（信号与信息处理专业论文）基于ofdm的ieee80211a无线局域网及其自适应比特分配的研究.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 调制技术具有很强的抗符号问干扰、抗多径衰落和时 延能力，并且保持较高的数据传输速率，适合在无线信道中传输高速的数据业务， 是当前通信领域的一项关键技术。目前，o f d m 调制技术已被应用于许多领域 中，如无线局域网。而o f d m 自适应调制技术能有效地改善0 f d m 系统的性能， 进一步提高传输效率，备受关注。 本文首先研究了o f d m 理论，分析了在频率选择性衰落信道中，0 f d m 技 术的基本原理和基于d f t 和i d f t 实现0 f d m 系统的调制和解调。分析了o f d m 的关键技术，如：同步、峰值平均功率 e 、信道估计和子载波分配。然后，分析 了基于o h ) m 的无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 l a 的物理层o f d m 相关参数和媒体 接入层实现原理。接着，在研究了o f d m 自适应比特分配算法的一般情况后， 提出了一种基于i e e e 8 0 2 1 1 a 的o f i ) m 自适应调制方案。通过仿真，表明采用 o f d m 自适应调制，能够在保证达到目标误码率的前提下，提高o f d m 的频谱 利用率，提高的幅度与所选择的调制等级以及子载波数有关。这对o f d m 技术 的应用有一定的参考价值。 关键词：正交频分复用：无线局域网：自适应调制；比特分配：i e e e 8 0 2 “a 东南大学硕士学位论文 a b s 竹a c t a b s t r a c t o n h o g o n a lf r e q u e n c y d j v i s j o nm u l t i p l e x i n g so n eo fk e yt e c h n o l o g i e si nm o b i i e c o m m u n i c a t i o n 矗e l d sni ss u i t a b i ef o rh i g hr a t ed a t at r a n s m i s s j o n 两w j r e l e s sc h a n n e j sb e c a u s ei t c a nc o m b a ti t c 卜s y m b o l i n t e r f e r e n c ea n dm u i t i p a t hf 酣i n ge f r i c j e n t l yn o wi th a sb e c o m ea n a t 仃a 【c t i v et e c h n o i o g 弘a tp r e s e n t ，o f d mt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha s w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k t h ea d a p t i v eo f d mt e c h n o l o g yc a ne n h a n c et h ep e r f o r m a n c ea n dc a n c o n q u e rt h et e c h n o i o g yv u l n e r a b i l i t y i nt h i st h e s j s ，w e6 r s td i s c u s st h eb a s i ct h e o r yo f o f d m ，a n dh o wt or c a l i z et h ed f ta n d i d f tb a s e do no f d ms y s t e m b a s e do n 怄p a c k e ts t m c t u r e ，m a t h e m a t i c a lm e t h o d sf o ro f d m s y n c h r o n j z a t i o n ，p a p r ，c h a n n e le s t i ma t j o na n ds u b c a r r i e sa l l o c a t i o na r ep r o p o s e dj nt h i sp a p e r a n di ti 8g i v e nf o rt h en e wo f d mb a s e do nw i r e l e s sl a ns t a n d a r di e e e 8 0 2 1 1 a i nt h i sp a p e r w es t u d ya d a p t i v eo f d mw i 血b o t hp e r f e c ta n di m p e r f e c tc s if o rt h ev a r i a b f eb i tr a t ec a s e ，w h e r e at a 堰e tb i te r r o rr a t ej ss