（通信与信息系统专业论文）ofdm传输信道物理层仿真研究.pdf

摘要 摘要 o f d m ( 正交频分复用) 是在严重电磁干扰的通信环境下保证数据稳定完整传输 的技术措施，由于其具有较高的频谱效率和抵抗多径干扰的能力，成为目前解决高速 数据传输的主流技术之一，已成功用于数字视频点播( d v b ) 、非对称用户数据环 ( a d s l ) 以及无线接入网系统，使其在通信中的应用具有良好的基础。 o f d m 技术由于其独特的优点，所以在无线接入和移动高速传输中的应用前景非 常广泛，下一代的移动通信已经将其作为全面提高性能的核心技术。在进行o f d m 系 统开发设计之前，系统的仿真是必要的，可以优化整个系统的参数和指标，缩短开发 的周期。结合我们的实践经验，系统的分析了o f d m 实现中的关键技术，通过一个实 例给出了o f d m 系统仿真的基本框架，重点给出系统设计时需要宏观考虑的问题。本 文就是围绕这个目的来做研究和讨论的，主要包括以下工作： f 1 ) 介绍了o f d m 的基本概念、目前的主要应用、基本的技术特点。总结了o f d m 在通信领域的技术上的优势，并对目前几种流行应用：欧洲的数字音频广播d a b 、 数字视频广播d v b t 无线局域网i e e e8 0 2 1 l a ，o f d m 与蜂窝移动通信结合以及有 线宽带网接入进入了深入的讨论和比较。 ( 2 ) 在对各种标准进行详细研究之后，本人利用软件m a t l a b 6 1 和a c t i v e h d l 5 1 进行了接入层的传输信道编码与复用功能模块的系统仿真，其中的模块包括： 卷积编码、t u r b o 码、交织、收缩、物理信道殃射、加入导频、脚嘲、循环前缀、 回波消除等。其中，在回波消除模块中，提出了利用正交小波变换进行自适应滤波， 对系统误码性能有一定的改善。为了仿真系统的普遍性和通用性，仿真过程中参照了 i e e e8 0 2 1 l a 协议。 ( 3 ) 给出系统软件仿真和硬件仿真的方案结果和数据分析。 ( 4 ) 结尾部分对工作做了总结，在达到计划预定目标的基础上，对今后的研究工 作做了展望和设想。 关键字：信道编码；传输信道编码与复用功能模块仿真；正交频分复用( o f d m ) ； 回波消除；正交小波变换。 兰里翌三奎兰堡圭兰焦笙苎 a b s t r a c t o 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 ) i sat e c h n i q u et op r o t e c tt h e d a t at r a n s f e r m a t i o ns t a b l ya n ds a f e l yu n d e rt h ec o r r e s p o n d e n c ee n v i r o n m e n to fs e r i o u s e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c e o f d mb e c o m e st h em a i nc u r r e n ts o l u t i o nt os u p p o r tt h e s u p e r s p e e dd a t at r a n s f e r m a t i o nb e c a u s e o fi t se f f i c i e n ts p e c t r u mu t i l i z a t i o na n dt h ea b i l i t y o fc o m b a t i n gm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e m o r e o v e r ，o f d mh a sb e e ns p r e a dw i l d r a n g i n gi n m a n y c o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o n ，i n c l u d i n ga s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ( a d s l ) ， d i g i t a la u d i o v i d e ob r o a d c a s t ( d a b d v b ) ，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 ) ，w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r ke t c s i n c ei th a ss p e c i a la d v a n t a g e s ，o f d mh a sp r o m i s i n gt e c h n o l o g i e sf o ri t sb r o a d a p p l