ofdm的基本原理与关键技术研究毕业设计(编辑修改稿)

ofdm的基本原理与关键技术研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

扰 (ISI)。 如果采用循环前 缀 (CP , Cyclic Prefix)作为保护间隔，就可以完全避免符号间干扰（ ISI）和减少子载波间的干扰。 OFDM 系统的基本模型 串 并变 化信 号映 射I F F T并 串变 化插 入 循环 前 缀D / A上 变 频下 变 频逆 映 射A / D去 除 循环 前 缀串 并变 化F F T并 串变 化信 道时 钟同 步 图 OFDM 系统的基本模型 OFDM 系统基本模型如图 所示。 图中的上半部分为发送端部分，而下半部分为接收端部分。 一般来说，待发送的数据首先通过串并变换成 N 路并行的比特流，各支路上的信息比特数可以根据信道的频谱特性进行优化，然后各支路 上的信息比特流根据各自的调制方式分别进行星座映射，得到复信号，然后经过快速傅立叶变换 (IFFT, Inverse Fast Fourier Transform),再经过并串变换和加入循环前缀，通过 D/A(Digital/Analog)变换和上变频调制后，送入信道进行传输。 在接收端，信号先经过下变频和 A/D (Analog /Digital)变换，然后进行时频同步，去除循环前缀，再进行傅立叶变换和信号解映射，则得到各个支路上的接收比特，再经过并串变换，得到串行的接收数据。 OFDM 系统的 调制和解调原理 每个 OFDM 符号包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到相移键控 (PSK, Phase Shift Keying) 或者正交幅度调制 (QAM, Quadrature Amplitude Modulation)符号的调制。 如果 N 表示子信道的个数 T 表示 OFDM 符号的宽度)1,1,0(  Nid i  是分配给每个子信道的数据符号， sf 是第 0 个子载波的载波频率，2/,1)( tttrect  ,则从 stt 开始的 OFDM 符号可以表示为：   tTtt t0 t)])((2e xp [)2()(ss10 s或Ni sscsiTttttTifjTttr e c tdts  （ ） 第 5 页 共 33 页 其中实部和虚部分别对应于 OFDM 符号的同相分量和正交分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的 cos 分量和 sin 分量相乘， 构成最终的子信道信号和合成的 OFDM 符号。 图 中给出了 OFDM 系统的调制和解调框图，其中 Tiff ci /。 在接收端，将接收到的同相和正交矢量映射回数据信息，完成子载波解调。 对式（ ）中的第 j 个子载波进行解调，然后在时间长度 T 内进行积分， 即： jNiTti siTttNisisjddtttTjijddtttTijdttTjjTdsss    10010))(2e x p (T1 ))(2e x p ())(2(e x p1ˆ （ ） 由式（ ）可以看出，对第 j 个子载波进行解调可以 恢复出期望符号。 而对于其它载波来说，由于在积分间隔内，频率差别（ ij） /T 可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为零。 图 OFDM 系统的调制解调 另外， 各个子载波之间满足正交性，我们既可以从时域里看出，也能从频域里看出。 如图 所示为一个包含四个子载的 OFDM 符号的时域图和频域图。 图 包含四个子载波的时域图和频域图 图 ,左边为时域图，右边为频域图，从时域图可以看出，每个子载波在一个 OFDM 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。 各子载波信号之 第 6 页 共 33 页 间满足正交性。 从频域图看，在每个子载波频谱的最大值处，其他所有子信道的频谱值恰好为零。 因为在对 OFDM 符号的进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，所以可以从各个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会受到其他子信道的影响。 OFDM 符号频谱满足奈奎斯特准则，即多个子载波之间不存在相互干扰。 若要实现上述多载波传输系统，一般需要多个振荡器和相应的带通滤波器组，系统结构非常复杂， 不能体现多 载波传输技术的优势。 但是，经过研究发现，上述多载波传输系统的调制 和解 调都可以利用逆离散傅立叶变换 (IDFT,Inverse Discrete Fourier Transform)和离散傅立叶变换 (DFT, Discrete Fourier Transform)实现 ,若使用其快速算法，则可使系统的结构大大简化，并在很大程度上提高系统的频谱利用率。 实际上，式（ ）中定义的 OFDM复基带信号可以采用离散逆傅里叶变换（ TDFT） L来实现。 令式（ ）中的 )1,1,0(/,0  NkNkTtt s ,可以得到： 1Nk0 )2e x p ()/()( 10  Ni i N kijdNkTsks  () 式（ ）中， s（ k）即为 id 的 IDFT逆运算。 在接收端，为了恢复出原始的数据符号 id ，可以对 s（ k）进行 DFT变换，得到：  10 1N0i )2e x p ()(Nii Nkijksd  () 根据上述分析可以看到， OFDM 系统的调制和解调可以分别由 IDFT/DFT 来代替。 通过 N 点 IDFT 运算， 将频域数据符号 id 变换为时域信号 s（ k），经过载波调制之后，发送到信道中。 在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行 N 点 DFT 运算，即可获得发送的数据符号 id。 保护间隔和循环前缀 应用 OFDM 的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。 通过把输入数据流串并变换到 N个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据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数值比也同样降低 N倍。 