（通信与信息系统专业论文）基于simulink的ofdm通信系统仿真分析.pdf

中文摘要 在无线信道环境中可靠 高速的传输数据是无线通信技术的目标和要求 o f d m 技术能够大幅度的提高无线通信系统的信道容量和传输速率 并能有效 地抵抗多径衰落 抑制干扰和噪声 有着广阔的应用前景 本文在分析移动无线信道特性的基础上 基于o f d m 系统的基本原理 研 究了o f d m 通信系统中同步实现和基于导频的信道估计问题 分析了几种经典 信道估计算法以及相关的关键技术环节 在此基础上 基于s i m u l i n k 讨论了如何构建完整的o f d m 动态仿真系统 完成s i m u l i n k 模块设置 确定搭建系统的主要参数 并对主要模块的构建方式 进行了说明 就信道编码 多普勒频移及不同调制方式对o f d m 系统性能的影 响进行了全面的仿真分析和比较 参考c o s t 2 0 7 多径信道模型 深入全面研究 了瑞利衰落信道对o f d m 通信系统性能的影响 对c o s t 2 0 7 典型城市模型下 o f d m 系统性能仿真进行了有益的尝试 首次应用s i m u l i n k 同时对不同导频方 式 不同导频比 不同多普勒频移条件下的o f d m 通信系统进行详细仿真分析 研究结果表明 对于应用块状导频的o f d m 通信系统 在e f f n o 较小时 加 性高斯白噪声对性能起主导作用 e b n o 较大时 i c i 对性能起主导作用 形成了 误比特率底限 仿真分析表明 o f d m 通信系统采用块状导频方式时 适用的 多普勒频移的范围为1 0 0 h z 以下 对应的移动速度为静止或步行速度或较慢的 汽车行驶速度 导频比为1 3 或1 4 时综合效果较好 对于应用梳状导频的o f d m 通信系统 其系统性能不如块状导频 但这种导频插入方式对多普勒频移及时间 选择性衰落不敏感 若将梳状导频与其他形式的导频综合使用 可用于改善 o f d m 通信系统性能 尤其是具有较高相对移动速度的o f d m 系统 论文所得结论可为进一步研究提供仿真数据 也可为o f d m 系统的仿真与 研究提供重要的参考 关键词 o f d m 导频衰落信道信道估计s i m u l i n k 多普勒频移仿真分析 a b s t r a c t d a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc h a n n e l sw i t hh i g hs p e e da n dr e l i a b i l i t yi sr e q u i r e d i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y o f d mt e c h n o l o g yw h i c hh a sw i d e l y a p p l i c a t i o np r o s p e c t sc a l ln o to n l yi n c r e a s et h et r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h ec a p a c i t yo f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b u ta l s oe f f e c t i v e l yr e s i s tm u l t i p a t hf a d i n ga s w e l la sr e s t r a i ni n t e r f e r e n c ea n dn o i s e i n t h i sp a p e r s y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e do np i l o ta r e r e s e a r c h e d s e v e r a lc l a s s i cc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n dr e l a t i v ek e yt e c h n o l o g y a r ea n a l y s i s e do nt h eb a s i so fp r i n c i p l e so fo f d m b a s e do ns i m u l i n k h o wt ob u i l dac o m p l e t eo f d ms i m u l a t i o ns y s t e mi s d i s c u s s e d c h a n n e lc o d e d o p p l e rf r e q u e n c ys h i f ta n dd i f f e r e n tk i n d so fm o d u l a t i o n i s i n f l u e n c eo no f d ms y s t e m p e r f o r m a n c e i sc o m p a r e da n da n a l y s i s e d c o m p r e h e n s i v e l y i n f l u e n c eo fr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e lw h i c hr e f e rt oc o s t 2 0 