i c a t i o n si nw i r e l e s sa c c e s sa n dh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o n m e a n w h i l e ，i tw i l lb e c o m e t h ec o r e t e c h n o l o g y t o i m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e i nt h en e x tm o b i l ec o m m u n i c a t i o n g e n e r a t i o n b e f o r et h ed e v e l o p m e n t o fo f d m s y s t e m ，t h es y s t e ms i m u l a t i o ni sn e c c e s s e r y b e c a u s ei tc a no p t i m i z et h ep a r a m e t e r sa n di n d e x e sa n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e w i t ht h ep r a t i c a le x p e r i m e n t ，t h i sp a p e ra n a l o g st h ec r i t i c a lt e c h n o l o g ya n du n d e ra n e x a m p l ew h i c hd r a w st h e b a s i cf r a m eo fo f d ms y s t e ms i m u l a t i o n h o w e v e r , i tp a y s a t t e n t i o nt ot h ep r o b l e mw es h o u l dc o n s i d e rw h e nm a k i n gt h es y s t e md e s i g n t h i st h e s i s f o c u so nt h er e s e a c ho fm es i m u l a t i o no fo f d m t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： ( 1 ) t h ed e s c r i p t i o no fm a i nc o n c e p t i o n sc u r r e n tm a i na p p l i c a t i o n s 、b a s i ct e c h n o l o g y p o i n t s ，e t c i t s u m m a r i z e st h e a d v a n t a g e s o fo f d mt e c h n o l o g ya n dm a k eaf a t h e r l y d i s c u s s i o na n dc o m p a r i s o na m o n gt h ef o l l o w i n gs y s t e m s ：d i g i t a la u t ob r o a d c a s t ( d a b ) 、 d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t t e r r i s t r i a l 、w i r e l e s s l a n ( i e e e 8 0 2 1la ) 、m o b i l e c o m m u n i c a t i o nc o n b i n e dw i t ho f d ma n db r o a d b a n da c c e s sl a y e r ( 2 ) a f t e rf o c u s i n go nt h er e s e a r c ho ft h e s t a n d a r d so fk i n d so fo f d m ，t h ep a p e r d e s c r i b e st h es i m u l a t i o no ft h eb l o c k so ft r a n s p o r t c h a n n e lc o d i n g m u l t i p l e x i n go fr a d i o a c c e s sl a y e r ：c h a n n e lc o d i n g 、i n t e r l e a v i n g 、p u n t u r i n g 、p h y s i c a lc h a n n e lm a p p i n g 、p o l i t s i g n a la d d i n g 、i f f t ，f f tp r o c e s s i n