（光学工程专业论文）基于光纤无线电的ofdm宽带数据通信系统设计.pdf

摘要 摘要 随着人们对声音，数据，图像等宽带业务的需求，无线化和宽带化成为了当 今通信业乃至整个信息业的热点。 正交频分复用( 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 ，o f d m ) 技术是 一种多载波调制技术。它具有抗多径衰落、能够有效减少载波间干扰和符号间干 扰、以及频谱利用率高的特点，以其新型的信号调制复用方法在宽带无线接入领 域的应用正逐渐发展成为一个研究和应用的热点。随着d s p 芯片和f p g a 芯片技 术的发展，o f d m 的应用有了长足的进步和发展前景。 然而，基于o f d m 技术的8 0 2 1 6 标准定义的工作频段为2 6 0 g h z ，无线信 号在大气中由于反射和吸收造成的损耗也是不容忽视的。本文考虑用光纤无线电 ( r a d i oo v e rf i b e r , r o f ) 技术与o f d m 相结合，实现低成本、大容量的射频信号 有线传输和超宽带接入，具有低损耗、高带宽、不受无线频率干扰、便于安装和 维护，功耗小等优点。 论文对o f d m r o f 的射频光纤系统进行了分析和研究，主要工作有以下几点： ( 1 ) 简述了o f d m 的基本原理与特点，在参考i e e e 8 0 2 1 6 和8 0 2 1 1 a 协议 的物理层技术的基础上，基于a l t e r a 公司s t r a t i x 系列f p g a 芯片特性，利 用i p ( 知识产权) 核介绍了物理层发送机各模块的f p g a 设计与实现，提出了一 种切实可行的o f d m 基带传输的f p g a 实现方法与结构，并提出了一种新颖的插 入循环前缀的方法。 ( 2 ) 介绍了r o f 技术的概念，技术特点以及网络体系结构。对基带光纤传输， 中频光纤传输以及射频光纤传输进行了说明，并比较了三者在实现和技术上各自 的优势与不足。 ( 3 ) 利用m a t l a b 7 0 和s i m u l i n k 实现了8 0 2 1 6 w i m a x 系统物理层基本仿真， 构建了o f d m r o f 系统的仿真平台，从误码率，波形和星座图等多个方面研究了 o f d m 信号经r o f 系统传输后的性能，并提出了系统优化建议。 关键词：o f d m 、8 0 2 1 6 、f p g a 、r o f a b s t r s c t a b s t r a c t a l o n gw i mt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fw i d e - b r o a ds e r v i c es u c h 勰v o i c e ，d a t a , p i c t u r ea n ds oo n , w i r e l e s sa n dw i d e - b r o a dc o m m u n i c a t i o nb e c o m e st h eh o tt o p i c si n n o to n l yc o m m u n i c a t i o nf i l e db u ta l s oe n t i r ei n f o r m a t i o nf i e l d 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 sam u l t i c a r r i e r d a t a m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y b e c a u s eo f d mh a st h ec h a r a c t e r i s t i ct h a ta n t i - m u l t i p a t hf a d i n g a n dt h eh i g hf r e q u e n c ys p e c t r u mu t i l i z a t i o n , i t sn e wt y p eo fs i g n a lm o d u l a t i o nm e t h o d s u s e di nt h eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s si s g r a d u a l l yb e c o m i n gat r e n d w i t ht h e d e v e l o p m e n to fd s pc h i p sa n df p g ac h i p s ，o f d ma p p l i c a t i o na l s oh a sm a d e s u b s t