7 m o d e li sr e s e a r c h e d ap o s i t i v ea t t e m p to no f d ms y s t e mp e r f o r m a n c es i m u l a t i o ni s m a d e i ti st h ef i r s tt i m ef o ro f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt ob es i m u l a t e da n d a n a l y s i s e di nd e t a i lu n d e rc o n d i t i o no f d i f f e r e n tp i l o tp a t t e r n s d i f f e r e n tp i l o tr a t ea n d d i f f e r e n td o p p l e rf r e q u e n c ys h i f ta tt h es a m et i m e t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a t f o ro f d mc o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s i n g b l o c k t y p ep i l o t a w g nw i l lp l a yt h el e a d i n gr o l ew h e ne b n 0i ss m a l l e ra sw e l la s i c lw i l lp l a yt h el e a d i n gr o l ea n dt h eb o t t o mb i te r r o rr a t ei sf o r m e dw h e ne 洲oi s l a r g e r t h es i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t si m p l yt h a td o p p l e rf r e q u e n c ys h i f ts h o u l db e s m a l l e rt h a nlo o h z t h ec o r r e s p o n d i n gm o v e m e n ts p e e ds h o u l db ez e r oo rw a l k i n g p a c eo rs l o wd r i v i n gs p e e dw h e nu s i n gb l o c k t y p ep i l o ta n dt h ep i l o tr a t es h o u l db e 1 3o r1 4c o n s i d e r i n gc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e p e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e mu s i n gc o m b t y p ep i l o ti sn o tg o o d 嬲b l o c k t y p e p i l o t h o w e v e r t h ec o m b t y p ep i l o tp a t t e r ni si n s e n s i t i v et od o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t a n dt i m es e l e c t i v ef a d i n g o f d ms y s t e mp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l yt h eh i g hs p e e d s y s t e m c o u l db ei m p r o v e di fc o m b t y p ea n do t h e rp a t t e r np i l o t su s e dt o g e t h e r 1 1 1 cc o n c l u s i o nc o u l dp r o v i d es i m u l a t i o nd a t af o rf u r t h e rr e s e a r c ha n dp r o v i d e r e f e r e n c ef o ro f d ms i m u l a t i o na n dr e s e a r c h k e yw o r d s o f d m p i l o t f a d i n gc h a n n e l c h a n n e le s t i m a t i o n s i m u l i n k d o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t s i m u l a t i o na n a l y s i s 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和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得鑫鲞苤鲎或其他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 