（信号与信息处理专业论文）ofdm调制及其在无线局域网中的应用研究.pdf

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 g o n a lf r e q u e n c y d 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。 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 t f r o mw i r 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 o f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h e r eh a v em o r ea n d m 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 l t ot h ee s s e n t i a l o 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 e t e c h n i q u e s a r ea l l c h a n g e i 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 e o ft h e d e v e l o p m e n t o fd s p , i f f w f f t 4 6 1 2 8 2 5 6 q a mu s i n g i n h i g h s p e e d m o d e m ，a n dg r a d u a l i n t r o d u c t i o no fn e wc o d i n g t e c h n i q u e ，s o f t d e c i s i o n t 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 y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) a r o u s e m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a s a t e c h n o l o g y o f h i g h - s p e e d t r a n s m i s s i o n o f d mc a n r e s i s ti s i e 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 f o 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 ep 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 w t o r 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 m s 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 s t h ee f f e c ta b o u t0 f d m s y s t e mb ym a p p i n g ，g u a r di n t e r v a l ，s u b c a r r i e r a n dc h a n n e l g e t s s 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 e d 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 e s sl a nb a s e d o nt h e o f d m ，s u p p l i e st h ec o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o na n a l y s i sb y s y s t e m v i e w s o f t w a r e c o m p a r e s t w oc h a n n e l c o d i n gb y s 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 l y s e s i 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 n o 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 t a 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 nu n i t r 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 t 1 a s t g i v e st h ec o r r e s p o n d r 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 t i v 笪兰望翌 一 o f d m w l a n f f t 下t m c m c c i t t d a b h d t v b r a n i s i i c i c 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 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 d t 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 n t 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 d u l a t i o n g ig u a r di n t e r v a l p l c p m a c 口d u p p d u p m d p 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。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 接收技术p j 。 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 y d 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 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，离散多音频( d i s c r e t e m 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 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 l a u d i o b 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 n t e l e v i s i o n ，h d t v ) 1 5 , 1 6 1 、无线局域网( 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 1 o 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。 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 d o 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 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 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 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 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 r m 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 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，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 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，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)2 p ( f , ) l c ( f ) 1 2 g 。善= 够百 n 虿万l ( 2 _ ，；i f = l v 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 - i d ( 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) d r 啦扩d t ：瓦嚣k 亿z ，憎巾，七) 矗+ ( ，膏7 = f 、胁，女) 2 2 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 50 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 5 1 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 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 1 la 协议、e t s ib r a n ( b r o a d b a n dr a d i o a c c e s s n 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，可以减小 许多不必要的设计开销。 3 2 o f d m 的f f t 实现 用f f t 实现o f d m 的原理为，在不考虑保护时间间隔的情况下，根 据( 2 1 0 ) 式， = 厶+ k r , ，各子载波的频率总可以表示为射频载波的频 率与串行码流频率的整数倍频之和，因此由( 2 9 ) 式表示的o f d m 调制信号 可以写成： d ( ，) = 【d ( ) e x p ( j 等行f ) 】e x p ( j 2 z r f o f ) = x ( t ) e x p ( j 2 z r f o t ) ( 3 1 ) n = 0 o 式中x ( t ) 为复等效基带信号： ( 归d ( ) e x p ( _ ，) ， o ，瓦】( 3 2 ) n = 0 f 坝门) 为第胛个子载波上的调制矢量符号，其数字基带信号的时域波形为矩 形脉冲。串行码的码元周期为，、，经过串并变换以后，码元周期增大为f 。， 因此符号的频率降低为1 n t 。从频谱上看如图3 1 ，由傅立叶变换可知， 长度为，。的矩形脉冲的频谱为s i n x x 形，其主要能量成分集中在相对带 宽为2 m 。的范围内。 2 0 第三章o f d m 系统仿真分析 v v v 汾飞办位v 弋么 图3 - 10 f d m 频谱示意图 由抽样定理【3 9 】可知，如果信号的频带有限，就是说，信号“f ) 的频谱只 在区间( 一珊。，珊。) 内为有限值，抽样角频率纨2 c 0 。就可以有效的恢复原 信号。 对朋f ) 进行抽样有： x ( ) = d ( h ) e x p ( j 争t ) 0 k ( 一1 ) ( 3 3 ) n = 0 1 e h ( 3 3 ) 式可知，坝妨恰恰是战 ) 的离散傅立叶反变换( i d f t ) ，这种信 号经过数模转换器滤波后就可上变频在信道中传输了。因此，o f d m 调制 可由i d f t 实现。如图3 2 串行i 数据 数据f 编码 串，并 变换 d ia 变换 图3 20 f d m 的调制器( d f t 实现方式) 低通幽 滤璇f 对于接收端，由上式和( 21 4 ) 式我们看到，接收信号经过抽样以后 的表达式是对以h ) 进行i d f t 的表达式，为了恢复出讲月) ，根据离散傅立 叶变换的性质，只需将接收信号再做次d f t ，就可以恢复破，? ) 。在解调 时，利用下式得到输出信号： 而) = 萋础) e x p ( - ，争2 r t 七) b ) = 肖( 女) e x p ( 一，七) 0 k f 一1 1 ( 3 4 ) 一2 l 一 奎堕望三查兰堡主鲎垡堡茎一 因此，o f d m 的解调是由d f t 来完成的。如图3 - 3 ： 串行l 数据 剥翮 并，串口1d i ，d 变换f _ 一o 77 广 变换 图3 30 f d m 的解调器( d f t 实现方式) 低通耻 滤璇j 式( 3 3 ) 是离散傅立叶反变换( i d f t ) 的一般形式，而式( 3 4 ) 是离 散傅立叶变换的一般形式。这就是利用数字信号处理技术实现多载波并行 传输的基本原理。这样就大大简化了多载波并行系统的结构，且可利用快 速傅立叶变换( f f t & i f f t ) 高速算法来增强系统的实用性f 4 例。o f d m 系 统的一般处理过程是： 1 ) 、发送端，将战聍) 做i f f t 得到信号x ( k ) ，然后经d a 转换和滤波， 则得到了o f d m 信号。 2 ) 、接收端将接收到的信号抽样后得到x ( ) ，然后对其进行f f t 得 到川胛) 的估值。 然而，以上所推导的结果是在不考虑符号间干扰、多径衰落等的情况 下得出的，而信道中的多径传输，以及瑞利衰落会破坏子载波间的正交性， 其结果会使信号无法正确解调，更谈不上质量问题了。因此，系统采用了 一种方法就是增加保护间隔。发送前就在码元问插入保护时间间隔j 。如 果保护间隔占大于最大时延扩展，则所有时延小于占的多径信号将不会 延伸到下一个码元期间，因而有效地消除了码问串扰。 o f d m 信号的符号周期为瓦，现在要增加为t = 瓦+ 占，贝j j ( 3 2 ) 式变 为： n i 1 一 x ( f ) - d ( ”) e x p ( j f ) f m7 1 ( 3 5 ) n = o 由此，在任意时刻，o f d m 信号可以表示为： s ( ，) = d ( n ) e x p j 2 n n ( t m t ) t