g ( 3 ) t h i st h e s i sp r e s e n t s t h es i m u l a t i n gr e s u l to fs o f t w a r ew h i c ha n a l i e st h er e s u l t d a t a s a n d p r o p o s e st h ed e s i g n o fh a r e w a r e ( 4 ) i nt h ee n d ，t h ep a p e rm a k e sac o n c l u s i o n o ft h ew h o l ew o r k ，b a s i n go nt h e p l a n n e dt a s kh a v i n gb e e na c c o m p l i s h e da n dp r o s p e c t s t h es c h e m ea n dr e s e a r c ho ft h e s i m u l a t i n gs y s t e m o fo f d m k e y w o r d s ：c h a n n e lc o d i n g ；t r a n s p o r t c h a n n e lc o d i n g a n d m u l t i p l e x i n gs i m u l a t i o n ；o f d m ；e c h o c a n c e l l a t i o n ；o r t h o g o n a lw a v e l e t i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 do 作者签名：嚼自书日期：矿弘年占月t l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：鼍毫；与日期：。华年舌月竹日 导师签名： 砂拜：c 日期：or j - 年6 月，厂日 第一章绪论 1 10 f d m 的历史 第一章绪论 o f d m 的历史可以追溯到2 0 世纪6 0 年代中期，c h a n g 发表了关于带限信号合成进 行多信道传输的论文，其中阐述了把信号放在线性带限信道中，i c i ( 无通道问干扰) 和i s i ( 符号间干扰) 并行传输的基本原理。之后，s a l t z b e r g 对这种处理进行了分析， 并得出了这样的结论：“设计一个有效的并行处理系统的目的应该在于减少相邻信道 间的串话，而不在于完善单个信道，因为减小串话失真更为重要m 。”这个非常重要 的结论，在几年之后所形成的数字基带处理技术中得到了证明。 1 9 7 1 年w e i s t e i n 和e b e r t a j 对o f d m 的发展做出了重要贡献，他们将d f t 技术引 入o f d m 中，进行基带调制和解调。他们的工作不在于“完善单个信道”，而是引入 更加有效的处理技术，避免了使用大量子载波振荡器。并且为了减少i s i 和i c i ，他们 在o f d m 符号间加入了防卫间隔以及时域升余弦窗函数。但是他们的系统予载波在弥 散信道环境下不能保持完善的正交性。1 9 8 0 年p e l e d 和r u i z 对o f d m 技术做出了另一 个重要贡献，即把循环前缀( c p ) 或称循环扩展引入o f d m 以解决正交性问题。他们在 防卫间隔中加入的是o f d m 符号的循环扩展，而不是使用空白防卫间隔，从而有效 地模仿了循环卷积，当c p 大于信道冲激响应时间( 即信道的撮大延迟扩展s 。) 时， 就能够保证弥散信道中予载波间的正交性。虽然加入c p 也同时带来了能量损失，但 是相比于其所获得的几乎是零的i c i ，还是值得的。 目前，o f d m 已为多种数字无线通信的标准所采纳，如欧洲的数字音频广播 d a b 、数字视频广播d v b t ，以及无线局域网m e e8 0 2 1 l a 等。1 。o f d m 在蜂窝移动 通信中应用始于2 0 世纪8 0 年代中期，而从1 9 9 3 年开始兴起了o f d m 与c d m a 相结合 的研究；o f d m 也被应用于有线环境的各种高速p s t n 接入，用以抗脉冲干扰、防止 串话，如a d s l ，h d s l ，v d s l 等，当o f d m 应用于有线时，通常被称为d m t ，即离 散多音频技术m 。这些标准将在下面章节予以介绍。 1 2 标准介绍 1 2 1 欧洲的数字音频广播中0 f d m 的应用 o f d m 在数字广播电视系统中应用，其中数字音频广播( d a b ) 标准是第一个正式 使用o f d m 的标准，系统框图如图1 1 所示。选择o f d m 作为数字音频广播和数字视 频广播( d v b ) 的主要原因在于：o f d m 技术可以有效地解决复杂地面的多径时延扩 展问题。 