学位论文作者签名 歹象 签字日期 口7 年6 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂 有关保留 使用学位论文的规定 特授权鑫盗盘堂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 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 彬 签字日期 p7 年乡月 日 签字日期 p 年衫月芗日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自1 8 3 7 年最早的通信形式 电报出现以来 通信己经逐渐融入了社会 随 着通信技术的不断成熟发展 现代社会也正在高速发展 如今的通信传输方式日 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 从最初的电报 到固定电话 计算机网络 再到现在的移动通信 从最初的文本信号通信到语音 通信 再到现在的多媒体通信 人们对通信质量的要求也在不断提高 通信正在 朝着个性化 全球化 高质量的方向发展 如各种先进技术的结晶 移动通信 使得人们可以随时随地的联系外界 可以连上网络 甚至可以进行可视对话 现 代社会是信息社会 人类生活在信息高速公路交织的网络中 随着通信技术的不断发展和成熟 人类社会正在进入一个新的信息化时代 宽带已成为当今通信领域的发展趋势之一 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 o f d m 技术作为一种可以有效对抗符号间干扰 i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e i s i 的高速数据传输技术 已经受到前所未有的重视 对其 关键技术的研究也正在紧张的开展 o f d m 技术以其优异的性能受到人们的青 睐 并在移动通信 数字通信 数字广播等领域得到应用 并已取得可喜的成果 这预示着o f d m 良好的发展前景 正交频分复用 o f d m 是一种多载波数字通信调制技术 它的基本思想是将 高速传输的数据流通过串并转换 变成在若干个正交的窄带子信道上并行传输的 低速数据流 o f d m 技术将传送的数据信息分散到每个子载波上 使得符号周 期加长并大于多径时延 从而有效地对抗多径衰落 o f d m 技术利用信号的时 频正交性 允许子信道频谱有部分重叠 使得频谱利用率提高近一倍 1 1 2 研究背景和意义 1 2 1o f d m 技术发展历史 正交频分复用技术己有近4 0 年的发展历史 其概念最早出现于2 0 世纪5 0 年代中期 6 0 年代 人们对多载波调铝i j m c m 技术进行了许多理论上的研究 形成了并行数据传输和频分复用的思想 同时 o f d m 技术也被应用到美国军 第一章绪论 用高频通信系统中 1 9 6 6 年 r w c h a n g 发表了 s y n t h e s i so f b a n d 1 i m e do r t h o g o n a ls i g n a l sf o r m u k i c h a r m e ld a t av a n s m i s s i o n 文 文中叙述了在线性带限信道中 无i s i 和 i c i 的同时传输信息的原理 1 9 7 1 年 w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了将离散傅立叶变换 d f t 引入并行传输系 统来实现多载波调制的方法 这样在实际应用中就可以依靠更为方便的快速傅立 叶变换 i f f t f f t 来完成o f d m 系统的调制和解调功能 无需再使用梳状滤波 器 简化了系统结构 使得o f d m 技术更趋实用化 但是由于当时受到实时傅 立叶变换设备的复杂度 发射机和接收机振荡器的稳定性等相关技术条件的限 制 o f d m 技术没有得到广泛的应用 另一个重要贡献是p e l e d 和r u i z 在1 9 8 0 年做出的 他们引入了循环前缀 c y c l i cp r e f i x c p 这一概念 解决了正交性的问题 没有采用插入空保护间隔的 办法 相反 用o f d m 的循环延伸填充了保护间隔 当c p 的时间比信道的脉冲 相应时间长时 这样就可以在色散信道上保持正交性 2 0 世纪8 0 年代 人们对多载波调制在高速m o d e m 数字移动通信等领域 中的应用进行了较为深入的研究 到了9 0 年代 数字信号处理技术和超大规模 集成电路的飞速发展 又为o f d m 技术的实现扫除了障碍 此时 o f d m 技术 终于登上了通信的舞台 高速数字信号处理 d s p 芯片的发展 使得o f d m 优越性更加突出 d s p 与 f f t 技术的结合 使得o f d m 开始迅速发展并被广泛应用 d f t i d f t q a m 技 术 栅格编码技术 软判决技术 信道自适应技术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 f d m 技术在移动通信领域的应用 o f d m 的出现己有几十年的历史 但这种多载波传输技术在双向无线数据方 面的应用却是近十年来的新趋势 主要应用包括 非对称数字用户环路 a d s l e t s i 标准的音频广播 d a b 数字视频广播 d v b 等 