a n t i a lp r o g r e s sa n dd e v e l o p i n gp r o s p e c t s t h i sa r t i c l em a k eac o n s i d e rt h a tc o m b i n i n gt h er o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) t e c h n o l o g yw i t ho f d m ，u t i l i z i n gf i b e ra n dh i g h f r e q u e n c yw i t ht h e i rr e s p e c t i v e a d v a n t a g e s ，s 0 a st or e a l i z i n gr a d i o - f r e q u e n c ys i g n a l st r a n s m i s s i o ni nc a b l ea n d u l t r a - b r o a d b a n da c c e s sw h i c hi sh i g h - v o l u m e ，l o w - c o s t a tt h es a m et i m e ，t h i sm e t h o d i sf r e ef r o mr a d i of r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，e a s yt oi n s t a l la n dm a i n t a i n , a n ds m a l l - p o w e r i nt h i sp a p e r , o f d m r o fr ff i b e r - o p t i c a ls y s t e mi sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e d ： ( 1 ) s k e t c h e dt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n df e a t u r e so fo f d m i nr e f e r e n c et oi e e e 8 0 2 1laa n d8 0 2 16s t a n d a r d sp h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g y , b a s e do na l t e r as t r a t i x s e r i e sf p g a ( 2 ) i n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fr o f , t e c h n o l o g yc h a r a c t e r s ，n e t w o r ks t r u c t u r e i l l u s t r a t e da n de x p l a i n e dt h r e et y p e so fr o fl i n kc o n f i g u r a t i o n ：b b ，i f , r fo p t i c a l t r a n s m i s s i o na n dc o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e m ( 3 ) u s e dm a t l a b 7 0a n ds i m u l i n k t or e a l i z e8 0 2 16w l m a xp h y s i c a l l a y e r s i m u l a t i o ns y s t e ma n dc o n s t r u c t e do f d m - r o fs y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m k e y w o r e ) ：o f d m8 0 2 16f p g ar o f i i 图表目录 图表目录 图2 1f d m 的频域信号6 图2 2o f d m 的频域信号7 图2 3o f d m 系统收发端框图7 图2 4o f d m 系统基本模型框图1 0 图2 5o f d m 符号与循环前缀j 1 2 图2 - 6 利用i d f t d f t 实施的o f d m 系统框图。1 3 图2 7 基于o f d m 的多载波系统的等效频域系统1 4 图2 8o f d m 模拟混频器。