e t a n dw eg i v ean e wa d a p t i v eb i t sa o c a t i o nb a s e do no f d ma tt h e a s tp a r tw es i m u l a t eo f d m s y s t e mi nm a t l a bp l a t f o r m r e s u l t ss h o wt h a lt h ep e r f o r m a c ei s d r a m a t i c a l l ya 色c t e db yt h en u m b e ro fm o d u l a t i o ns t a g e sa n dt h a to ft h es u b c a r r i e r st h er e s u b a r er e f e r e n t i a lt ot h er e s e a r c ho f o f d mt e c h n o i o g y k e y w o r d s ：o n h o g o d a lf r e q u e n c yd i v i s j o nm u l t i p l e x ；w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s a d a d t i v em o d u i a t i o n ：b ha l l o c 撕o n ：l e e e 8 0 2 11 a 查堕奎兰堡主兰堡堡奎监：! 兰皇! ；8 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：孓蟛。卜日 期：迎查圣：箩 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布f 包括 刊登) 授权东南大学研究生院办理。 髋监辄碰一剔程轻掣牛一：圳 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 笫一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，全球经济的快速发展，推动了信息的全球化，加速了当今社会对 信息交换的需求，刺激了通信按术和网络技术的迅速发展。使得移动通信和i n t e m e t 成为信 息产业发展晟快的两个领域。移动通信使人们可以任何时间、任何地点和任何人进行通信， i n t e m e t 使人们可以获得从以数据为主，发展到语音、数据、图像、多媒体等丰富多彩的各 种信息。那么如何把移动通信和i n t e m e t 结合起来，达到可以任何人、任何地方都能联网呢? 以无线局域网为代表的无线计算机网络通信技术的出现解决了这个问题。由于d s p 技术、 微处理器技术和无线电技术的飞速发展，无线局域网技术己成为新世纪无线通信领域最有发 展前景的技术之一。经过近几年的发展，无线局域网技术已经日渐成熟，应用日趋广泛。较 低的价格和成熟的产品推动着无线局域网技术从小范围应用进人主流应用。 1 1 无线局域网概述 w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e 研o r k ，无线局域网) 是一个使用无线多址信道有效方式支 持计算机之间通信的分组交换网络，是高速发展的现代无线通信技术在计算机网络中的应 用。它的特点是在某个局域范围内，采用无线信道传输数据和采用分组交换技术进行信息交 换。采用无线信道传输的特点通过多址访问协议描述，采用分组交换方式进行信息交换的特 点由无线局域网的新协议描述。无线局域网的作用与有线局域网的作用基本相同就是在网 络的各设备之间传送分组信息，为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了实现的手段。 不同的是，无线局域网中所用的是便携设各，其中的分组传输包括移动站之间和移动站与固 定站之间的传输。 w l a n 技术发展至今，主要分为两大协议体系：i e e e ( 国际电子电气工程师协会) 制定的 i e e e 8 0 2 1 l 协议标准体系和e t s i ( 欧洲电信标准化协会) 制定的h i p e r l a n m i 曲p e r f o m a n c e r a d i o ) 协议标准体系。i e e e 8 0 2 1 1 局域网工作在2 4 g h z i s m ( i n d u s t r 瑚s c i e n t 湎cm e d i c a l ，工 业、科学、医学) 频段上，速率为l m b p s 和2 m b p s ，h i p e r l a n 工作在5 1 5 0 5 3 0 0g h z 频 段，速率可达2 3 5 2 9m b p s 。由于i e e e 8 0 2 1 i 推出的比较早，所以大多的无线局域网产品都 使用i e e e 8 0 2 1 l 协议标准体系。 1 e e e 8 0 2 1 1 协议于1 9 9 7 年正式提出嘎使用免许可证的2 4 g h zi s m 频段，速率可以 支持2 m b i t ，s ，室内传输距离支持1 0 0 米，其中物理层支持三种调制方式：红外传输、直接 ，1 一 ：蔓堕奎兰坠主兰垡堡兰蔓二兰堡笙 序列扩频s s s ) 和跳频扩频( f h s s ) 。