1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 4 通过了一个5 g h z 的无限局域网标准 其中o f d m 调制 技术被采用成为它的物理层标准 e t s i 的宽带射频接入n b r a n 的局域网标准 也把o f d m 定位他的调制标准技术 2 1 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参 加了o f d m 论坛 可见o f d m 在无线通信领域的应用在当时已引起国内通信 界的重视 2 0 0 0 年1 1 月 o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 的无限城 第一章绪论 域网委员会提交了一份建议书 提议采用o f d m 技术作为i e e e s 0 2 1 6 3 城域网 的物理层标准 随着8 0 2 1 l a 和b r a n h y p e r l a n 2 两个标准在局域网中的普及应 用 o f d m 技术将会进 步在无线数据本地环路的广域网领域做出更大的贡献 人们对通信数据化 宽带化 个人化和移动化的需求日益增长 o f d m 技术在 综合无线接入领域将得到广泛的应用 此外 还由于其具有高的频谱利用率和良 好的抗多径干扰能力 而被看作是第四代移动通信的核心技术之一 3 1 2 2o f d m 技术应用领域 1 移动通信领域 o f d m 技术的数据传输速度相当于g s m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n 全球移动通信系统 和c d m a c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码 分多址 技术标准的1 0 倍 从理论上讲 o f d m 技术要优越于当前的全球移动运 营商所采用的标准技术 预计第三代以后的移动通信的主流技术将是o f d m 技 术 但问题是其成本和兼容性等问题与当前技术相比是否具有竞争力 近年来 o f d m 开始与c d m a 技术相结合 产生了m c c d m a 该技术除了继承了 d s c d m a 的优点外 还具有灵活 高系统容量 强抗干扰 无需复杂的均衡等 优点 2 数字传输领域 o f d m 在数字广播领域也有杰出的表现 d a b d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g 数字语音广播 d m b d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g 数字多媒体广播 具有音质 好 c d 质量 可实现多媒体接收 可加密 并可利用卫星大幅度提高广播的覆 盖率等优点 是广播事业发展中的一个新的里程碑 采用o f d m 技术后 系统发射功率减小 可高速移动接收 频谱利用率高 有很强的抗干扰和在恶劣环境下接收的能力 有效的实现了数据高速可靠的传 输 3 计算机网络领域 近年来 i n t e m e t 以惊人的速度发展 i n t e r n e t 的用户众多 分布广泛 传统 m o d e m 仅能提供5 6 k b p s 的速度 i s d n 业务最多也只能提供1 2 8 k b p s 的速度 这些都难以满足i n t e m e t 飞速发展的需要 宽带技术开始兴起 o f d m 则以其良 好的性能在该领域得到很好的应用 如已经进入千家万户的a d s l a s y m m e t r i c d i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p 非对称数字用户环路 和正在不断升温的v d s l v e r y h i g hb i tr a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 甚高速数字用户线路 v d s l 不对称工作 时 上行速率为1 6 到2 3 m b p s 下行速率可高达5 2 m b p s 对称工作时 尚下行 速率均可高达2 6 m b p s oa d s l 采用不对称工作方式 下行速率8 m b p s 远高于 第一章绪论 i s d n 速率 而且上行速率也有i mb p s 传输距离则达到3 0 0 0 m 5 0 0 0 m 在无线局域网领域 i e e e 于1 9 9 9 年通过了 个5 g h z 的无线局域网标准 8 0 2 1 l a 其中o f d m 调制技术被作为它的物理层标准 8 0 2 1 l a 工作于 5 1 5 5 2 5 g h z 5 2 5 5 3 5 g h z 或5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 频段 能提供的速率有6 1 2 1 8 2 4 3 6 4 8 和5 4 m b p s 其中必须支持6 1 2 和2 4m b p s 8 0 2 1 l a 使用5 2 个子载波 调制方式有b p s k q p s k 1 6 q a m 及6 4 q a m 采用了编码率为1 2 2 3 和3 4 的前向纠错编码 e t s i 的宽带无线接入网 b 黜蝌 项目h y p e r l a n 2 也 把o f d m 定为它的调制标准技术 在未来的宽带接入系统中 o f d m 将是一项 基本技术 目前 o f d m 在电力线网络领域中也得到了应用 1 2 3o f d m 技术的优缺点 