华南理工大学硕七学位论文 幽1 1d a b 发送端 f i 9 1 1 d a b s y s t e m t r a s m l t _ t e r d a b 是在现有模拟a m 和f m 音频广播的基础上发展起来的，它可以提供更优质的 语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率，它所提供的语音质量可以与c d 音 质相媲美。在d a b 系统中使用o f d m 的一个重要原因就是可以使用单频网络，可以大 大提高系统的频谱效率。在单频网络中，用户从不同的接收机同时接收相同的信号。 由于不同发射机之间存在传播差异，因此不同的到达信号之间会存在时延。而对于用 户来说，这种情况相当于两径的衰落信道。因此，只要这两个信号之间的传播差异小 于o f d m 符号的保护间隙，就不会出现i s $ i c i 。两个时间移位信号的叠加，使得合成 信号处于深度衰落的概率要远远低于一个信号处于深度衰落的概率，故可获得分集 接收的好处例如当两个发射机相距4 0 k m ，信号的时延扩展会达到1 3 3us 。 用 一一 釜i 冽剁刻冽囱 图1 2d v b t 发送端 f 蟾1 2 d v b - t t r a s m i t t e r 1 2 2 数字视频地面广播中0 f d m 应用 地面d v b 通过两种模式利用o f d m ，即分别采用子载波个数为1 7 0 5 5 n 6 8 1 7 的 o f d m 技术 6 1 。图1 2 5 1 1 图1 3 分别给出d v b t 系统的发射机和接收机的框图1 6 1 。输入 数据被分为若干组，每组内包含1 8 8 个字节，它们经过扰码以及外r s 编码，能够在2 0 4 个字节帧内纠正8 个错误字节。然后，经过外编码的比特再由交织器进行交织，在1 2 个字节深度内按字节进行交织。并且再按编码的效率可以被提高至t j 2 3 、3 4 、5 6 或 7 8 。最后，卷积编码比特再经过内交织器的交织，被映射为q p s k 、1 6 q a m 或6 4 q a m ， d v b t 系统的接收机框图参见图1 3 。模拟前端信号经过降频转换和d 转换之后， 数字a g c ( 自动增益控制) 用于调整模拟前端电路的可变增益放大器( v g a ) 的增益。 第一章绪论 粗频率偏差纠f 用于降低予信道增益，降低子信道间的干扰。频率偏差估计利用固定 导频信号进行初始估计，利用均匀分布的导频信号进行随后的精确同步。为了保证检 测和软译码的准确性，还要进行信道估计，其中利用导频信号进行信道估计，并且还 利用时域和频域的内差，获得所有信号位置的信道估计。 1 2 3 蜂窝移动通信中应用 图1 3d v b - t 接收端 f i g1 3 d v b - t r e c e i v e r o f d m 应用于移动通信，主要是指与各种多址方式的结合。目前，引起广泛研究 兴趣的是o f d m 与d s c d m a 的结合，其基本动机是利用o f d m 和c d m a 各自的优点， 构造一种高速传输的有效方式。它们相结合的方式主要有3 种：m c c d m a 、 m c d s c d m a 以及m t c d m a ，统称为多载波c d m a 。其中第1 种属于频域扩频，它 将一个扩频序列的各个码片分配到不同的子载波上传输，从而可以获得明显的频率 分集。而后2 种都是时域扩频，它们的每一个子载波上传输的都是一路d s c d m a 信 号，即当子载波数为l 时，它们都退变为普通的d s c d m a 。下面分别讨论这3 种方式。 m c - c d m a 发射机在频域使用给定的扩频序列将原始数据在不同的子载波上进行扩频。图 1 4 为采用b p s k 调制的发射机结构及在子载波数n 。= 4 和处理增益g m c = 4 = n 。时的 功率谱示意图。 位亚娶- 图1 , 4m c - c d m a 发射端及频谱 f i g i 4 m c c d m a t r a n s m i t t e ra n ds p e c t r u m 时域扩频( d s c d m a ) 是各个码片分时占有同一段被展宽了的频谱，而频域扩 频则是各个码片在不同的频段上占有同一段时间。若采用普通的f d m 则后者所占的 华南理上人学硕士学位论文 总带宽约等于前者，而采用后者所占的总带宽约等于前者，如图1 4 所示。而采用 o f d m 则使后者的频带利用率提高近一倍，从而仅用前者一半的带宽就能实现相同 的扩频增益。 m c d s c d m a m c d s c d m a 发射机在时域用给定的扩频码将串并变换( s p ，s e r i a lt op a r e l l e l ) 后的数据流进行扩频，使所得各个子载波频谱在最小频率间隔的情况下保持正交。这 种方式能降低每路子载波上的数据速率，得到较长的码片周期，有利于扩频序列的同 步。图1 5 给出了m c d s c d m a 方式的发射机结构及子载波数n c = 4 和处理增益 g m d = 4 时的发射信号的功率谱示意图。c d m a 使用长度与子载波数成正比、相对于 普通d s c d m a 更长的扩频序列进行扩频，其用户容量也大于普通d s c d m a 系统。 