1 5 图2 - 9o f d m 数字混频器1 5 图3 1 可编程逻辑器件的基本结构一2 2 图3 2a l t e r af l e x a c e x 芯片的内部结构2 3 图3 3 查找表结构的f p g a 逻辑实现原理2 4 图3 _ 4a v a l o n - s t 典型系统示例2 6 图3 5o f d m 基带调制解调整体设计2 7 图3 - 6 扰码模块2 8 图3 7r s 编码模块2 8 图3 8r s 编码d 核参数设置2 9 图3 - 9r s 编码外部信号接口2 9 图3 1 0 ( 2 ，1 ，6 ) 卷积编码器3 l 图3 1 1 卷积编码器r t l 结构和电路符号一3 2 图3 1 2 卷积编码仿真结果3 3 v l 图表目录 图3 1 3o f d m 符号子载波描述3 4 图3 - 1 4b p s k 、q p s k 和1 6 q a m 的调制星座图3 5 图3 - 1 5q p s k 调制设计和电路符号3 7 图3 1 6q p s k 仿真结果3 7 图3 - 17q a m 映射3 8 图3 1 81 6 q a m 的四相叠加法3 9 图3 1 9 导频调制的p r b s 3 9 图3 2 0o f d m 调制解调方框图一4 0 图3 2 1o f d m 基带处理各模块间连接框图4 2 图3 2 2 顶层模块接口4 3 图3 2 3i f f t f f t 模块接口4 3 图3 2 4f f t 引擎内部结构4 4 图3 2 5o f d m 基带处理调制解调器的逻辑单元在f p g a 中使用情况4 5 图3 2 6 功能仿真结果4 6 图4 1 光纤数字通信系统4 8 图4 2 典型r o f 系统结构5 2 图4 3 强度调制直接检测( m d ) 模拟光链路5 2 图4 4 直接强度调制产生r f 信号( a ) 直接调制激光器，( b ) 使用外部调制器5 3 图4 5 发光二极管模拟调制原理5 3 图4 6 光外差5 5 图4 7d w d m 与r o f 融合5 6 图4 8 基于d w d m 的r o f 环状结构5 7 图5 1s i m u l i n k 仿真发射机简略框图6 0 图5 2s i m u l i n k 仿真半导体激光器建模6 1 v i i 图表目录 图5 3s m f 传输模型。6 4 图5 4s i m u l i n k 线性光纤传输模块6 4 图5 5s i m u l i n k 非线性光纤传输逻辑单元“ 图5 6s i m u l i n k 非线性传输模型单元“ 图5 7s p l i t - s t e p 傅立叶传输模型6 6 图5 8s i m u l i n k 仿真接收机简略框图6 7 图5 - 9s i m u l i n k 光电探测器与放大器噪声模型6 8 图5 1 0o f d m r o f 的s i ml i n k 仿真模型6 9 图5 - 11q p s k - o f d m r o f 系统误码率与传输距离的关系( 色散常数d 变化) 7 1 图5 12q p s k - o f d m r o f 系统误码率与传输距离的关系( 数据码率变化) 7 2 图5 1 3q p s k - o f d m r o f 系统误码率与传输距离的关系( 载波频率变化) 7 2 图5 1 4 光纤传输3 0 k m 和光纤传输4 0 接收端星座图7 3 图5 15 光纤传输4 5 k m 和光纤传输5 0 k m 接收端星座图7 3 图5 1 6 不同星座映射方式下o f d m r o f 系统误码率与传输距离的关系7 4 图5 17o f d m r o f 系统传输信号波形7 5 图5 18o f d m r o f 系统接收信号波形7 5 图5 1 9 光纤长度为5 0 k m 接收端星座图7 6 图5 2 0 色散补偿后o f d m r o f 系统传输信号波形7 7 图5 2 1 色散补偿后o f d m r o f 系统接收信号波形。7 7 图5 2 2 误码率与输入光功率的关系7 8 表2 1 单载波和多载波传输方式的比较9 表2 - 2w l a n 和w i m a x 性能对比表18 表2 3i e e e 8 0 2 。1 6 d 和i e e e 8 0 2 1 6 e 技术对比2 0 表3 1 四输入与门2 3 v i i i 图表目录 表3 2 卷积编码的删节模式3 1 表3 3 列间置换3 3 表3 - 4 信号与载波间关系3 7 表3 5m p t s 与变换长度关系4 4 表3 - 6s i n ke r r o r 信号含义4 5 表5 1 通信用b l 类单模光纤的衰减常数及色散总系数6 0 i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 盔豸日期：2 矽年厂月2 厂日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 吼叩弘碲 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 按照传输介质( 比如大气、光纤等) 的不同，现有的接入技术可以分为无线 接入技术和有线接入技术。