o f d m 技术主要有如下几个优点 1 抗衰落能力强 o f d m 使用户信息通过多个子载波传输 在每个子载波上的信号时间就相应 地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍 因而对脉冲噪声 i m p u l s en o i s e 和信道快衰落的抵抗力更强 同时 通过子载波的联合编码 达到了子信道间的 频率分集作用 也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力 因此 如果衰落不 是特别严重 就没有必要再添加时域均衡器 2 频率利用率高 o f d m 采用允许重叠的正交子载波作为子信道 而不是传统的利用保护频带 分离子信道的方式 因而提高了频率利用率 3 适合高速数据传输 首先 o f d m 的自适应调制机制使不同的子载波可以根据信道情况和噪音背 景的不同使用不同的调制方式 信道条件好时 采用效率高的调制方式 信道条 件差时 采用抗干扰能力强的调制方式 另外 o f d m 采用的加载算法使系统 可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送 因此 o f d m 技 术非常适合高速数据传输 4 抗码间干扰能力强 码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰 它与加性的噪声 干扰不同 是一种乘性的干扰 造成码间干扰的原因有很多 实际上 只要传输 信道的频带是有限的 就会造成一定的码间干扰 o f d m 由于采用了循环前缀 对抗码间干扰的能力很强 o f d m 技术的不足之处包括 第 章绪论 1 对频偏和相位噪声比较敏感 o f d m 技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性 频 偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化 仅仅1 的频偏就会造成信 噪比下降3 0 d b 因此 o f d m 系统对频偏和相位噪声比较敏感 2 峰均值比大导致射频放大器功率效率低 与单载波系统相比 由于o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信 号相加而成的 这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率 也就会带来较 大的峰值功率与均值功率之比 简称峰均值比 p a p r 对于包含n 个子信道的 o f d m 来说 当n 个子信道都以相同的相位求和时 所得到的峰值功率就是均 值功率的n 倍 因而基带信号的峰均值比为 p a p r 10 l g n 例如 在n 2 5 6 的情况下 o f d m 系统的p a p r 2 4 d b 当然 这是一种非 常极端的情况 通常o f d m 系统内的峰均值不会达到这样高的程度 高峰均值 比会增大对射频放大器的要求 导致射频信号放大器的功率效率降低 4 1 3 本文研究内容 本文对o f d m 通信系统进行了较为全面的仿真分析 主要包括 1 对采用s i m u l i n k 搭建的仿真系统及主要模块进行了说明 2 对分别采用q p s k 1 6 q a m 6 4 q a m 的o f d m 系统的性能进行了比较 和分析 3 对采用r s 编码和未采用编码的o f d m 系统的性能进行了比较 4 对采用c o s t 2 0 7 多径信道模型及不同多普勒频移的o f d m 系统进行了 仿真 深入全面研究了瑞利衰落信道对o f d m 通信系统性能的影响 5 对采用块状导频的o f d m 通信系统进行了仿真分析 对采用不同导频比 及不同多普勒频移的系统性能进行了比较和分析 得出了仿真模型下适 用的多普勒频移的变化范围及相应的导频比的选择 6 对采用梳状导频的o f d m 通信系统进行了仿真分析 对采用不同导频比 及不同多普勒频移的系统性能进行了比较和分析 根据仿真结果总结了 梳状导频的适用情况 对o f d m 系统的导频选择进行了分析和总结 1 4 本章小结 正交频分复用 o f d m 是 种多载波数字通信调制技术 它的基本思想是 第一章绪论 将高速传输的数据流通过串并转换 变成在若干个正交的窄带子信道上并行传输 的低速数据流 o f d m 技术将传送的数据信息分散到每个子载波上 使得符号 周期加长并大于多径时延 从而有效地对抗多径衰落 o f d m 技术利用信号的 时频正交性 允许子信道频谱有部分重叠 使得频谱利用率提高近一倍 正交频分复用技术其概念最早出现于2 0 世纪5 0 年代中期 6 0 年代形成了并 行数据传输和频分复用的思想 离散傅立叶变换 d f t 的引入使实际应用中可以 依靠更为方便的快速傅立叶变换 职f 1 垤f t 来完成o f d m 系统的调制和解调功 能 8 0 年代 人们对多载波调制在高速m o d e m 数字移动通信等领域中的应 用进行了较为深入的研究 9 0 年代 数字信号处理技术和超大规模集成电路的 飞速发展为o f d m 技术的实现扫除了障碍 d s p 与f f t 技术的结合 使得o f d m 开始迅速发展并被广泛应用 随着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 f d m 技术在移动通信领域的应用 人们对通信数据化 宽带化 个人化和移动化的需求日益增长 o f d m 