该标准定义了物理层和媒体访问控制规范，允许无线 尚域网及无线设各制造商建立可互操作网络设各。 i e e e 8 0 2 1 1 b 【2 1 于1 9 9 9 年获得通过，在物理层上，与i e e e 8 0 2 1 1 使用相同的频段，采用 d s s s 再配合补码键控( c c k ) 的调制方式，室内传输距离可以支持1 0 0 米，传输速率可以达 到1 1 m b i 以。i e e e 8 0 2 1 l b 可以兼容i e e e 8 0 21 l ，目前市场上的产品基本上是基于 i e e e 8 0 2 1 1 b 的产品。为了促进i e e e 8 0 2 1 1 b 产品问的互通性，3 c o m 、a i r o n e t 、l n 锄两】、 l u c e n t 、n o k i a 等公司成立了w e c a ( w i r e l e s se t h e m e tc o m p a b i l 时a l l i a l l c e ) 联盟，保证不同 厂家产品之间的互通性。 在l e e e 8 0 2 1 1 b 推出之后。i e e e 8 0 2 1 1 工作组推出了更高频段、更高速率的标准 i e e e 8 0 2 1 l a ，以满足多媒体通信对无线局域网更高传输速率的要求。i e e e 8 0 2 1 1 a h 标准采 用的是5 g h 2 的频段，物理层上采用o f d m 技术。i e e e 8 0 2 1 l a 的最高传输速率为5 4 m b i 以 室内传输距离达到5 0 米。 由于i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 l a 工作在不同的频段上，物理层调制方式也不同， i e 阻8 0 2 1 l a 不能兼容目前的i e e e 8 0 2 1 1 b 的产品。同时关于5 g h z 的频段在许多国家还没 有获得正式批准，而1 l m b i 讹的传输速率又满足不了多媒体服务高带宽的需求，针对上述情 况，i e e e 8 0 2 1 l 小组于2 0 0 1 年1 1 月1 5 日通过了最新的l e e e 8 0 2 1 l g 4 标准。i e e e 8 0 2 1 1 9 在确保兼容现在使用2 4 g 频段的i e e e 8 0 2 11 b 的同时，实现了5 4 m b n s 数据传输速率。 i e 阻8 0 2 1 1 9 中规定的调制方式有两种，包括i e e e 8 0 21 】a 中采用的o f 【) m 与i e e e 8 0 2 1 l b 中采用的c c k 。通过规定两种调制方式，即达到了使用2 4 g h z 频带实现i e e e 8 0 2 1 l a 水平 的数据传输速率也确保了与装机数量已经超过l 1 0 0 万台的l e e e 8 0 2 1 l b 产品的兼容。同 时，t i 公司提案的可实现数据传输速率2 2 m b i 以的p b c c - 2 2 ( c c k p b c c ) 调制方式与 c c k 0 f d m 也可以选择使用。 h i p e r l a n 6 】是欧洲标准组织制定的关于w l a n 的标准。h i p e r l a n ，l 和h i p e r l a n 陀分 别工作在2 4 g h z 与5 g h z 的频段，分别与i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 1 a 相对应。它与 i e e e 8 0 2 1 1 最大的不同在于其m a c 层采用不同的技术，i e e e 8 0 21 1 的m a c 采用基于以太 网的无连接的c s m a 技术，而h i p e r l a n 采用的是面向连接的a t m 技术。h i p e r l a n ，2 支 持5 4 m b i 以的传输速率，业务上支持语音等实时性要较强的业务承载。目前，这种技术在 欧洲得到了广泛的支持，在亚洲和美洲主要还是采用基于l e e e 8 0 2 1l 标准的系列产品。 由于无线局域网具有的独特技术优势，特别是采用o f d m 技术的高速无线局域网，已 经成为当今数字通信领域的一大研究热点。全球的各厂商都看准这一高速增长的市场，纷纷 一2 东南大学硕士学位论文第一章绪论 抓紧商机，研制、生产符合w l a n 标准的无线局域网产品。以满足人们日渐增长的对数据、 话音、图像等高速率网络通信的要求。 1 2o f d m 技术的历史和应用 正交频分复用( o f d m ，o n l l o g o n a lf r e q u e n c yd i v j s i o nm u l t i p l e x ) 技术，其基本思想是在 频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各 子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相 对平坦的。