号的时频正交性，允许子信道频谱有局部重叠，使得频谱利用率提高近一倍。正

36、交频分复用技术其概念最早出现于20世纪50年代中期。60年代形成了并行数据传输和频分复用的思想。离散傅立叶变换DFT的引入使实际应用中可以依靠更为方便的快速傅立叶变换从F1至FT来完成OFDM系统的调制和解调功能。80年代，人们对多载波调制在高速MODEM、数字移动通信等领域中的应用进展了较为深入的研究。90年代，数字信号处理技术和超大规模集成电路的飞速开展为OFDM技术的实现扫除了障碍。DSP与FFT技术的结合，使得OFDM开场迅速开展并被广泛应用。随着成熟技术的逐步引入，人们开场集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用。人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求日益增长，

37、OFDM技术在综合无线接入领域将得到广泛的应用。此外，还由于其具有高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，而被看作是第四代移动通信的核心技术之一。OFDM技术应用领域有移动通信领域、数字传输领域、计算机网络领域和电力线网络领域。OFDM技术主要有如下几个优点：抗衰落能力强、频率利用率高、适合高速数据传输和抗码间干扰能力强。OFDM技术的缺乏之处包括：对频偏和相位噪声比拟敏感、峰均值比大导致射频放大器功率效率低、加载算法和自适应调制会增加系统复杂度。在本章的最后，对本文研究内容进展了说明。第2章 OFDM原理与性能OFDM由大量在频率上等间隔的子载波构成设共有N个载波，各载波可用同一种数字调制方法

38、，或不同的载波使用不同的调制方法，将高速串行数据分成多路并行的低速数据加以调制。所以OFDM实际上是一种并行调制方案，将符号周期延长N倍，从而提高了抗多径衰落的抵抗能力。在传统的频分复用中备载波的信号频谱互不重叠，频带利用率较低。在OFDM系统中，各于载波在整个符号周期上是正交的即加于符号周期上的任何两个载被的乘积等于零，因此各于载波信号频谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率。由于OFDM系统中的载波数量多达几百上千，所以在实际应用中不可能使用几百个振荡器和锁相环进展调制。因此，Weinstein提出了用离散傅里叶变换DFT实现OFDM的方法。随着数字信号处理技术DSP的飞速开展，采用快速傅里

39、叶变换，利用现有的高速数字信号处理芯片实现OFDM的调制与解调，非常方便，又可大大降低系统本钱。2.1 OFDM的根本原理模型OFDM的根本原理就是把串行的数据流分解成假设干个数据速率低得多的并行子数据流，每个子数据流再去调制相应各个正交的子载波，最后把各个子载波上的信号叠加合成一起输出。OFDM系统的根本原理如图2.1所示：图2.1OFDM系统根本原理模型从上图可以看出：OFDM的发送端的根本原理就是把输入数据经过串并变换成N路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据，经过并串变换便输出原始数据。从上面对OFDM根本原

40、理的论述可以看出：其实现的根本思想是通过串并变换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，实现的关键点是保证各个子载波之间的正交性56。串并变换是很容易实现的，而正交性是如何实现的呢？下面先看看OFDM信号的表达式。一个OFDM符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波信号都可以进展相移键控PSK或者正交幅度调制QAM。如果N表示子信道的个数，T表示一个OFDM符号的时间宽度，(i=0,1,iN-1)为每个子信道的数据符号，是第0个子载波的载波频率，则。开场的一个已经调制的OFDM符号可表示为：(2-1)然而在多数的文献中，通常采用复等效基带信号来表示OFDM的输出信号，如式(2

41、-2)所示。其中实部和虚局部别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应的子载波的COS分量和SIN分量相乘，再叠加成OFDM信号。2-2 从式(2.1)和式2.2都可以看出，OFDM信号相邻子载波间的间隔为OFDM的码元速率即1/T，这样就有： 2-3 =式2-3说明了只要使各个子载波之间的间隔为1/T就保证了各个子载波之间的正交性。正是这种正交性使频谱互相重叠的各个子载波信号能够被正确的别离出来。比方要解调第j个子载波，根据图2-1及式(2-3)有： = 2-4 =这种正交性在时域的表现就是每个子载波在一个OFDM符号周期内包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周