技术在综合无线接入领域将得到广泛 的应用 此外 还由于其具有高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力 而被看 作是第四代移动通信的核心技术之一 o f d m 技术应用领域有移动通信领域 数字传输领域 计算机网络领域和电 力线网络领域 o f d m 技术主要有如下几个优点 抗衰落能力强 频率利用率高 适合高速 数据传输和抗码间干扰能力强 o f d m 技术的不足之处包括 对频偏和相位噪声比较敏感 峰均值比大导致 射频放大器功率效率低 加载算法和自适应调制会增加系统复杂度 在本章的最后 对本文研究内容进行了说明 第二章o f d m 原理与性能 第二章o f d m 原理与性能 o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构成 设共有n 个载波 各载波可用 同一种数字调制方法 或不同的载波使用不同的调制方法 将高速串行数据分成 多路并行的低速数据加以调制 所以o f d m 实际上是一种并行调制方案 将符 号周期延长n 倍 从而提高了抗多径衰落的抵抗能力 在传统的频分复用中 备载波的信号频谱互不重叠 频带利用率较低 在o f d m 系统中 各于载波在 整个符号周期上是正交的 即加于符号周期上的任何两个载被的乘积等于零 因 此各于载波信号频谱可以互相重叠 大大提高了频带利用率 由于o f d m 系统 中的载波数量多达几百上千 所以在实际应用中不可能使用几百个振荡器和锁相 环进杼调制 因此 w e i n s t 6 a 提出了用离散傅里叶变换 f t 实现o f d m 的方 法 随着数字信号处理技术 d s p 的飞速发展 采用快速傅里叶变换 利用 现有的高速数字信号处理芯片实现o f d m 的调制与解调 非常方便 又可大大 降低系统成本 2 1 0 f d m 的基本原理模型 o f d m 的基本原理就是把串行的数据流分解成若干个数据速率低得多的并 行子数据流 每个子数据流再去调制相应各个正交的子载波 最后把各个子载波 上的信号叠加合成一起输出 o f d m 系统的基本原理如圉2 l 所示 t 一io 一一面二i 竺 一4 一一面二 一 一 t i j 一 一 i j i 图2 1o f d m 系统基本原理模型 第二章o f d m 原理与性能 从上图可以看出 o f d m 的发送端的基本原理就是把输入数据经过串并变换 成n 路子信道数据 然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出 而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据 经过并串变换便输出 原始数据 从上面对o f d m 基本原理的论述可以看出 其实现的根本思想是通过串并 变换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流 实现的关键点是保证各个子载 波之间的正交性 5 6 1 串并变换是很容易实现的 而正交性是如何实现的呢 下 面先看看o f d m 信号的表达式 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号 其中每个子 载波信号都可以进行相移键控 p s k 或者正交幅度i 周锘f j q a m 如果n 表示子信 道的个数 t 表示一个o f d m 符号的时间宽度 d i i o l i n 1 为每个子信道的 数据符号 是第0 个子载波的载波频率 则t t 开始的一个已经调制的o f d m 符号可表示为 s f r e n i d p j 2 t t f c 扣 毛 f f r 2 1 然而在多数的文献中 通常采用复等效基带信号来表示o f d m 的输出信号 如式 2 2 所示 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量 在 实际中可以分别与相应的子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘 再叠加成o f d m 信 号 气 t t t 2 2 从式 2 1 署1 1 式 2 2 都可以看出 o f d m 信号相邻子载波间的间隔为o f d m 的码元速率即l 厂r 这样就有 生te 渺一e 砷一d 旧一1l 2 呼富2 a 等1 d t 丁七r d 吾 罕 班t z a 丁国 f l力 聊 j 10n m 一 一r 2 pd 瑚 l s 第二章o f d m 原理与性能 式 2 3 1 说明了只要使各个子载波之间的间隔为1 t 就保证了各个子载波之间 的正交性 正是这种正交性使频谱互相重叠的各个子载波信号能够被正确的分离 出来 比如要解调第j 个子载波 根据图2 1 及式 2 3 有 d j f 扎s e 叫2 4 争7 叶 出 2 扩 1 争 出 q 砖1 v i 一 2 斗 这种正交性在时域的表现就是每个子载波在一个o f d m 符号周期内包含整 数倍个周期 而且各个相邻子载波之间相差一个周期 如图2 2 所示 图2 2o f d m 信号正交性的时域表现 这种正交性也可咀从颤域得到更直观的体现 因为每个o f d m 符号包台了 多个非零的子载波 因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频谱与各个子 载波的脉冲响应函数6m 的卷积 图2 3 显示了o f d m 信号频谱中各个子信道 频谱的情况 其中每个子信道的频谱为s i