在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以 大大消除信号波形间的干扰。由于o f d m 允许子载波频谱重叠，其频谱效率大大提高，因 而是一种高效的调制方式。 o f d m 的发展历史可追朔到2 0 世纪6 0 年代。在1 9 6 6 年，r w c h a n g 首先提出了o f d m 的概念1 6 】，即通过采用并行数据和允许子信道频谱重叠的频分复用( f d m ) 方法来并行传送数 据。1 9 6 7 年，b r s a l 乜b e 唱【7 研究了o f d m 系统中子载波信道之间干扰问题，指出：在并行 传输系统中，子信道间干扰占支配地位，所以系统的设计重点应该放在减少子信道问的干扰 而不是优化各个单独的子信道；o f d m 方式下数据的传输速率可以非常接近n y q u i s t 速率， 而且多窄带信道对抗时延和幅度畸变也非常有效。 其后，对o d m 技术发展贡献最大的是w e i n s t e _ n 和e b e n 作出的 8 】o 他们于1 9 7 1 年提 出了利用离散傅氏正反变换( i d f t 和d f t ) 实现o f d m 系统中基带信号的调制和解调。为了 防止i c i 和i s l ，他们在o f d m 符号间插入了保护间隔，并在时域上使用了升余弦窗。虽然 他们的系统在多径信道下不能保持很好的正交性。但是他们引入i d f t 和d f t 实现o f d m 系统的全部调制和解调功能的建议，简化了系统结构，使得实现o f d m 技术变得简单，解 决了o f d m 技术的工程可实现问题，无疑是对o f d m 技术发展的一个重大贡献。 o f 【) m 的另外一个重要改进是在1 9 8 0 年，p e l e d 和r u i z 提出了循环前缀c p ( c y c l i c p r e f i x ) m 的概念。他们不是在符号间插入空的保护间隔，而是插入o h ) m 符号的周期扩展来 解决正交性问题。这种做法有效的将信道和传送符号间的线性卷积近似成循环卷积，当循环 前缀长度大于信道冲激响应时，o f d m 子信道之间仍保持很好的正交特性，消除了载波间 干扰。尽管这会造成一定程度的能量损失，且能量损失正比于循环前缀长度，但和它消除的 l c i 相比较，这种能量损失可以接受。 进入九十年代，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 3 一 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 6 4 1 2 8 ，2 5 6 o a m 技术、软判决技术、信道自适应技术、减少均衡计算量等成熟技术的逐步 引入，人们开始集中越来越多的精力开发o h ) m 技术在高速宽带无线通信领域的应用。 o f d m 技术在广播式的音频和视频领域的主要的应用包括：非对称的数字用户环路 ( a d s l ) ，非常高速数字用户线( v h d s l ) ，e t s i 标准的音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d ) ， 高清晰度电视( h d t v ) 等。在短波电离层反射通信、对流层散射通信等领域o f d m 也获得广 泛应用。o f d m 调制技术还被采用为一些无线局域网协议的物理层标准。如i e e e 8 0 2 1 1 a 和h i p e r l a n ，2 ( 高性能无线局域网) 及未来的i e e e 8 0 2 1 1 9 等无线局域网协议已经采用 o f d m 作为调制解调方式。而新出台的i e e e 8 0 2 1 6 宽带无线标准也采用了o f d m 作为核心 技术。在高速宽带无线应用环境下，o f d m 技术凭借其固有的对时延扩展较强的抵抗力、 较高的频谱效率及传输速率高的突出优势，并且可以利用有效的新技术去修正和弥补o f d m 的固有缺点，迅速成为研究的焦点。同时，如何更好的利用频谱，增加信道容量也成为o f d m 研究中的亮点。 1 - 3 自适应调制的发展 自适应调制的基本思想就是自适应调节信号传输的参数来充分利用当前的信道环境。可 以调节的基本参数包括调制方式、编码方式、发射功率、扩频增益和信令带宽等。在不浪费 能量和增加误比特率的情况下，自适应调制利用无线信道的时变特性，提供了较高的频谱效 率。自适应调制最早是由j f h a y e s 在2 0 世纪六十年代末提出的，让传输信号的某些参数 随着信道衰落的变化而变化，以便可以更好的利用信道，增加信道容量。当时受到硬件条件 的限制，该技术未得到充分发展。近年来，随着硬件水平的不断提高，以及对高频谱利用率 通信系统的需求，自适应传输技术逐渐被广泛研究。 在频率选择性衰落信道上高速传输数据的主要问题是存在严重的符号间干扰( i s i ) 。而采 用自适应均衡器克服i s i ，往往要求均衡器的抽头数很多，尤其是在城市环境，可能耍求均 衡器的抽头数上百个。这样，必然大大增加了均衡器的复杂程度，使设备造价和成本大大提 高。