42、期7。如图2.2所示图2.2OFDM信号正交性的时域表现这种正交性也可以从频域得到更直观的表达。因为每个OFDM符号包含了多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为T的矩形脉冲的频谱与各个子载波的脉冲响应函数的卷积，图2.3显示了OFDM信号频谱中各个子信道频谱的情况其中每个子信道的频谱为sinc函数，它在中心频率处有最大值，在1/T的整数倍频率上的值为零8。这样，在每个子载波的频谱最大值处所有其他子载波为零，在解调时，需要计算各个于载波频谱的最大值，只要保证各个子载波的频率没有偏移，就可以准确的解调出每个子信道上的数据而不受其他子信道的影响图2.3从各个子信道频谱看OFDM信号的频谱在OF

43、DM信号频谱中，由于各个子信道频谱相互重叠，OFDM信号的带宽是进展一般频分复用信号带宽的一半即频谱利用率提高了一倍。这是OFDM给我们带来的最大好处之一9。2.2 OFDM的IFFT/FFT实现图2-1只是从理论上说明了OFDM系统的根本原理，按图2-1来实现OFDM系统是非常的困难和不可取的。因为当子载波数目多，子载波间隔非常小时，难以实现这么高的频率分辨率，而且解调时每一路子载波都要进展积分，导致系统构造庞大，非常的浪费资源，因此需要寻找一种易于实现的方案10。在式2-2中令，对信号s(t)以T/N的速率进展采样即令 (k=0,1,2.N-1)，可以得到： 2-5可以看到可以看作对进展离

44、散傅立叶反变换IDFT运算。同样在接收端为了恢复出原始的数据符号，对进展反变换，即进展离散傅立叶变换DFT得到：2-6根据以上的分析可以看出，OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT完成。通过N点IDFT运算，把频域数据符号变成时域数据符号，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中，每一个IDFT输出的数据符号都是由所有子载波信号经过叠加而生成，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进展抽样得到的。这样通过DFT的方法来实现OFDM有很大的好处，它大大简化了调制解调器的设计，使用IDFT/DFT便可完成了多路子载波的调制和解调，而且IDFT/DFT早就有了成熟的快速算法IFFT

45、/FFT，它可以方便的在DSP芯片中实现。使用IFFT/FFT的OFDM系统根本原理如图2.4所示11。图2.4OFDM根本原理的IFFT/FFT实现2.3 添加循环前缀应用OFDM的一个最主要原因是它可以有效的对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔guard interval，而且该保护间隔长度12Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干

46、扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰ICI，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰13。这种效应可见图2.5。由于每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该OFDM符号的时延信号，因此图2.5中给出了第一子载波和第二子载波的延时信号。从图中可以看到，由于在FFT运算时间长度内，第一子载波与带有时延的第二载波之间的周期个数之差不是整数，所以当接收机试图对第一于载波进展解调时第二子载波会对此造成干扰。同样，当接收机对第二子载波进展解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。为了消除

47、由于多径所造成的ICI，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，见图2.6这样就可以保证在FFT周期内，OFDM符号的时延副本内所包吉的波形的周期个数也是整数14。这样，时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。图2.5由于多径时延的影响，插入保护间隔造成的对于载波之间的干扰图2.6OFDM符号的循环前缀当子载波个数比拟大时，OFDM的符号周期相对于信道的脉冲响应长度很大，则符号间干扰ISI的影响很小；而如果相邻OFDM符号之间的保护间隔满足。的要求，则可以完全克制ISI的影响15。同时为了保持子载波之间的正交性，该保护间隔必须是循环前缀，即将每个OFDM符号的后时间中的

48、样点复制到OFDM符号的前面形成前缀，此时OFDM的符号周期为： 2-7保护间隔的离散长度，即样点个数为： 2-8包含保护间隔、功率归一化的OFDM的抽样序列*为: 2-9经过信道和加性白高斯噪声的作用后的接收信号为： 2-10接收信号经过A/D变换后得到的接收序列，为对按T/N的抽样速率得到的数字抽样。ISI只会对接收序列的前个样点形成干扰，因此将前个样点去掉，就可完全消除ISI的影响16。数据流经过串并变换实现了把串行数据流变换成N个并行数据流N为OFDM系统的子载波个数后，进展N点的IFFT变换，从而在基带上实现把N个并行数据调制到N个并行的正交子载波上，为了最大程度的消除码间串扰ISI