a c 函数 它在中心频率处有最大值 在 l 厂r 的整数倍频率上的值为零口 这样 在每个子载波的频谱最大值处所有其他 子载波为零 在解调时 需要计算各个于载波频谱的最大值 只要保证各个子载 波的频率没有偏移 就可以准确的解调出每个子信道上的数据而不受其他子信道 的影响 第二章o f d m 原理与性能 1 i t i i i i 熊 一 fyy y v 一r 盱 m i 仃狲一m 一弭一r 0 汁 h t h f 垤h 挣 b 一 一i i k i 一弘 糕 料 j j 址o 一 图2 3 从各个子信道颤谱看o f d m 信号的频谱 在o f d m 信号频谱中 由于各个子信道频谱相互重叠 o f d m 信号的带宽 是进行一般频分复用信号带宽的一半 即频谱利用率提高了一倍 这是o f d m 蛤我们带来的最太好处之一口1 2 2o f d m 的i f f t y f f t 实现 图2 1 只是从理论上说明了o f d m 系统的基本原理 按图2 1 来实现o f d m 系统是非常的困难和不可取的 因为当子载波数目多 子载波间隔非常小时 难 以实现这么高的频率分辨率 而且解调时每一路子载波都要进行积分 导致系统 结构庞大 非常的浪费资源 因此需要寻找一种易于实现的方案口 在式 2 2 中 令f 5 0 对信号绯 以t n 的速率进行采样 即令 t k t n k 9 1 2 1in 1 可以得到 铲羔喀 4 o t v 一1 2 5 可以看到 可以看作对d l 进行离散傅立叶反变换1 d f t 运算 同样在接收端 为了恢复出原始的数据符号d i 对s k 进行反变换 即进行离散傅立叶变换d f t 得到 第二章o f d m 原理与性能 2 6 根据以上的分析可以看出 o f d m 系统的调制和解调可以分别由i d f t d f t 完成 通过n 点i d f t 运算 把频域数据符号d i 变成时域数据符号符号s k 经 过射频载波调制之后 发送到无线信道中 其中 每一个i d f t 输出的数据符号 s k 都是由所有子载波信号经过叠加而生成 即对连续的多个经过调制的子载波 的叠加信号进行抽样得到的 这样通过d f t 的方法来实现o f d m 有很大的好处 它大大简化了调制解调器的设计 使用i d f t d f t 便可完成了多路子载波的调制 和解调 而且i d f t d f t 早就有了成熟的快速算法i 研叮 f f t 它可以方便的在 d s p 芯片中实现 使用i f f t f f t 的o f d m 系统基本原理如图2 4 所示 1 1 调制 2 3 添加循环前缀 帛 菇 冉 丹 系 变 变 换撬 图2 4o f i m 基本原理的i f f t f f t 实现 簿调 应用o f d m 的一个最主要原因是它可以有效的对抗多径时延扩展 通过把 输入的数据流串并变换到n 个并行的子信道中 使得每个用于去调制子载波的 数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的n 倍 因此时延扩展与符号周期 的比值也同样降低n 倍 为了最大限度地消除符号间干扰 还可以在每个o f d m 符号之间插入保护间隔 g u a r di n t e r v a l 而且该保护间隔长度 1 2 l t g 一般要大于无 线信道的最大时延扩展 这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干 扰 在这段保护间隔内 可以不插入任何信号 即是一段空闲的传输时段 然而 在这种情况中 由于多径传播的影响 则会产生信道间干扰 i c i 即子载波之间 的正交性遭到破坏 不同的子载波之间产生干扰 l3 1 这种效应可见图2 5 由于 每个o f d m 符号中都包括所有的非零子载波信号 而且也同时会出现该o f d m 符号的时延信号 因此图2 5 中给出了第一子载波和第二子载波的延时信号 从 图中可以看到 由于在f f t 运算时间长度内 第一子载波与带有时延的第二子 l 工一 一 z 一 o 讲一 疗2 p 女 s 脚 d 第二章o f d m 匣理与性能 载渡之间的周期个数之差不是整数 所以当接收机试图对第一于载波进行解调 时 第二子载波会对此造成干扰 同样 当接收机对第二子载波进行解调时 也 会存在来自第 子载波的干扰 为了消除由于多径所造成的i c i o f d m 符号需 要在其保护间隔内填入循环前缀信号 见图2 6 这样就可以保证在f f t 周期内 o f d m 符号的时延副本内所包吉的波形的周期个数也是整数f 1 4 这样 时延小 于保护间隔风的时延信号就不会在解调过程中产生i c i 第i 子戴涟封第一于载渡 带来的i c l 干扰 一 第一子载波 带有时赶的第一手戴渡 一一 儡护问曙几t 积分耐f 耻i 圩蛾渡问瑞 圈 5 由于多径时延的影响 插 空保护间隔造成的对于载波之间的干扰 谢j i f j j j j f 像护甸融o f d m 符号长度 国2 6 0 f d m 符号的循环前缀 0 令正确同步时对应的时刻为l m i l m i n l t m 积 t 时刻就是 时域同步需要找到的一个符号的起始同步位置 l 是以n l 为周期取到的最小 值 另 1 1 m i n 正确同步概率可以用概率分布函数表示 p p a 1 p m i n a 1 1 o l i n 1 1 p 越小 正确同步概率越大 2 0 3 1 4 频域同步 第三章o f d m 关键技术 o f d m 传输对载波频率偏差 c f o 非常敏感 由于o f d m 