所以，考虑将自适应调制与o f d m 技术相结合j ，研究其在宽带信道环境下的应用。 根据当前信道质量，改变传输的子载波数目来控制各用户的传输速率，可获得高传输速率和 系统容量。f k o i m a 等提出了用于o f d m 系统中的自适应子载波控制方案1 1 2 】。在o f d m 系 统中对每个子载波均采用自适应调制，所需信号功率大大减少。o f d m 自适应调制相比 固定o f d m 饵e r = 1 0 e 3 ) ，信号功率可节省5 l o d b 。 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本论文的主要工作 论文主要研究了o f d m 技术在i e e e 8 0 2 1 l a 无线局域网中的应用及其o f d m 自适应比 特分配技术的应用。围绕以上问题，首先对o f d m 系统的原理和关键技术进行系统分析， 然后就o f d m 在i e e e 8 0 2 1 l a 无线局域网中的应用问题进行研究。具体安排如下： 1 首先分析了o f d m 的基本原理。研究了o f d m 的基本原理及其峰值平均功率比、同 步和比特、功率和信道分配等关键技术。 2 分析i e e e 8 0 2 1 1 a 标准协议的基本思想。从整体上研究了i e e e 8 0 2 1 1 a 协议的基本功 能及i e e e 8 0 2 1 1 a 的o f d m 物理层基本构造、物理帧结构等。 3 基于i e e e 8 0 2 1 l a 标准的0 f 【) m 自适应调制技术。讨论了自适应调制在o f d m 中的 应用及其自适应比特分配算法，提出了一个基于i e e e 8 0 2 1 1 a 标准的o f d m 白适应调制方 案。 一5 一 东南大学硕士学位论文 第二章o f d m 基本原理及其关键技术 第二章0 f d m 基本原理及其关键技术 i e e e 8 0 2 ，1 1 a 标准采用o f d m ( 正交频分复用) 的传输方式，即以多个子载波并行传输 高速数据流。本章对0 f d m 原理进行了分析。在o f d m 原理之后，又分析了o f d m 的峰 值平均功率比、定时同步、信道估计、比特分配等关键技术。 2 1o f d m 介绍 o f d m ( o n h o g o n a jf r e q u e “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) 是一种多载波调制技 术。其基本思想是将高速的数据流划分成多路低速的子数据流，这些低速子数据流在通过正 交频率进行调制的同时进行传输。这样，可以把宽带变成窄带，从而解决频率选择性衰落这 个问题。在0 f d m 系统中，因为每个子信道中的符号周期会相对增加，可以减轻由无线信 道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于保护间隔的引入， 在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，还可以最大限度地消除由于多径带来的符号问 干扰( i s i ) 。进一步，采用循环前缀作为保护间隔，还可以避免由于多径带来的信道间干扰 ( i c i ) 。利用i d f t 和d f t 实现o f d m 系统中基带信号的调制和解调，简化了系统结构。 o h ) m 技术由于其抗时延弥散和抗多径衰落的技术优势和结构简单而成为新一代无线接入 方式中的佼佼者。 2 2o f d m 基本原理 2 2 1o i m m 信号的频谱 o f d m 采用了正交的子载波，允许频谱重叠，因此提高了频谱利用率。f d m 不使用正 交载波，相邻子频段的频谱不允许重叠而且子频段之间还要加保护问隔，所以频谱利用率 低。下面，用一个例子说明o f d m 与一般的h ) m 信号频谱的区别。 1 小滔。 l1 ，f 洲+ 1 ” v v 陌卜移p 图2 - lo f d m 信号与f d m 信号的频谱 东南大学硕士学位论文第二章o f d m 基本原理及其关键技术 假定系统传送速率为rb p s 的b p s k 信号，o f d m 符号波形为矩形，只考虑频谱主瓣。 如图2 一l 所示，o f d m 系统所用的主瓣带宽为日。= c ，+ 1 ) ，而传输速率胎，凡，这里 r 为o f d m ，f d m 时域符号的长度，且l 咒为o f d m 子载波间隔。对于f d m 系统，为保 证接收端可以正确区分各个子载波，f d m 的子载波的主瓣不能重叠，所以f d m 的信号主 瓣带宽至少为睨日。= 2 r ，此时传输速率为足= r 。因此当趋向于无穷大时，f d m 系 统的所用带宽仍为2 月，而o f d m 系统的带宽为 牌，= 熙( + 1 ) ，。= 熙等尺= r ( 2 1 ) 比f d m 系统节约了一半带宽，而两者的信号速率相同，所以o f d m 系统的频谱利用率 f 刚矿是f d m 系统的两倍。可以发现。当足够大时，可忽略o f d m 两端子载波的旁瓣， 其带宽近似为，而系统采样率也为咒，恰好等于其奈奎斯特采样率，引起的频谱失 真很小。 