基于802.11a的OFDM仿真.doc

湖湖 南南 涉涉 外外 经经 济济 学学 院院 毕毕 业业 设设 计（计（ 论论 文文 ） 题目题目 基于宽带无线通信系统的基于宽带无线通信系统的 仿真链路设计仿真链路设计 作者作者 学部学部电气与信息工程电气与信息工程 专业专业通信工程通信工程 06 级级 学号学号20064000202 指导教师指导教师 二 年 月 日 摘摘 要要 本文在分析和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, 并讨论了其中的关键技术。研究基于 IEEE802.11a 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（天线分集技术，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。通过仿真可发现本链路采用的分集、 同步等技术可以明显地改善 BER 性能。 关键词关键词：OFDM; IEEE802.11a；调制解调；同步 Abstract Based 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. Research is based on IEEE802.11a standard physical layer simulation platform structures. IEEE802.11a wireless LAN, the physical layer uses Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Meanwhile, the paper also analyzes the key technology standards for the physical layer (diversity antenna technology, channel estimation, synchronization technology) and the basic principles. Link built in modem technology, focused on research, it is also focused on studies of the simultaneous impact of technology on the entire link, and use simulation tools Matlab simulation analysis of them. Full-text can be divided into four parts: the wireless communication system development and research, OFDM system, the basic principles, IEEE802.11a physical layer specifications, IEEE802.11a simulation platform to build and link performance simulation analysis. Simulation in which the link is divided into three parts: transmitter, channel, receiver. The simulation can be found in this link with a sub-set of synchronization technology can significantly improve the BER performance. Key Words: IEEE802.11a, OFDM, Modulation and demodulation,Synchronization 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - I - 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 无线通信发展及意义 .1 1.2 无线通信研究方向 .1 第二章第二章 IEEE802.11A 物理层标准介绍物理层标准介绍 .3 2.1 OFDM 的帧结构.3 2.2 OFDM 的编程过程.4 2.3 802.11A的系统参数.5 第三章第三章 OFDM 的基本原理的基本原理.7 3.1 OFDM 的结构框图.7 3.2 星座映射 .7 3.3 串并变换和 FFT.8 3.4 插入循环前缀 .8 3.5 对于 OFDM 调制过程的理解.9 第四章第四章 802.11A 仿真平台的搭建仿真平台的搭建.10 4.1 仿真模型和链路参数设置 .10 4.2 编码 .13 4.3 子载波的调制与解调 .15 4.4 天线分集 .23 4.5 信道模型 .26 4.6 同步 .27 第五章第五章 总结总结.35 参参 考考 文文 献献.36 致致 谢谢.37 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 无线通信发展及意义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 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 2 - 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 802.11g 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。 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 3 - 第二章第二章 IEEE802.11a物理层标准介绍物理层标准介绍 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 速率的最高界限提高到了 54Mbps。 2.1 OFDM 的帧结构的帧结构 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。 图图 2.1 PPDU 帧结构帧结构 其中，报头包括速率（Rate）位，保留（Reserved）位、长度（Length）位、奇偶 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 4 - 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 Symbol） 、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。 图图 2.2 OFDM 的符号结构的符号结构 2.2 OFDM 的编程过程的编程过程 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。 (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（NBPSC） ，以及每个 OFDM 符号中经 过编码的比特数（NCBPS） 。 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 5 - (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 (Interleaving)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。 2.3 802.11a 的系统参数的系统参数 表 2.1 为 802.11a 中规定的系统主要参数1。 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 6 - 表表 2.1 OFDM 系统的主要参数系统的主要参数 参数参数值 码片时间(chip duration)50ns NSD(Number of data subcarriers) 数据子载波的个数 48 NSP(Number of pilot subcarriers) 导频子载波的个数 4 NST(Number of subcarriers,total) 总的子载波个数 52（NSD NSP ） 抽样速率20MHz OFDM 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 Rate 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。 表表 2.2 Rate 决定的参数决定的参数 Rate 数据速率 (Mbit/s) 调制方 式 编码 速率 NBPSCNCBPSNDBPS 11016BPSK1/214824 11119BPSK3/414836 010112QPSK1/229648 011118QPSK3/429672 10012416QAM1/2419296 10113616QAM3/44192144 00014864QAM2/36288192 00115464QAM3/46288216 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 7 - 第三章第三章 OFDM的基本原理的基本原理 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，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。 3.1 OFDM 的结构框图的结构框图 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 中都会有类似的结构图。如下图所示。 图图 3.1 OFDM 发射端结构框图发射端结构框图 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。 3.2 星座映射星座映射 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 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 8 - 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。 图图 3.2 星座映射的过程星座映射的过程 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”。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。 3.3 串并变换和串并变换和 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。 