数据流 k “幻 位亚d - 1 23 伪4频率 图1 5m c d s c d m a 发射端及频谱 f i 9 1 5 m c - d s - c d m a t r a n s m i t t e ra n ds p e c t l u l l l m t c d m a m t c d m a 发射机中，数据流经过串并s p 变换后在时域用给定的扩频码进行扩 频，使得每路子载波频谱在扩频前能够以最小的频谱间隔保持正交，因此所得扩频后 的各子载波频谱不再保持正交。m t c d m a 进行扩频而使用的扩频序列长度与子载波 数成正比、并且相对于普通d s c d m a 码长更长，从而其用户容量也大于普通 d s c d m a 系统。图1 6 为m t c d m a 方式的发射机结构，并且给出了子载波数n c = 4 和处理增益g m d = 1 6 时的发射信号的功率谱示意图。 圆簖 s ， p 茗跏。一寸 转 换 一一哕。、。，。桶。 f i 9 1 6 m t - c d m a t r a n s m i t t e ra n ds p e e t r t t r n 4 第一章绪论 1 2 4 无线局域网i e e e8 0 2 ”a 中o f d m 的应用 w l a n ( 无线局域网) 系统的一个典型例子就是l u c e n t 公司的w a v e l a n ，其早 期系统在9 0 0 m h z 或2 1 4 g h z 频段中采用直接序列扩频( d s s s ) 或跳频扩频( f h s s ) 的 物理层技术，提供2 m b i t s 的数据传输速率，现在的系统能提供5 1 5 m b i t s 和 1 i m b i t s 的速率，甚至实现5 4 m b i t s 的传输速率。w a v e l a n 的数据链路层中逻辑 链路控$ 1 l l c 子层使用c r c 校验，介质访问控常i i m a c 子层使用带有冲突避免的载波 监听多址接入技术( c s m a c a ) ，并且可以与以太网兼容。w l a n 的标准主要有i e e e 8 0 2 1 1 ，它是工作于2 1 4 g h zi s m 频段的第一个w l a n 标准，其中规定使用不同的物 理层技术，即直接序列扩频、调频，可以提供2 m b i t s 的数据速率。i e e e8 0 2 1 l a i 作在5 g h z 频段，利用o f d m 作为物理层技术，提供6 m b i t s 至l j 5 4 m b i t s 的数据速率。 图1 7 中给出i e e e8 0 2 1l a 中的o f d m 收发机的基带处理通用框图m 。在发射机路 径中，二进制输入数据经过标准的1 2 码率的卷积编码。通过对编码数据实施收缩操 作，编码效率可以提高到2 3 或3 4 。经过交织之后，二进制数据被转换为q a m 复数 符号。为了便于相干检测，在4 8 个数据值中需要插入4 个导频符号，这样在每个o f d m 符号内就可以得至i 5 2 个q a m 复数值，然后经过i f f t 变换，把这些符号调制到5 2 个予 信道中。为了使系统对抗多径衰落，需要在符号之间插入保护间隔。而且为了得到较 小的带外辐射，还需要对符号进行加窗功率处理。最后，数字输出信号被转换为模拟 信号，然后调频至i j 5 g h z 的频段，经过放大，通过天线被发送。 圈岖三睫围+ 匝 硼涮翌雕朔删 l 二_ j a ) 发射端 b ) 接收端 图1 7i e e e8 0 2 1 l a 收发机 f i 9 1 7 i e e e8 0 2 1 l a t r a s m i t t e r & r e c e i v e r o f d m 接收机执行发射机的逆操作，同时还需要执行附加的训练过程。首先，接 收机必须利用前同步域中的特殊训练符号去估计频率偏差与符号定时。然后实施f f t 解调，恢复所有子信道中的5 2 个q a m 复数值。导频符号用于纠正信道影响，以及剩余 华南理- t 大学硕士学位论文 的相位漂移。然后把q a m 复数值映射为对应的二进值。最后，对这些比特信息实施 维特比译码，以恢复发送的二进制数据。 1 2 5 有线宽带中0 f d m 的应用 a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ：非对称用户数字线路) 是一种不对称 数字用户线路实现宽带接入互联网的技术，系统参考框图如图1 8 所示。其中，a d s l 作为一种传输层的技术，充分利用现有的铜线资源，在一对双绞线上提供上行 8 0 0 k b p s 下行8 m b p s 的带宽，最远距离可达5 5 k m ，从而克服了传统用户在“最后一 公里”的“瓶颈”，实现了真正意义上的宽带接入。传统的电话系统使用的是铜线的低 频部分( 4 k h z 以下频段) 。