另外发现，若子载波数目时，o f d m 信号频谱近似为方形，取边带的第一个零点计 算出的频带宽度为帆。假设对每个子载波采用m 进制数字调制，那么频带利用率为 掣扎洲。脚 n | t 。 1 。 另外注意到，有时并不是o f d m 系统的每一个子载波上都传输数据，o f d m 的子载波 群两端都要留出，个子载波作为保护带，在这些子载波上传输零序列。这是由于经过i f f t 调制的o f d m 信号是数字信号，因此其频谱是以系统采样率为周期循环的。为了在带 宽有限的信道中传送o f d m 信号，必须对其进行带限滤波。由于理想的矩形带通滤波器是 不可实现的，必须使用有一定过渡带的滤波器，最常使用的是升余弦滤波器。在升余弦滤波 器的过渡带内，信号有较大的衰落，因此过渡带内的子载波不适合传输数据的。另外，由于 在靠近第o 个子载波以及靠近第1 个子载波部分容易出现频谱混叠，因此，频带边界的子 载波被作为保护频带而弃置不用。 可以看出，o f d m 应用了许多窄带信号进行传输。总是在相邻频谱的过零点放置其它 的子载波。这意味着，矩形脉冲的宽度应该等于子载波间隔的倒数。按照这种方式，虽然调 制的子载波的频谱有交叠，然而相邻的子载波不会受影响。因为它们正好处于相邻频谱的过 零点。 o f i ) m 与f d m 频分复用没有本质的区别。不过，一般的f d m 的子载波相距都很远， 每个子载波占据的子信道之间都留有一定的保护间隔，它们的频谱不能重叠，因而频谱利用 率不高。而o f d m 方法中，虽然发生频谱重叠，但只要满足“正交”关系，各个子载波携 带的信息在接收端能够完好分离开。因而o f d m 的频谱利用率高。 东南大学硕士学位论文第二章o f d m 基本原理及其关键技术 2 。2 2o f d m 基本原理及实现 般地，o f d m 的等效基带信号可以表示为一组并行传输的调制载波信号， s ( f ) = e ( ) = c 啦瓯p 一聆7 ) ( 2 - 3 ) 其中： 张归k裂， 瓦( f ) 表示第n 个o f d m 符号，c n k 是第h 个o f d m 符号间隔的第个子载波上传输的 符号，是o f d m 系统的子载波数，丁为o f d m 符号的宽度，也是每个子载波上传输的符 号间隔，五是第t 个子载波的频率，丘项吲r ，脚，怛1 ，石是第0 个子载波的载波频率。 这种子载波频率的设定保证了载波g k ( f ) 之间的正交性， f 乳o ) - 西( f ) 出= r e ，2 珈e 叩毋出 ，胁等f ( 2 4 = 【已。出= 彤( j j 一? ) 基于这种正交性，解调器能很方便地从接收信号中解出传输符号， ，。= 专“圹j ( f ) g ：( f ) 衍气 七= o ，一1 ( 2 5 ) 从上述表达式可见，要实现一个o f d m 传输系统，需要一组振荡器产生个子载波， 接收端也要对个载波进行同步。显然，1 v 较大时。系统的硬件构成将是非常庞大而不经 济的。 假定，毛= 0 ，以z y 的速率对( 2 - 3 ) 式的等效基带信号进行抽样，o h ) m 符号可表示为， 瓦( 聊) = c ( n 丁+ 研号) = 箬既( 号r ) 讲( 誊噼) = 恻) 。6 接收端解调过程则可用f f t 实现， k t2 专肿c 删2 专孙，m 等e 卅一 亿，、 = c 叫占( 一f ) = c 啦 这样就用简单、实用的i f f 僻f t 模块实现了o f d m 的调制解调过程。大大简化了o f d m 系统的硬件构成。当然，实际的o f d m 系统在使用i f f 聊f t 模块时，还要在( 2 6 ) ( 2 7 ) 式的 东南大学硕士学位论文第二章o f d m 基本原理及其关键技术 基础上做一点修改，目的是保证i f f t 或f f t 变换前后信号能量保持不变。以( 2 6 ) 式的i f f t 一1 变换为例，变换前，个符号的能量和为：ic 砧1 2 ，变换后符号的能量和为 女= 0 一l i e ( 删2 ( 2 8 ) 是变换前的倍。为了使信号在i f f t 变换前后能量不变，( 2 6 ) 式改为， 驹) = 历专黔e m 警= 厨删b j ( 2 ，) 相应地，接收端解调过程调整为， = 击薹只( 咖川 警= 击肿( 只( 脚) ) ( 2 1 0 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式代表了实际o f d m 系统的多载波调制解调过程。 2 2 3o f d m 收发机系统结构 一秽日 l 鬈ll 模块l - 毫百 胁 p 点l 打 ”， = 盟 m 口p 比 | | 2 | i 东南大学硕士学位论文第二章o f d m 基本原理及其关键技术 作保护频带。这样，实际用来传送有用信息的子载波五就小于总的子载波数，即i f f t 变换 的点数_ v 。所以i f f t 处理器除实现i f f t 变换外还可根据系统的要求，实现选定导频信号、 虚载波及形成符号波形等功能。处理后的数据经过并串转换。成为长的串行数据流。对 这个数据进行循环扩展，即加上个抽样值的c p ，构成一个基本的o f d m 符号。o f d m 符号经d a 转换，送上信道。在接收端，数据流滤波后进入a d 转换器。