系统采用分块传输 其传输信号为时域受限信号 与其相对应的子载波的频谱在频域内无限扩展 若 时域为矩形窗 则频谱为s i n c 函数 并且各子载波的频谱互相交叉重叠 在没 有频率偏差的情况下 频率间的正交性得以维持 若接收信号与传输信号之间存 在频率偏移 则破坏了子载频间的正交性 从而降低了子载波上有用信号的幅度 而子载波上损失的能量作为干扰信号泄漏到其它子载波 下面就来分析多径衰落 信道下载波偏移对o f d m 系统性能的影响 2 1 1 若接收端与发射端没有完全同步 则本地载波与信号载波间有一频率偏差 f 归一化为 接收端的输入信号经解调后为 其中 一l y 七 d x 厶 d 朋厶吲 以后 0 1 n 1 3 1 0 m o 肌 t l 型黑羔一x p j 训 r 一寺 跏 刀 二 一 e l i 八刀十s 川 n s i n n s 州 d 七 乃 e 叩疵 掀 3 1 1 3 0 1 2 设传输数据的均值为0 且统计独立 则有用信号的能量与i c i 信号的能量比 一一 赫 p 硎 h 门d 三 l 式 3 1 3 是归一化频率 的函数 系统对频偏非常敏感 要保持c i r 大于2 0 d b 系统频偏不得大于5 根据上面的分析 o f d m 传输对载波频偏很敏感 因此对频率同步的研究也 非常多 一类是利用导频信号或训练序列完成o f d m 载波同步 这种方法性能 好 但会造成带宽和功率的损失 另一类是盲估计方法 其中最简单的是直接判 决 它利用解调后信元速率数据检测相位或频率误差 因此估计的范围不超过信 元速率的1 2 第三章o f i m 关键技术 3 1 5 无线信道的时变性以及多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时 接收信号的频率会发生变化 称为多普勒效 应 这是任何波动过程都具有的特性 以可见光为例 假设一个发光物体在远处 以固定的频率发出光波 我们可以接收到的频率应该是与物体发出的频率相同 现在假定该物体开始向我们运动 但光源发出第二个波峰时 它距我们的距离应 该要比发出第一个波峰的时候要近 这样第二个波峰达到我们的时间要小于第一 个波峰到达我们的时间 因此这两个波峰到达我们的时间间隔变小了 与此相应 我们接收到的频率就会增加 相反 当发光物体远离我们而去的时候 我们接收 到的频率就要减小 这就是多普勒效应的原理 在天体物理学中 天文学家利用 多普勒效应可以判断出其它星系的恒星都在远离我们而去 从而得出宇宙是在不 断膨胀的结论 这种称为多普勒效应的频率和速度的关系是我们日常熟悉的 例 如我们在路边听消防车警报的声音 当消防车行驶方向靠近我们时 其警报音调 变高 对应频率增加 而当消防车行驶方向远离我们时 警报音调又会变低 对应 频率降低 信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的 即在不同的时刻发送 相同的信号 在接收端收到的信号是不相同的 时变性在移动通信系统中的具体 体现之一就是多普勒频移 即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有 一定带宽和频率包络的信号 这又可以称为信道的频率弥散性 f r e q u e n c y d i s p e r s i o n 多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多普勒频移 d o p p l e rf r e q u e n c y s h i f t 可以用下式表示 九 c o s 口 堕c o s 口 厶c o s 9 3 1 4 l c 其中 表示载波频率 c 表示光速 血表示最大多普勒频移 v 表示移动台 的运动速度 可以看到 多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比 从时域来看 与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时间 即 c 加 去 3 一1 5 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值 换句话说 相 干时间就是指一段时间间隔 在此间隔内 两个到达信号有很强的幅度相关性 第三章o f d m 关键技术 如果基带信号带宽的导数大于无线信道的相干时间 那么信号的波形就可能会发 生变化 造成信号的畸变 产生快衰落 反之则认为是慢衰落 2 2 3 2 信道估计 调制分为连续调制和差分调制 采用差分调制时 无需进行信道估计 因为 信道信息己包含在相邻符号之差中了 差分调制是通信系统常用的技术 因为它 不需要用信道估计器 从而简化了接收机的复杂度 但它有两点缺点 其一 它 使噪声有3 d b 的增强 其二 它无法利用频带利用率高的多电平调制技术 而 连续调制则允许使用任何的信号星座 在无线环境中 连续调制因具有效率高的 特点而更受关注 当采用连续调制就必需进行信道估计 因此 o f d m 系统的 信道估计算法的性能以及复杂度成为研究的热点 3 2 1 信道估计的常用方法 o f d m 系统中接收器收到的信号可表示为 r 咒 s z 圆h n w 刀 3 1 6 其中s n 为发送数据序列 h n 为信道脉冲响应序列 w n 为高斯白噪声序列 假设为理想同步 删除c p 后的接收信号经f f t 解调输出为 尺 尼 砜矿 z h k p k h k d k w k 3 1 7 p k 和d k 分别是数据信号序列和导频信号序列 可见慢时变信道对信号的 影