而a d s l 采用d m t ( 离散多音频，d i s c r e t e m u l t i t o n e ， o f d m 技术应用于有线系统如a d s l 中的模式) 技术，将原先电话线路0 h z 到1 1 0 4 m h z 频段划分成2 5 6 个频宽为4 3 1 2 5 k h z 的子频带。其中4 k h z 以下频段仍用来传送p o t s ( 传统电话业务) ，2 0 k h z 到1 3 8 k h z 的频段用来传送上行信号，3 4 5 k h z 到1 1 0 4 m h z 的频段用来传送下行信号。d m t 技术可根据线路的情况调整在每个信道上所调制的 比特率，以便更充分地利用线路。一般来说，如果子信道的信噪比越大，在该信道上 调制的比特率数越多。如果某个子信道的信噪比很差，则弃之不用。a d s l 固有的非 对称性，使它很适合那些要求高下行带宽，但要求低上行带宽的任何应用：接入 i n t e r n e t ，居家上班、视频流或实时信息、远程学习、远程医疗、视频会议等 7 1 。 囹蔼瓦鼎重匿i 坌堕塑南i - 吲坌塑壁il 一 p s t n 1 3 论文结构 囤1 8a d s l 系统参考模型 r i 9 1 8 a d s l s y s t e mm o d e l p o t s 本论文在第一章介绍了o f d m 技术的产生历史，并且讲述了自从产生以来比 较成熟的应用；在第二章详细说明了o f d m 技术的基本原理，包括现阶段广泛应 用的i f f t f f t 调制解调技术。同时，就o f d m 的几个关键技术例如加载循环前缀、 时频分析做了阐述，总结了o f d m 突出的几项优点，指出其固有的缺陷，对最新 发展做了展望；在第三章系统软件设计系统地对本设计中的系统流程和各个模块的 设计做了说明和讲解；第四章给出了硬件方面的一般设计；第五章给出了o f d m 系统各个模块的仿真参数和结果图。 6 第一章绪论 1 4 本章小结 国外o f d m 技术的探讨是通信领域的热门话题，已经进入w t o 的中国正加大对这个方向的研 究力度。通过以上章节对o f d m 目前的发展状况的概述性介绍，可以得出，本设计通过仿真软件搭 建一个功能完善的o f d m 系统平台，可以为以后更高层次和更深入的研究奠定基础，是非常有意义 的。 7 华南理工大学硕士学位论文 第二章o f d m 基本原理 o f d m 的英文全称为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 ，含义为正交频分复 用技术。这种技术是h p a 联盟( h o m e p l u g p o w e r l i n ea l l i a n c e ) 工业规范的基础，它采 用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信 号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常被 利用在容易外界干扰或者抵抗干扰能力较差的传输介质中，o f d m 模型如图2 1 所示。 - tt x - t - 鼋 ls u b c h ( 1 ) l 絮 - tr x - 卜_ 击【鞠 - tt x ：f - 譬 s u b c h ( 2 ) 宝 - tr x ：卜 嵩 煳 | i - t t x 。w t - p s u b c h 州一1 ) 9 怔x m t 、卜_ 。陶 图2 1 0 f d m 模型 f i 9 2 1o f d m m o d e l 2 1o f d m 调制和解调的i f f t ，f f t 实现 2 1 1o f d m 的调制和解调的基本原理 o f d m 的调制原理，见图2 2 - 。速率为r b b i “s 的串行比特流，经过信道编码器， 每l 0 9 2 m - 个 比特被映射为一个符号( m 为符号空间的符号个数) ，从而产生速率为 图2 2o f d m 发送端调制部分 f i 9 2 2 o f d mt r a n s m i t t e rm o d u l a t i o n 8 第二章o f d m 基本原理 r 。= r b f l 0 9 2 m 符号s 的串行符号流，符号周期t 。= l r s ( 单位s ) 。将这些串行符号s p 变 换为n 路并行符号，每一个符号调 i i i j n 个正交子载波中的一个，n 个调制后的子载波 相加，再进行传输，然后再读入n 个符号，重复以上过程。每n 个子载波之和被称为 一个o f d m 符号( 宽带信道被划分成n 个窄带子信道) 。o f d m 符号的周期t 。f d 。= n t 。， 但是因为共有n 个串行速率为r s 的子信道并行传输，故总数据速率不变。各子载波间 的正交性是通过适当选取f 0 以及子载波间隔实现的，取子载波间隔f - - 1 n t 。，以及 f 0 = 洲t 。( 其中k 为大于或等于零的整数，一般取零) ，f = f o + n a f ，则各子载波间在一 个o f d m 符号周期内可保持正交。 