无线接入是指从交换节点到用户终端之间，部分或全 部采用了无线接入手段。目前常见的无线接入技术包括g s m ，u w b ，w l a n ， w i m a x ，w c d m a 等。有线接入则相反，包括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 ，非对称数字用户线路) 和p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，无源光网络) 等 都属于有线接入手段【l 】【5 2 1 。 接入网领域的巨大市场在骨干光网络已趋于饱和的情况下，成为了各大运营 商争相投资的动力。光纤具有低损耗、高带宽、防电磁干扰等特点；而无线接入 则可以给用户带来无处不在的方便且快捷的服务，除此之外还免去了铺设光纤的 昂贵费用。基于光纤接入和无线接入各自的优势，r a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) 技术 就成为了有线接入与无线接入相融合的一种接入手段出现，并且成为越来越多人 关注的话题和研究的热点。 o f d m 是一种多载波数字调制技术，它主要应用于高速数据传输。它将数据 经编码后调制为射频信号。常规的单载波技术是采用一个信号载波传送所有数据， 它是在某一时刻只用单一频率发送单一信号；传统的频分复用( f d m ) 虽然将传 输信道划分为子信道，但子信道之间设有保护间隔并且没有频谱上的重叠；o f d m 虽然也属于频分复用，但其主要思想就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。o f d m 在经过特别计算的正交频 率上同时发送多路低速信号，而且相对于f d m 系统要求的带宽要小很多，这一结 果有效的利用带宽。由于多径接收造成无线信道的响应多是非平坦的，这样，尽 管总的信道是非平坦的，但在每个子信道上进行的是窄带传输，所以每个子信道 是相对平坦的，从而能抵抗多径引起的频率选择性衰落。在o f d m 系统中，采用 循环前缀作为保护间隔，在保护间隔长度大于最大时延扩展时，不仅可以避免i s i ( 符号间干扰，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，还可以避免由多径效应所带来的子载波 问干扰( i c i i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e ) 【2 7 】【5 2 1 。 电子科技大学硕士学位论文 在宽带接入系统中，由于o f d m 系统具备良好的特性，如为了达到高速传输 以及比较高的q o s 保障，必须使频谱利用率提高、信号抗衰落能力增强、抗码间 干扰能力显著增强等，将成为下一代蜂窝移动通信网络的有力支撑。第四代移动 通信等以数据通信和图像通信为主，要求系统传输的数据速率比3 g 时代要大大提 高，还特别注重通信以协议为基础、与互联网相结合等等。其中牵涉到很多关 键问题很适合o f d m 等先进的调制技术来解决。目前正在研发的3 g p p l t e 技术 也很可能选用o f d m 及其改进型作为基本多址技术。除此之外，o f d m 还广泛应 用于非对称数字用户线路( a d s l ) ，高清晰度电视( h d t v ) ，e t s i 标准的数字音 频广播( d a b ) ，数字视频广播( d v b ) ，无线局域网( w l a n ) 等【5 2 1 。因此我们 可以预见，o f d m 技术将在未来发挥如今c d m a 技术对于移动通信一样的重要作 用，甚至产生更广泛的影响。 应高速大容量无线通信需求，r o f 技术成为了新兴发展起来的将光纤通信和 无线通信相结合起来的无线接入技术。r o f 系统中运用光纤作为基站( b a s es t a t i o n ， b s ) 与中心站( c e n t e rs t a t i o n ，c s ) 之间的传输链路，直接利用光载波来传输射 频信号。在下行链路中，利用光器件和全光技术在c s 处对信号进行调制和光电变 换，变换后的光信号通过光纤传输到远端b s ，在b s 再进行光电探测和解调，解 调后的电信号符合诸如g s m ，u m t s 以及w l a n 等无线应用的规范。在上行链 路，将天线接收到的信号进行光电转换和相应的下变频，然后经过光纤传输到c s ， 最后通过光电检测和所需的频率下变换得到基带信号。光纤仅起到传输的作用， 交换、控制和信号的再生都集中在c s ，b s 仅实现光电转换。