49、和信道间干扰ICI，在每个OFDM数据符号前面添加了长度为N。的循环前缀(CP)17，最后经过并串变换和D/A变换发送到信道中。2.4 本章小结OFDM的发送端的根本原理就是把输入数据经过串并变换成N路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。其实现的根本思想是通过串并变换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，实现的关键点是保证各个子载波之间的正交性。OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT完成。通过N点IDFT运算，把频域数据符号变成时域数据符号，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。为了消除由于多径所造成的ICI，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前

50、缀信号，这样就可以保证在周期内，OFDM符号的时延副本内所包含的波形的周期个数也是整数。这样，时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。当子载波个数比拟大时，OFDM的符号周期相对于信道的脉冲响应长度很大，则符号间干扰(ISI)的影响很小；而如果相邻OFDM符号之间的保护间隔满足的要求，则可以完全克制ISI的影响。同时为了保持子载波之间的正交性，该保护间隔必须是循环前缀，即将每个OFDM符号的后时间中的样点复制到OFDM符号的前面形成前缀。第3章 关键技术3.1 OFDM同步OFDM传输系统可以有效的对抗多径传播，并且其信号处理过程并不复杂，但是，假设OFDM系统要在频率选择性衰

51、弱信道下获得到较好的性能，解调系统必须有一个近乎完美的同步。由于OFDM使用许多正交的子载波，时间或者频率的失步不仅影响本采样点的振幅和相位，而且使载波间失去正交性，产生载波间干扰，使得前后采样点都受到干扰。因此与单载波通信系统相比，多载波通信系统需要更为准确的同步18。3.1.1 同步误差的产生同步误差是由于接收机对于发射机的未知性造成的，总的说来分为时间同步和频率同步。由于发射信号到达时间的未知性产生了符号定时误差。OFDM的基带信号: 3-1其中表示第j个符号的第k个载波上的调制数据，表示第j个符号的第n个采样点。加上保护间隔得到基带信号： 3-2 =第j个符号的接收信号可以表示为： 3

52、-3其中表示第k个载波的信道响应，表示符号定时误差，表示采样误差，表示频率误差，,分别表示有效数据符号长度，采样间隔和整个符号长度包括保护间隔。接收机首先去掉符号中的保护间隔，然后将信号送入FFT，经过FFT第j个符号的第k个载波的解调数据可以表示如下: 3-4这里k表示载波间干扰ICI，表示噪声19。我们首先分析符号同步。符号同步是接收机解调的第一步，其作用是判定符号的起始位置，只有得到了正确的符号起始位置接收机才能正确解调信号。符号同步误差是指符号估计位置和正确位置的误差，表现为载波相位的改变，在第k个载波相位改变如下： 3-5 我们可以发现相位改变值与载波位置成正比。3.1.2 基于序列

53、的符号同步使用PN序列的OFDM传输系统符号构造需要在帧的开头插入训练符号，因此基于PN序列OFDM传输系统不仅适合连续数据的传输，同样也适合突发数据的传输。训练符号有两种组成方式，一种是直接在时域插入PN序列形成训练符号，这种方法的优点是实现简单；另一种方法是在频域插入PN序列形成训练符号，这种方法的优点是有利于均衡和频偏估计。下面简单介绍两种PN序列构造。对于一个OFDM系统，假设发射信号，通过高斯信道，接收信号可以表示为：3-6第一种PN序列构造，如图3.1所示，其符号长度与数据符号长度一样为N，分为前后两局部，后一局部是前一局部的简单重复，也可以用以下方法产生。在一个长度为的符号的偶数

54、位置插入PN序列，在其奇数位置插入零，经过IFFT就可以得到所需要的训练符号。图3.1PN序列构造为了得到符号同步我们可以将前后半个符号共扼相乘并且累加，这样将在正确的符号同步位置产生一个锋利的相关峰。我们使用以下量度来搜索这一峰值。其中：3-7这种方法在高信噪比下可以得到很好的性能，但是在条件恶劣多径的情况下，尤其当信噪比降低时，其相关峰将会在顶峰处出现一段平坡，使得峰值模糊，从而造成符号同步估计误差。为了改善顶峰处平坡的量度，第二种PN序列构造使用四段长度一样的PN序列，前两段完全一样，后两段是前两端的相反数，其总长度依然与数据符号长度一样为，构造见下列图：图3.2PN序列构造其中B由长度