3.4 插入循环前缀插入循环前缀 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 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 9 - 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。 图图 3.3 插入循环前缀插入循环前缀 3.5 对于对于 OFDM 调制过程的理解调制过程的理解 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。 图图 3.4 OFDM 发射端组成图发射端组成图 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，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 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 10 - 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，而且误码率也更小。 第四章第四章 802.11a仿真平台的搭建仿真平台的搭建 4.1 仿真模型和链路参数设置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： 图图 4-1 802.11a 链路仿真图链路仿真图 4.1.1 802.11a 链路仿真参数链路仿真参数 SampFreq , 20e6, . %采样频率 ConvCodeGenPoly, 1 0 1 1 0 1 1;1 1 1 1 0 0 1 , . %卷积码生成矩阵 NumSubc, 52, . %子载波数目 UsedSubcIdx, 7:32 34:59, . %使用子载波下标 ShortTrainingSymbols, sqrt(13/6)*0 0 1+j 0 0 0 -1-j 0 0 0 1+j 0 0 0 -1-j 0 0 0 -1-j 0 0 0 1+j 0 0 0 0 0 0 -1-j 0 0 0 -1-j 0 0 0 1+j 0 0 0 1+j 0 0 0 1+j 0 0 0 1+j 0 0, .% 短训练符号 LongTrainingSymbols, 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 1, . . %长训练符号 ExtraNoiseSamples, 500, . %额外噪声样值 系统参数 设置 生产随 机数据 卷积编码 比特打孔 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 获取发送数 据并计算 BER、PER 发射模块 接收模块 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 11 - PilotScramble, 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 -11 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 1 - 1 - 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1, . %导频扰码序列 NumDataSubc, 48, . %数据子载波数 NumPilotSubc , 4, . %导频子载波数 DataSubcIdx, 7:11 13:25 27:32 34:39 41:53 55:59, . %数据子载波位置 PilotSubcIdx, 12 26 40 54, . %导频子载波位置 PilotSubcPatt, 6 20 33 47, . DataSubcPatt, 1:5 7:19 21:26 27:32 34:46 48:52, . PilotSubcSymbols , 1;1;1;-1); 调制符号映射到 64 点离散傅立叶逆变换(IDFT)的子载波上，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。 4.1.2 插入导频插入导频 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。 插入导频代码： scramble_patt=repmat(sim_consts.PilotScramble,1,ceil(n_ofdm_syms/length(sim_consts.Pilot Scramble); scramble_patt = scramble_patt(1:n_ofdm_syms); % 导引扰码的格式 mod_ofdm_syms = zeros(sim_consts.NumSubc, n_ofdm_syms); mod_ofdm_syms(sim_consts.DataSubcPatt,:)=reshape(mod_syms,sim_consts.NumDataSubc, n_ofdm_syms); mod_ofdm_syms(sim_consts.PilotSubcPatt,:)=repmat(scramble_patt,sim_consts.NumPilotSu bc,1).*repmat(sim_consts.PilotSubcSy mbols,1, n_ofdm_syms); mod_ofdm_syms = mod_ofdm_syms(:). 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 12 - 4.1.3 循环前缀的引入以及时延分析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： g T X T （4.1） max X T g T 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 max 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 max 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。 主要仿真代码如下： 循环前缀的长度为 806416 time_signal = zeros(n_antennas, num_symbols*80); 添加循环前缀 tmp_syms = symbols(49:64,:); symbols; 本链路中循环前缀长度（保护间隔）为 0.8s（16chip） ，用 Matlab 对多径时延大 小所造成影响进行仿真（在指数衰减信道下，以 R1/2 码率 QPSK 的调制方式，其它为 默认值）： 当多径时延大于 0.8s 时则 BER 增大。 图图 4-2 多径时延分析多径时延分析 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 13 - 4.1.4 加前导训练符号加前导训练符号 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 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。 图图 4-3 802.11aPLCP 前导前导 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。 主要仿真代码如下： 短训练符号为 16 取样长度 Strs = short_tr_symbols(1:16); 扩展为 10 个短序列 short_trs=Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs; short_trs_len=length(short_trs); 若不采用发射分集，扩展到 2 个长训练序列，注意添加了 32 取样的循环前缀 若使用分集，长训练符号不是在两个天线处同时传输的（相隔两个 zeros(1,80)） ， if sim_options.UseTxDiv long_trs_signal=long_tr_symbol(64-2*16+1:64)long_tr_symbol long_tr_symbol; else long_trs_signal(1,:)=sqrt(2)*long_tr_symbol(64-16+1:64) long_tr_symbol . zeros(1,80); long_trs_signal(2,:) = sqrt(2)*zeros(1,80) . long_tr_symbol(64-16+1:64) long_tr_symbol; end 4.2 编码编码 4.2.1 信道编码信道编码 4.2.1.1 卷积编码与比特打孔卷积编码与比特打孔 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 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 14 - 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 nk1N 的信息位，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 NNnN 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 4-4 所示： 图图 4-4 卷积编码器卷积编码器 卷积编码后的两条输出相互合并输出，再根据打孔的速率来进行打孔。保留卷积 编码器输出的一些比特，提高编码速率，减少码间自由距离。在接收机中插入一些比 特来取代未传输的比特，只需要一对编码器/解码器就可生成几个不同的编码速率。另 外，在发送端当经过卷积编码和打孔后，传输速率提高，速率提高的倍数与打孔速率 有关。 4.2.1.2 Viterbi 译码译码 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；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。 4.2.2 交织以及其性能仿真交织以及其性能仿真 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 输入数据TbTbTbTbTbTb 支路 1 输出 支路 2 输出 湖南涉外经济学院本科生毕业设计（论文） - 15 - 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 系统在一个纯粹的 AWGN 环境下运行，就不需要交织，这是因