o f d m 系统接收端的解调部分如图2 3 所示，o f d m 符号经过混频器积分器组 进行解调和判决。在不考虑同步误差及信道干扰的理想情况下，进入每一路混频器 积分器的信号为相互正交的正弦信号和余弦信号的和，其形式为： a ( 0 ) c o s ( 2 1 t f o t ) + b ( 0 ) s i n ( 2 z f o f ) + ，+ d ( 一1 ) c o s ( 2 筇f i i t ) + b ( n 1 ) s i n ( 2 刀f , 一i t ) ( 2 - 1 ) 由于f 。子载波上需要得到频率为f n 的同相分量，混频器将式( 2 一1 ) 乘以c o s ( 27 t 。) ， 然后在时间o n t 。内进行积分。因为载波问的正交性，积分运算只对位于f n 处的同相 予载波有非零结果，从而提取出有用数据a ( n ) ，同样的道理可以从各正交支路恢复出 b ( n ) 。所有被恢复的符号经过并串p s 变换后，再进行解码，即得到所发送的原始数 据比特。从以上叙述中可见，虽然子信道频谱相互混叠，但是子载波间的正交性却使 得各个子信道依然能够被分离出来。j 2 1 2f f t 实现 图2 2 的输出可写作1 ：x ( f ) = a ( n ) c o s 2 9 i l t + b ( n ) s i n ( 2 n f , , t ) ( 2 2 ) n - - 0 式( 2 2 ) 中，0 t n t s ，以t = t 。进行采样，得： 一1 x ( m 兀) = a ( n ) c o s 2 n f 一( m t , ) + b ( n ) s i n 2 y t f o ( m t q ( 2 3 ) n = 0 式( 2 - 3 ) 中，m = 0 ，1 ，n - 1 。将这些分量以t 时间间隔进行低通滤波，即进行d a 变换，则又可以回复为原来的模拟信号x ( t ) 。将f n = f o + na f 代入( 其，f i _ k ，n t 。，且取k 一l 为n 的整数倍) ，则式( 2 3 ) 可写作： x ( m ) = r c ( 口( h ) + j b ( n ) e - j 2 “l ( 2 4 ) n - - 0 而大括号内正是序列x n ( = a ( n ) + j b ( 1 7 - ) ，( n = 0 ，1 ，n 一1 ) ) 的离散傅立叶变换d f t 。 可见，图2 3 可用d f t 实现，取d f t 输出的实部，再经d ，a 变换和重建( 平滑) 滤波又 可恢复成原来的模拟信号x ( t ) ，经上变频即可送入信道进行传输。由于信道只传输 华南理工大学硕士学位论文 d f t 输出的实部，因此在接收端则以时间at 2 间隔进行采样，并进行2 n 点d f t 才能恢 复出原来的数据。与发送端相同，图2 3 接收端的框内部分也可以用d f t 模块代替。 为使d f t 输出为实数，可以将x n 的共轭反转序列x 3 一n 】右移2 n 点置于x 【n 】之后 从而构成2 n 点的共轭偶对称序列( 若新构成的2 n 点序列为x n 】，还需要x 【o 、x 1 n 】 均为实数) ，2 n 点的d f t 即为实数。另外，如果上变频调制的输入既有i 通道又有q 通 道，则不仅可以传输实部( i 通道) ，还可以传输虚部( q 通道) 。 由于将a ( 1 2 ) 改为一a ( n ) 或将b ( 1 1 ) 改为_ b ( n ) 并不影响信息的携带，而且o f d m 作为 m c m 的一种，技术属于多载波调匍j ( m u l f i c a r r i e r m o d u l a t i o n ，m c m ) 技术，故图2 2 也可 用i d f t ：米实现。经i d f t 处理后的输出为： 1 - - 1 x ( m ) = r e 吉 n ( n ) + j b ( n ) e 舯) ( 2 5 ) n = 0 1n - 1 经d ，a 变换后得：x 沁) = 寺 口( h ) c o s 2 面f b 0 1 ) s i n 2 n f o t ( 2 6 ) i vn = o 与式( 2 5 ) 相比，x ( t ) 与x ( t ) 的差异仅在于幅度以及b ( n ) 的符号，因而不会影响 信息的传输。由于d f t i d f t 有快速算法f v r i f f ( 如果n 2 “，补零) ，从而图2 2 可用i f f t 实现。 图2 3 接收端的框内部分可用f f t 实现。o f d m 系统的f f t 实现，可以省略大量 的振荡器和积分器，而使用比较成熟的d s p 技术，可有效地降低系统的成本和复杂 度，促进 o f d m 系统的实用化。 描p ，s 8 i l l ( 2 师t ) 变 c o s ( ；巧氐1 t ) 换 船 2 2 循环前缀 s i n ( 2 f n 1 t ) 图2 3o f d m 系统解调 f i 9 2 3o f d md e m o d u l a t i o n 加循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 的目的是消除i s i 和i c i 1a 如图2 4 所示，阴影部 分为循环前缀，是将o f d m 符号尾部的一部分复制后放到前部。