这样，可以把复杂 昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的功耗和 成本【1 1 】【1 9 】。 利用光纤作为传输链路，具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特点。光纤 传输的射频( 或毫米波) 信号提高了无线带宽，大气中无线信号的多经衰落也会 降低。但天线发射后在大气中的损耗会增大，所以要求蜂窝结构向微微小区转变。 由于交换、控制和信号再生集中在中心端局，使得基站的结构大大简化，这有利 于增加基站数目来减少蜂窝覆盖面积，从而使组网更为灵活并且便于网络的升级。 正是这些优点，使得r o f 技术在未来无线宽带通信、卫星通信以及智能交通系统 等领域有着广阔的应用前景【l 。 从市场上看，有调研机构调查显示，有6 0 6 的调查对象认为在未来5 年中主 2 第一章绪论 要出现的情景将是无线通信和有线通信的融合( f i x e dm o b i l ec o n v e r g e n c e ，f m c ) ， 大多数用户将拥有l 部支持多种模式的电话机，并通过选择最适合的网络( 可以是 固定网，也可以是无线网) 来进行呼叫。虽然将上面所介绍的两种接入手段结合起 来能够实现f m c ，但o f d m 和r o f 两种技术各自也存在自身的弊端。在o f d m 技术中，信号对频率偏移和相位噪声很敏感；峰值和均值功率比相对较大，这个 比值的增大会降低射频放大器的功率效率。在r o f 技术中，系统的单模光纤色散 的影响、光纤的非线性效应等增加了r f 载波的相位噪声。因此，近年来众多研究 机构都在讨论将这两种通信技术相融合时如何充分发挥两类接入技术的优势，实 现1 + 1 2 的网络结构，减少各自不利的方耐8 。1 4 j 。 1 2 课题意义和研究动机 正交频分复用( o f d m ) 是近几年兴起的一种在无线信道上实现高速数据传输 的新技术。它属于多载波调制技术，其最大特点是传输速率高，对码间干扰和信 道选择性衰落具有很强的抵抗能力。 近年来，随着数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s i n g ，d s p ) 和超大规模集成 电路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t e s ，v l s i ) 技术的发展，o f d m 的应用有 了长足的进步和广阔的发展前景。日本的i s d b t 广播标准，欧洲的d a b 和 d v b t ，以及基于8 0 2 1 1 的w l a n 和8 0 2 1 6 的w i m a x 中均采用了o f d m 调制 技术。本文在参考8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 6 协议的原理架构以及物理层技术的基础上，本 着小成本、高效率的设计思想，建立了一个基于a l t e r a 公司s t r a t i x 系列f p g a 芯片的、可实现流水化运行的o f d m 系统的硬件平台，将o f d m 基带调制所需的 扰码，r s 编码，卷积编码，分组交织，星座图映射，i f f t f f t ，循环前缀插入等 模块全部集成到一个f p g a 芯片上。通过此设计大大简化了系统的复杂度，提高 了系统性能，并且实现了片上系统( s y s t e l i lo nc h i p ，s o c ) 设计和o f d m 的远距 离传输系统。 f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一种可编程逻辑器件。f p g a 具有 设计时间短、风险小、投资少等特点，而且可以反复修改和反复编程，直到完全 满足需要为止，相对于其他方式来说具有无可比拟的灵活性和便捷性。厂家事先 将可配置的逻辑块( l o g i cb l o c k ，l b ) 以阵列状的形式排列于芯片内部。通过可 编程连线，用户可以方便地实现各种组合逻辑和时序逻辑。高端f p g a 逐渐在片 3 电子科技大学硕士学位论文 上系统中扮演着重要角色，a l t e r a 公司推出的s t r a t i x 和s t r a t i xg x 系列 f p g a 芯片被大量应用在3 g 系统中做高速数字信号处理算法实现，有的用在高清 电视系统中做图像传输和处理，也有的用在中高端的路由器和交换机中做复杂的 协议处理和流量调度等等。这些高端f p g a 有许多系统级的功能模块，如用于时 钟产生和管理的锁相环( p h a s el o c k e dl o o p ，p l l ) ，用于数字信号处理的d s p 块， 用于片内存储数据的r a m 块等。这些特性使得f p g a 可以很方便实现o f d m 通 信系统的收发模块功能【27 1 。 