然后，对输出的 数据流进行定时同步，估计频偏。同步质的数据流删除循环前缀c p ，按o f d m 符号转换成 j 路并行数据，进行多载波解调，即f f t 变换。f f t 处理器同时还能纠正数据的频偏，并 实现信道估计，从而对解调数据进行信道校正。从处理后的个数据中取出芷点信息数据， 经并串转换、基带解调后，得到接收的信息比特流。 2 3o f d m 多路子载波正交的条件 在o fd _ m 中，为了提高频谱利用率，各子载波上的频谱是互相重叠的。但要求这些子 载波在整个符号周期r 上是正交的，即加于符号周期上的任何两个子载波的乘积等于零。设 五、石为任意两个子载波，当其满足公式( 2 ，1 1 ) 时彼此是正交的【1 6 】。 p 张护，y 应= 置 亿，) 假设输入数据中每个符号的持续时间为r ，即数据速率为风= l l 若一个数据分 组由位数据构成，则一个分组的长度( 符号的持续时间) 为l 仁 r n 我们知道，当子 载波间最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时，可以满足正交性。为实现最大的频谱利用率， 一般取子载波间隔等于符号周期的倒数。设相邻子载波的频率间隔为，则，2l ，r = 1 ，( d 。若抓 是一组载波，则各子载波频率的关系为诉) 爿计肼r ，拓m 1 。其中 为第o 个子载波频率，五为第个子载波频率， 因为o f d m 符号由矩形时间脉冲组成，每个调制载波的频谱为s i n ( z 咖形状，其峰值相 应于其他所有载波的频谱中的零点，如图2 3 所示。 图2 3o f d m 的正交频域谱 东南大学硕士学位论文第二章o f d m 基本原理及其关键技术 o f d m 接收机能有效地对每个子载波解调，就是因为在这些升余弦函数的峰值处，其 他子载波产生的影响为零。当值很大，即所用的子载波很多时，各个子载波合在一起， 总的信号频谱形状非常接近于矩形频增，其频谱宽度接近于传输信号的奈奎斯特带宽，所以 o f d m 的频带利用率是很高的，理论上可达到香农极限，同时也简化了设备中带通滤波器 的设计。 另一方面，由于各载波上的信息是互不相关的，它们按指数规律相加，时城内的合成信 号非常接近于白噪声，这从另一方面说明了o f d m 系统对抗多径干扰的潜力。如图2 4 给 出了其相应的时城内的信号。 1 0 b 口6 d4 凸2 d d2 一口4 一d 5 口日 1 ；v 图2 4o f d m 的正交时域波形图 从图2 4 注意到以下两个特性： l 、在给定的时间间隔丁内，每个子载波正好有整数个周期宽度，也就是每个子载波频 率是基本频率的整数倍伤乏而，正= 蕊，五= 鼍等) 。 2 、一个符号时间段内，两个相邻子载波的周期数严格地相差一个周期。此特性保证了 两个子载彼的正交性，允许每个子裁波能被接收并独立地解调，而不会受其他副载波产生的 干扰影响。 上述两个特性解决了子载波的正交性问题。简单地说，它们能使每个子载波被接收，并 独立解调，避免了其他子载波存在的干扰。 东南大学硕士学位论文第二章o f d m 基本原理及其关键技术 2 4o f d m 中的峰值平均功率比 2 4 1 峰值平均功率比概述 本小节首先给出o f d m 信号的峰值功率与平均功率比p a p r 的定义，然后系统地推导出 p a p r 的公式，最后列出几个j e e e 8 0 2 1 l a 中数字调制方式的p a p r 。 定义最大峰值与平均功率比p a p r 如下【1 7 】， 。巧搿唾哪) j 2 删瑚：生竺竺2 型二： 只， ( 2 1 2 ) 乙= 熙书沁胁叫丢啪斟 偿嘲 假定上式中复数据符号c n 在信号星座图上服从零均值同分布，则利用中心极限定理很 快得到o f d m 符号的平均功率 匕： 磐竹扣乏尝爹 ( ：】4 ) 。n 口：f o r p s k u “j 盯z ：鲁： + 乏7 髦爹 ( ：1 5 ) n 仃!f 。r p s x 另外可根据星座图得i f n ( 驯的最大值如下， 1 只o ) i 篁l 瓶丽万面丽i 剧s k ，而对 于四种特定的调制方式，捌尸足斗o a m 脚p 函6 。a m 删p 粕p s k = 朋尸岛p s k ，这也是6 4 一q a m 调 制的缺点之一。 表z l 各种不同的数字调伟4 方式的峰值平均功率比 p a p rb p s k q p s k1 6 一q a m6 4 q a m m p s k m o a m 3 v ( m 1 ) o f d m 9 7 n 朋+ l 3 ( 埘一1 ) s c ml1 】 m + l o f d m s c m 2 4 2 降低p a p r 的方法 由于并行的子载波数数量多，o f d m 抽出信号的峰值平均功率比( p a p r ) 很大，如果不 降低p a p r ，功率放大器以及模数转换器的非线性将使o f d m 信号的幅度和相位产生畸变， 引起码间干扰，并使输出信号的频谱展宽，从而对相邻的信道产生很强的干扰。根据上述分 析，子载波数量较大时，o f d m 信号幅度接近于高斯分布，因而可以采用软限幅的方法， 提高发射机功率放大器的效率 l “。 