为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个 OFDM 符号之间插入保护间隔 (GI),而且该保护间隔长度 L 一般要大于无线信道中的最大时延扩展，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任何信号，即是一段空白的传输时段，如图 所示。 图 插入 保护间隔示意图 第 7 页 共 33 页 然而在这种情况下，由于多径衰落信道传播的影响，则会产生载波间干扰 , 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，如图 所示。 由于在 FFT 运算时间长度内，第一个子载波和第二个子载波之间的周期数不再是整数，这两个子载波不再正交，所以当接收机试图对第一个子载波进行解调时，第二个子载波会对第一个子载波造成干扰。 图 多径情况下空白保护间隔在子载波间造成的干扰 Peled 和 Ruiz 对 OFDM 技术做出了一个重大的贡献，即把循环前缀（ CP）引入 OFDM 以解决 正交性问题 [29]。 为了克服 ICI，他们在保护间隔中加入的是 OFDM 符号的循环扩展，而不是使用空白保护间隔。 理论证明，在 OFDM 符号间加入循环前缀作为保护间隔，能有效地避免 ICI。 由于 OFDM 信号是经过 IFFT得到的，发送的数据在频域被充分随机化， OFDM 信号可以认为是独立同分布的随机变量的线性组合。 当子载波数目非常大时，由中心极限定理知其近似服从高斯分布。 循环前缀的插入使得信号不再是白高斯过程，而具有一定的相关性。 OFDM 系统的时频同步正是基于插入循环前缀带来的相关性进行的。 由前面讲 述可知， OFDM 是一种多载波调制技术，将信道分成若干正交子信道，将高速数据流转换成并行的低速子数据流，并调制到每个子信道上进行传输。 每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道都可以看作是一个平坦衰落信道，从而可以减轻无线信道时间弥散性所带来的 ISI 影响。 通过插入循环前缀的方法，可以非常有效地减轻或完全消除 ISI影响。 这样接收机就可以采用简单甚至不采用时域均衡器，降低了接收机设计的复杂度。 OFDM 各子载波间相互正交，相邻子载波频谱有 1/2 重叠，因此可以大大提高频谱利用率。 正交调制和解调可以 采用快速算法（ FFT）实现 ,因而系统结构大大简化。 但该系统也存在一些技术难题，比如：同步问题、峰均比等等一些问题。 下面分析 OFDM 的及技术特点以关键技术 [30][31] 建立 OFDM系统仿真模型 通过前面介绍 OFDM 的基本原理，给出了系统的仿真模型。 在仿真模型的基础上，用MATLAB语言编写出 OFDM 系统的发送和接收端程序；结果很好的证明了仿真模型的正确性 在 OFDM 的仿真模型中，待传源文件经过转化为二进制数据流，进行串并变换成并行数据流，并行数据调制形成同相（ I）、正交（ Q）两路信号采 用 QAM 调制方式。 调制符号通过 IFFT处理被调制到各个子载波上，从而形成 OFDM符号。 串并变化后加循环前缀，然后将待传输的信号经过数模转换器 (DAC)变为连续波形，就可以送往发射机的射端进行高频载波的调制，形成发射过程。 接收过程基本上是发射过程的逆过程，首先要使接收机与发射机系统的时钟同步，还要 第 8 页 共 33 页 考虑估计接收信号载波频率偏移，为了实现同步处理，系统会在数据帧头中加入训练序列，利用长训练字的特性，进行相关运算，进行小数倍的频偏估计，进行 FFT之后，根据短训练子的相关运算，进行整数倍的频偏估计，然后通过信道估计 补偿这部分的频差。 信号经过同步处理和信道补偿后就可以进行 QAM解调到原始信号。 QAM映射调制表 : iiii  111,110,101,100 通过 MATLAB 仿真得到了 QAM 调制的映射星座图： 1 0 . 5 0 0 . 5 11 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81QuadratureI n P h a s e4 Q A M C o n s t e l l a t i o n 图 4QAM 调制后的星座图 本程序中还得到了（图 ）中我们可以看到接收信号由于信道的影响已经发生了畸变，接收端 OFDM 信号的频谱波形，是与其发端的信号的排布有关的。 再发端的载波安排上， 128个载波有前后各 32 个载波是 null 载波（如果这前后各 32 个载波是带外频段，那么理论上他们应该是零），中间的 64个载波是数据载波。 这明显就是一个两边低，中间高的频谱形式。 所以，收端也应该是这个轮廓。 第 9 页 共 33 页 6 0 4 0 2 0 0 20 40 602 1 . 51 0 . 500 . 511 . 52T r a n s m i t t e d O F D M s i g n a l s p e c t r u m 图 发端的 OFDM 信号频谱图 6 0 4 0 2 0 0 20 40 60 2 0 1 5 1 0505101520R e c e i v e d O F D M s i g n a l s p e c t r u m 图 接收端的 OFDM 信号频谱图 第 10 页 共 33 页 OFDM 技术的优缺点 近年来， OFDM 系统已经越来越得到人们的广泛关注，其原因在于 OFDM 系统有如下的优点： 1. OFDM 系统把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减 小无线信道的时间弥散所带来的 ISI，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法消除 ISI 的不利影响。 2. OFDM 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因与常规的频分复用系统相比， OFDM 系统可以最大限度地利用频谱资源。 3. 各个子信道中的这种正交调制和解调可以用 IDFT 和 DFT 方法来实现。 对于 N 很大的系统中，我们可以通过采用快速傅立叶变换 (FFT)来实现。 随着大规模集成电路技术与 DSP 技术的发展， IFFT 和 FFT 都是非常容易实现的。 4. 无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中的传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量，如 Inter 业务中的网页浏览、 FTP(File TransferProtoco。