作为解决用户“最后一公里的有效方法，宽带无线接入具有初期投资小、 建设速度快和组网灵活等特点而受到众多电信运营商的重视。在对下一代宽带无 线接入系统的研究和开发中，主要工作集中于以下两个方面：有效抵制多径衰落 的技术和研发小型化、低成本的基站。基于正交频分复用( o f d m ) 数字调制技术 的w i m a x 系统与r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 组网技术的结合成为有效解决这一问题 的方法之一。r o f 技术是近年来新兴的交叉学科微波光子学的一个重要的研究方 向，作为一种光纤通信与无线通信相结合的技术，得到了业界的广泛关注。r o f 最突出的优势在于传输距离方面，光纤的损耗小，可以近似被看作是“无损 介 质，从而保证系统的性能并且使基站的选址问题不再受到地域的限制，更加灵活 而有效的降低了基站的维护成本。光纤还具有易于进行多路的合成和分解，抗电 磁干扰性能好，容量大等优点。另外，光纤的价格相对于射频电缆而言更加便宜， 更容易实现低成本的网络覆盖。将光纤有线与w i m a x 无线接入方式相结合，能 够实现两者的优势互补，并且为用户提供高带宽、灵活的接入手段【2 - 1 4 j 【5 2 】。 本文在基于f p g a 设计o f d m 宽带数字通信系统的同时，还利用m a t a l a b 7 0 和s i m u l i n k 搭建了o f d m r o f 系统仿真模型，对o f d m 信号在光纤和无线接入 系统传输中的噪声特性进行了分析。从误码率，接收信号波形和星座图等多个方 面研究了o f d m 信号经r o f 系统传输后的性能，并提出了系统优化建议。 1 3 本文组织结构 全文由六章组成，以下为个章节简要介绍。 第一章：绪论 主要介绍了概述以及课题意义和研究动机。 第二章：o f d m 技术基本原理 4 第一章绪论 主要介绍o f d m 技术的基本原理和基于8 0 2 1 6 的w i m a x 系统。 第三章：基于a l t e r a 公司f p g a 芯片的o f d m 系统设计 本章首先简要介绍了f p g a 和进行设计时选用的芯片以及总线系统。侧重点 在于参考8 0 2 1 6 标准的基础上利用口进行的o f d m 传输调制系统的设计，对各 个相关模块做了详细的介绍和说明。 第四章：射频光纤技术 本章简要介绍了r o f 系统的系统结构和基于光纤的微波产生和传输技术。 第五章：o f d m r o f 系统设计与s i m u l i n k 仿真 本章在m a t l a b 7 0 和s i m u l l n k 下搭建了o f d m r o f 系统仿真平台，主要 分析了光纤色散和非线性性效应对o f d m 信号产生的影响。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章o f d m 技术基本原理 2 1o f d m 技术介绍 1 9 6 6 年，c h a n g 针对分散性的衰落信道最早提出了o f d m 模式【1 5 1 ，但是，由 于当时由于只能使用模拟滤波器分离子载波，实现复杂度高，o f d m 技术没有什 么实质性的发展。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b 瞳提出使用离散傅立叶变换( d f t ) 来实现调制与解调【5 6 1 ，这样大大减少了系统复杂性。1 9 8 0 年，h i r o s a k i 1 7 】提出了一 种均衡算法，用来抑制信号串扰和子载波间干扰，其后又提出了基于离散傅立叶 变换设备的s a l t z b e r go q a mo f d m 系统；与此同时，p e l e d e l 6 1 提出了简化了的 o f d m 调制工具。从此以后，o f d m 的应用才有了飞速发展。 o f d m ( 正交频分复用) 技术是在频分复用的基础上发展起来的，是一种多载 波调制方式。在传统的频分复用( f d m ) 系统中，将总带宽划分为若干子信道， 每个信道传输一路信号。但是，各载波上的信号频谱没有重叠，而且各子信道之 间具有保护间隔( 如图2 1 所示) ，以此保证各路信号互不干扰。这样，f d m 总频 率宽度大于所有子信道频率之和，造成了频谱资源的浪费，频谱利用率比较低。 o f d m 这种特殊多载波技术与传统多载波调制技术则完全不同，被调制到子载波 上的信号频谱之间具有1 2 的重叠，当载波间最小间隔等于数据码字周期倒数的整 数倍时，可保持子载波间的正交性。为了最大限度地提高频谱效率，一般取最小 间隔等于数据码字周期的倒数( 即1 厂r ) 。o f d m 的信号频谱如图2 2 所示，每一 子载波的频谱形状均为s i n x x 函数形【2 7 1 。 