由24 ，1 节可知，o f d m 系统峰值平均功率比( p a p r ) 正比于子载波数，同单载波系统 相比存在p _ a p r 大的缺点。当系统的子载波的数胙6 4 时，子信道上的数字调制样式采用 6 4 一q a m 时，根据表2 1 得p a p r = 7 6 4 ，3 = 2 1 7 d b 。如此高p a p r 的o f d m 信号通过非线性 设备如发射功率放大器时，会遭受严重的谱扩展和带内扭曲。从另外一个角度看。如果要避 免上述扭曲，登须保证发射的o f d m 信号的峰值功率低于功率放大器的峰值功率，而如此 大的p a p r 会造成功率利用效率极大地降低。这个缺点在无线通信终端显得尤其突出，会大 大降低移动终端的电池使用时间和寿命。因此，在无线通信领域，如何克服o f d m 这一先 天不足已成为研究的一个热点和难点。 2 5 符号持续时间t 的选择 从抗多径码间干扰的角度出发，应该满足丁矗，r 为最大多径时延【2 8 1 。若矗为1 0 m s 则r 应大于1 0 m s 。但是丁也不宜取得太大，因为在采样率不变的情况下，r 越大，则一个 东南大学硕士学位论文 第二章0 f d m 基本原理及其关键技术 符号持续时间内采样点数也越多，数据处理所需的时间也越多。 2 6 子载波数量的选择 i f f t 点数相当于最大可用子载波数。由于信道特性的不理想以及要在可用带宽两边留 保护间隔等其他原因。子载波数量应小于i f f t 的点数。子载波数量等于实际利用带宽除以 子载波间隔，而子载波间隔等于码元周期的倒数。所以选取合适的码元周期对于系统来说是 十分重要的。对于相同的实际利用带宽而言，子载波的数目越多，则码元周期可以越长。而 保护间隔基本不变，则系统的平均传抽速率越高。但是，子载波数量越多，载波间隔越小， 多普勒频移将对系统正交性造成更大的破坏。此外，子载波数量越多，峰值平均功率比 ( p a p r ) 越大口。综合以上因素，载波数量不宜取得太大。 2 7o f d m 的调制方式 o f d m 系统的各子载波将根据速率的要求，采用b p s k ，q p s k ，1 6 一q a m ，6 4 - q a m 中 的一种调制方式，将数据映射到各个g r a y 码星座点上，见表2 2 至2 - 6 。b o 为数据流中的第 一个比特。假设调制后输出符号的值为d ，、q 为根据调制星座图所得的 q 值，砥一o d 为能量归一化因子。则数学表达式为【1 9 】： d = ( j + j q ) 足d 。 ( 2 2 0 ) 调制方式k m o d b p s k l q p s k1 压 1 6 - q a ml ，瓜 6 4 - q a ml 压 表2 2 不同调制方式下的烁d o d 因子 i n p u t b i t ( b o ) i 0 u t q 0 u t o一10 ，10 表2 3 b p s k 调制映射 东南大学硕士学位论文第二章o f d m 基本原理及其关键技术 ii n p u tb i 如。) i o u t i n p u tb i t ( b 1 )q o u t l o 一1 o1 i tl1l 表2 - 4 0 p s k 调制映射 i n p u tb i t s ( b o b l ) i - o u t i n p u tb i t s ( b 2 b 3 ) q o u t 0 030 03 0 1一l0 11 1 1l1 1 1 1 031 03 表2 - 51 6 一q a m 调制映射 i n p u tb n s ( b o b l b 2 ) i o u t i n p u tb i t s ( b 3 b 4 b 5 )q o u t o o o 一7 0 0 0 7 0 0 l一50 0 15 o l l一30 1 13 0 1 010 1 01 1 1 0l 1 1 0l 1 1 l31 1 l3 1 0 151 0 15 1 0 071 0 07 表2 - 66 4 0 a m 调制映射 数据信号对各并行子载波调制时可以采用m p s k ，m q a m ，f s k 等多种方式。当优先 考虑传输可靠性时可采用误比特性能特别好的m p s k ，如q p s k 。而优先考虑频谱利用率时 可采用m q a m ，如1 6 - q a m 。因为q a m 不是种恒包络调制，因而受多径千扰的影响比 较大。由于无线信道的非平稳快衰落特性，要求信号的包络恒定，故可采用q p s k 。 2 8o f d m 符号的波形选择 前面的讨论中涉及到每个子载波上传送的符号都是采用矩形波形，这种波形在接收端理 想同步时是最优的。但是t 由于每个子载波上的频谱形状是s i n ( x 池函数，它的旁瓣以l ，的 速率衰减，衰减较慢，所含能量较大。因此，采用矩形波形的o f d m 系统对同步误差很敏 感。子载波之间的正交性稍有破坏，就会引起较大的载波间干扰i c i 。所以要提高系统的性 能，可以改变符号波形，使子载波上的频谱函数旁瓣衰减加快、所含的信号能量下降，就能 东南大学硕士学位论文 第二章o f d m 基本原理及其关键技术 减小非正交引起的i c i 。 通常比较简单的做法是在o f d m 调制之后加上窗函数如图2 5 所示【。窗函数一般 可以由升余弦函数得到，