55、为N/4的PN序列经过IFFT得到，我们使用如下的量度搜索符号同步：其中：3-8其峰值由于引进了两段PN序列的相反数使得在正确的符号同步位置出现峰值，其两侧的累加值迅速下降，防止了平坡的出现，使得符号同步估计的正确性大大提高。与其他一些符号同步构造相比，使用PN序列进展符号同步具有速度快，精度高的特点，这就使得无线移动接收成为可能例如WLAN。但是训练符号的插入必然使频率利用率降低，这就使这种方法在高速率通信系统中的应用受到限制。基于循环前缀的符号同步基于循环前缀同步完全利用一个符号的循环前缀局部与末尾局部的相关性在时域进展相关运算得到。设一个符号周期内有用信号长度为N，循环前缀为L，且最大时

56、延小于循环前缀的时间，同时要求数据的随机性良好，连续符号不相关否则误同步概率增加。当起始位置落在循环前缀内时，信号是以N为周期进展周期扩展，令接收信号为，计算与的差，如果n取值使得起始位置在理想同步范围内，则，进展求和运算得： 3-9显然有，令同步时对应的时刻为，时刻就是时域同步需要找到的一个符号的起始同步位置，是以为周期取到的最小值。令，正确同步概率可以用概率分布函数表示：越小，正确同步概率越大20。3.1.4 频域同步OFDM传输对载波频率偏差CFO非常敏感，由于OFDM系统采用分块传输，其传输信号为时域受限信号，与其相对应的子载波的频谱在频域内无限扩展。假设时域为矩形窗，则频谱为Sinc

57、函数，并且各子载波的频谱互相穿插重叠。在没有频率偏差的情况下，频率间的正交性得以维持。假设接收信号与传输信号之间存在频率偏移，则破坏了子载频间的正交性，从而降低了子载波上有用信号的幅度。而子载波上损失的能量作为干扰信号泄漏到其它子载波。下面就来分析多径衰落信道下载波偏移对OFDM系统性能的影响21。假设接收端与发射端没有完全同步，则本地载波与信号载波间有一频率偏差,归一化为，接收端的输入信号经解调后为： 3-10其中 3-11 3-12 设传输数据的均值为0且统计独立，则有用信号的能量与ICI信号的能量比为： 3-13式3-13是归一化频率的函数，系统对频偏非常敏感，要保持CIR大于20db，

58、系统频偏不得大于5%。根据上面的分析，OFDM传输对载波频偏很敏感，因此对频率同步的研究也非常多。一类是利用导频信号或训练序列完成OFDM载波同步，这种方法性能好，但会造成带宽和功率的损失。另一类是盲估计方法，其中最简单的是直接判决，它利用解调后信元速率数据检测相位或频率误差，因此估计的范围不超过信元速率的1/2。3.1.5 无线信道的时变性以及多普勒频移当移动台在运动中进展通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，这是任何波动过程都具有的特性。以可见光为例，假设一个发光物体在远处以固定的频率发出光波，我们可以接收到的频率应该是与物体发出的频率一样。现在假定该物体开场向我们运动，但光源

59、发出第二个波峰时，它距我们的距离应该要比发出第一个波峰的时候要近，这样第二个波峰到达我们的时间要小于第一个波峰到达我们的时间，因此这两个波峰到达我们的时间间隔变小了，与此相应我们接收到的频率就会增加。相反，当发光物体远离我们而去的时候，我们接收到的频率就要减小，这就是多普勒效应的原理。在天体物理学中，天文学家利用多普勒效应可以判断出其它星系的恒星都在远离我们而去，从而得出宇宙是在不断膨胀的结论。这种称为多普勒效应的频率和速度的关系是我们日常熟悉的，例如我们在路边听消防车警报的声音：当消防车行驶方向靠近我们时，其警报音调变高对应频率增加；而当消防车行驶方向远离我们时，警报音调又会变低对应频率降低

60、。信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，即在不同的时刻发送一样的信号，在接收端收到的信号是不一样的。时变性在移动通信系统中的具体表达之一就是多普勒频移，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，这又可以称为信道的频率弥散性frequency dispersion.多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移Doppler Frequency Shift，可以用下式表示：3-14其中表示载波频率，表示光速，表示最大多普勒频移，表示移动台的运动速度。可以看到，多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比。从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时间