1 丽 图2 - 1f d m 的频域信号 6 第二章o f d m 技术基本原理 1 一2 m 2 2o f d m 基本原理 图2 - 2o f d m 的频域信号 图2 3 为o f d m 系统收发端的典型框图，经过信道编码和星座映射后，发送 端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并进行逆离散傅立叶变 换( d f t ) 将数据的频谱表达式变换到时域上。上半部分对应于发射机链路，。下 半部分对应于接收机链路。由于f f t 和i f f t 操作类似，因此发射机和接收机可以 使用同一设各。当然，接收机不能同时进行发送和接收操作【5 2 】。接收端是发送端 的逆序操作。f f t 分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换为数字 信号。由于信道对信号的影响，在接收端还应该进行定时与同步，并且提取导频 信号对信道进行估计。对于o f d m 系统，主要考虑以下三种同步：定时同步( 包 括分组同步和符号同步) 、频率同步( 估计和校正信号中存在的频率偏移) 和时钟 同步。 图2 3 0 f d m 收发机框图 2 2 1 串并变换 数据传输的典型形式是串行数据流，符号被连续传输，每一个数据符号的频 7 电子科技大学硕士学位论文 谱可以占据整个可利用带宽；但在并行传输系统中，许多符号被同时传输，减少 了那些在串行系统中出现的问题。 o f d m 是把高速数据流通过串并转换为将低速数据码流，然后调制到各个子 载波上( q p s k 或q a m ) 。如将1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 的数据码流经过串并转换后， 分割成1 0 1 0 、1 0 1 0 、1 0 1 0 、1 0 1 0 四个较低比特速率的码流( 称为码字) 。显然， 每个比特数据的持续时间的长度将增加为原来的4 倍，从而可以大大减少在传输 过程中的突发性错误。下面是一个计算例子：d v b c 系统码字率( 应该说是符号 率，在这里为了和o f d m 的符号区分开来，所以称为码字率) 多是6 9 5 6 5 m s ，s ， 那么其码字长度是：1 6 9 5 6 5 = 0 1 4 3 8us 。如用o f d m 的2 k 模式( 总子载波数量 为2 0 4 8 ，有用子载波数量为1 7 0 5 ，其余是空子载波) 来调制，则有0 1 4 3 8 x1 7 0 5 = 2 4 5 1 7 9l as ；如用8 k 模式( 总子载波数量为8 1 9 2 ，有用子载波数量为6 8 1 7 ，其 余为空子载波) 则有0 1 4 3 8 6 8 1 7 = 9 8 0 2 8 4 6us 。由上面的计算可以看出码字长 度增加了很多 5 3 】。在v e r i l o g 硬件描述语言中，利用移位寄存器就可以很轻松的实 现串并转换。 多径效应是由电波传播信道中的多径现象引起的干涉延时效应。无线信道中 常有许多时延不同的传输路径，称为多径现象。频率选择性衰落是指传输信道对 信号不同频率成分有不同的随机响应，信号中不同频率分量衰落不一致，引起信 号波形失真【l 引。当一个o f d m 符号在多径无线信道中传输时，频率选择性衰落会 导致某几组子载波受到相当大的衰减，从而引起比特错误。与一大串错误连续出 现的情况相比较，大多数前向纠错编码( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 在错误 分布均匀的情况下会工作得更加有效，采用f e c ，接收端不但能发现差错而且能 确定二进制码元发生错误的位置。基于此，在进行信道编码前应该进行扰码，减 少传输中长连0 和长连1 的出现，而且经过扰码后，信号频谱更能适合于 基带传输。在接收端，进行一个对应的逆过程来分解出信号【1 7 】。 表2 1 列出了f d m 和o f d m 传输方式在符号时间、速率、频带带宽和对i s i 敏感度等几方面的比较。其中，为子载波个数，z 为一个o f d m 符号的持续时 间。对于o f d m 信号而言，如表2 1 所示，信号速率为l 亿，子载波间隔为矽= 1 z ， o f d m 信号带宽为b = ( + 1 ) a f = ( n + i ) t 。可以看出，当调制方式一定时，o f d m 信号带宽和比特率基本成正比关系，且越大，信号带宽b 趋近于采用相同调制 方式时的信号基带带宽。 第二章o f d m 技术基本原理 表2 1 单载波和多载波传输方式的比较 ：二卜、邀苎 f d mo f d m 系统参数 符号时间 1 s | ne 速率 n l t s1 互 总频带带宽 2 n t , ( + 1 ) z i s i 敏感度较敏感较不敏感 2 2 2 子载波调制 一个o f d m 符号之内包含多个经过调制的子载波的合成信号，其中每一个子 载波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 符号的调制【5 2 1 。