循环前缀的长度要大 l o 第二章o f d m 基本原理 于信道最大延迟扩展s 。，这样使得前一个符号的多径副本都落在后一个符号的循环 扩展范围内，而消除前后2 个符号之间的干扰。而且由 于循环前缀的加入，使得一个o f d m 符号看上去像是 周期的，而同一个o f d m 符号的不同多径版本之间的 图2 4 循环前缀 不同子载波仍能够保持正交，这样也防止了i c i 。 9 i 9 2 4c y c f i c p r e 6 1 设循环前缀的长度为n 。，则加入循环前缀后一个o f d m 符号的长度变为： n 。= n c p + n ( 2 - 7 ) i f f t 输入的第i 个序列为： m = 【x ( i n ，+ ) x ( i n ，+ n c p + 1 ) ，x ( i n , + v 0 + 一1 ) r ( 为2 的幂) ( 2 - 8 ) i h 叮输出为： u i = ，t 朋) = w ，盯舫= “( 订讥+ 印) ，“f ( 枞+ 肌p + 1 ) ，u i ( i n s + n a , + 1 ) r ( 2 - 9 ) 其中，n w ，。= e j 2 n ”u ( p ，q 2 l ，2 ，n 一1 ) ( 2 - 1 0 ) 加入循环前缀后为：u i = z 轨i _ u ( i g o ，u ( i n , + 1 ) ，u ( i n ，+ m 一1 ) 】7 ( 2 - 1 1 ) 其中， r d n 惭i n 印 t 。= ii m l i n j( 2 1 2 ) m 为最大信道冲激响应长度。假设信道在一个o f d m 符号周期内是不变的( 或者 是慢衰落) ，其在第i 个符号周期内的冲激响应序列为： 胁= 【h t ( o ) ，缸( 1 ) ， f 2 ) ，缸( m ) r ( 2 - 1 3 ) 则接收到的符号为： r 。，= ( 觑半m ) r e c ( n i n s ) + ( h i 一1 * u i 1 ) + r e c ( n i n s ) + n + f = h o u f + h l u i l + n 。i( 2 - 1 4 ) 其中，r e c ( n ) 为长度为n s 的窗函数，第一项为信道对第i 个符号的响应，第二项为 第i 一1 个符号对第i 个符号的码问干扰( i s i ) ，n i 为相应的噪声序列。 h 。和h 。分别是具有如下形式、阶数为n 。n 。的t o e p l i t z 矩阵时一。： 二o ? +r ： h 1 2 l h i ( 叫l 去掉循环前缀，也就去掉了( 2 - 1 4 ) 式的第二项，消除了码间干扰i s i ，得： n = 鼢r f = r c p h o u + r 棚0 = r 单h 0 7 和f + ，l f = h o u i + n i ( 2 - 1 5 ) 其中，= o n 。( | 一n ) i n ，日，0 = 尺口o ，为n n 的循环矩阵n 4 ，具有以下形式： 习l 川_ 司l _ 卜；q 0 o 吣 一 h _i 0 o 一 o “ h ； h n l = 如 愕“1 竖m i n i h 0 = 协i ，：i ：“州 卜一。0 _ 0 。l j 其中， 日，= h ，( m ) p 哪“i n ，( 女= o 1 n - 1 ) ， ( 2 1 8 ) 其中h i = f f t ( h i ) = 【h i l 0 ，h i ，l h i n 1 】t 为由h + 。主对角线上的元素组成的列向 2 3 时一频二重性分析 o f d m 作为多载波调制技术的一种，可以认为是一种频域技术 1 7 ，其所有的信号 处理都是在频域完成的。在发送端，交织、信道编码、频谱成型都是在i f f t 之前完成 的；在接收端，信道解码、信道均衡和相位噪声跟踪等都是在f f t 之后完成的。其传 输则是在时域进行的。 o f d m 有很强的抗时域脉冲噪声干扰的能力，但其却易受频域脉冲干扰的影响。 而与此形成对比，单载波调制( s c m ) 能抗频域脉冲干扰，而对时域脉冲干扰很敏感。 频谱成形和信道编码可以用于改善o f d m ( m c m ) 系统抗频域脉冲干扰，而s c m 则使用 自适应均衡和信道编码来改善时域脉冲干扰。 为了抗i s i ，s c m 需要预留一部分频谱用于脉冲成形( 频域) ，而o f d m ( m c m ) 则插入保卫怕j 隔( 时域) 。s c m 系统不能加保卫间隔是因为它们的符号周期都特别短。 为了抗多径干扰，s c m 系统可以加入训练序列( 时域) 以辅助自适应均衡器收敛和 第二章0 f d m 基本原理 系统同步。f f i o f d m ( m c m ) 系统则往往设立参考符号或在频域上划分子载波以获 得信道状态信息。 2 40 f d m 在实现中的关键技术 1 ) 编码和交织技术 o f d