； 设表示子载波的个数；t 为o f d m 符号的时间宽度( 周期) ；4 ( i = o ，1 ，2 - 1 ) 为分配给每个子信道的数据符号；z 为第i 个子载波的载波频 率；r e t c ( t ) = l ，i t i t 2 ，表示矩形函数。则从t = 乞开始的o f d m 符号可以表示为： s ( f ) = r e 喀陀纪( f 一气一t 2 ) e x p j 2 万f , ( t - 乞) f + r s ( t ) = 0t 乞+ r 。 ( 2 - 1 ) 一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制方式就将它们映射为 子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述o f d m 的输出信号，见式 ( 2 2 ) 。 ，一l s ( f ) = d t r e t c ( t - t s - t 2 ) e x p ( j 2 ，r i t ( t - t , ) ) f + r s ( t ) = 0t + 丁 ( 2 - 2 ) 式中，s ( f ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相( i n p h a s e ) 和正交 ( q u a d r a t e - p h a s e ) 分量，在实际中可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量 相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号【5 2 】。图2 - 4 为o f d m 系统基本 模型的框图，其中彳= z + i t ，z 为实际发送的载波频率。在接收端，将接收到 9 电子科技大学硕士学位论文 的同相和正交矢量映射回数据信息，完成子载波的调制。 矿- _ 鼍 j l 扣 e - 2 奶 s ，pl 扛 +叫悟厦卜一 p ，s e - j 2 弘毒 鱼b 图2 - 4o f d m 系统基本模型框图 从图2 4 可以看出，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期， 而且各个相邻子载波间相差1 个周期【5 2 1 。这一特性可以用来解释子载波间的正交 性，即： ；f e x p ( j f 吃，) e x p ( _ ，r 妙= l 。1 ( ( 肌m = n 疗； ( 2 - 3 ) 例如对式( 2 2 ) 中的第k 个子载波进行解调，然后在时间长度t 内进行积分， 俄= 打唧( 川万争以1 n - i 咖冲( 伽；( ) 卜 = 亍1 缶h t - 1 4r e x p ( j 2 万字( ) 卜以 c 2 4 ， 这种正交性还可以从频域角度来理解，根据公式( 2 1 ) 每个o f d m 符号在其 周期r 内包括多个非0 的子载波。因此其频谱可以看作是周期丁的矩形脉冲的频谱 与一组位于各个子载波频率上的万函数卷积。矩形脉冲幅度频谱为s i n c ( f 1 函数， 这种函数的零点出现在频率为1 t 整数倍的位置上【1 9 】【5 2 】。从图2 2 中可以看出相 互覆盖的各个子信道内经过矩形波成型得到的符号的s i n c 函数频谱。在每个子载 波频谱最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。o f d m 符号频谱实际上可 以满足乃奎斯特准则，即多个子信道频谱间不存在互相干扰。因此这种一个子信 道频谱出现最大值而其他子信道频谱为零点的特点可以避免载波间干扰( i c l ) 的 出现【5 2 1 。 l o 第二章o f d m 技术基本原理 2 2 3f f t 在o f d m 中的应用 在数字信号处理领域，离散数字傅立叶逆变换( i d f t ) 表示为： 小) = t = n - 1 d iexp(j2n-熹exp j 2 n 等1 = 0) 协5 ) s ( 七) = l ( 2 - 5 ) 令式( 2 - 2 ) 中的= 0 ，并忽略矩形函数，对于信号s ( t ) 以丁的速率抽样， 即令t = k t n ( k = o ，l ，n 一1 ) ，代入( 2 5 ) 可以得到： =s(krn=n-t(j2zc熹)(。七-1sk(krn)i=o ) c 2 - 6 ) = s = 等l ( o | ) ( 2 - 6 ) 可以看到& 等效为对面进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数 据符号喀，可以对& 进