ofdm关键技术的研究及其通信系统仿真设计毕业论文(编辑修改稿)

ofdm关键技术的研究及其通信系统仿真设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

采用 OFDM 调制技术 作为它的物理层标准。 今天高速发展的 4G 通信技术也把 OFDM 调制技术定义 为它的核心技术。 西南大学本科毕业论文 2 二、 OFDM 系统的基本原理 多载波传输 的主要目的是先 把 高速 数据流分 为若干个独立的 低速 子 数据流 ， 然后 用这 些 速率 低得 多 的多 状态符号去调制相应的子载波， 这样便形成了 多个低速率符号并行发送。 OFDM 技术 作为 多载波传输方案的 最重要的 实现方式 ， 调制 通过 快速傅里叶逆变换（ IFFT， Inverse Fast Fourier Transform） 来实现，相应地 快速傅里叶变换（ FFT， Fast Fourier Transform） 可以 实现解调 功能 ， 这种多载波传输方式 实现 起来 复杂度最低 ，因此 应用 范围 最广。 正交调制解调 OFDM 主要思想是： 用 N 个子载波把整个信道分割成 N 个子信道，即将频率上等间隔的 N 个子载波信号调制并相加后同时发送，实现 N 个子信道并行传输信息。 这样每个符号的频谱只占用信道带宽的 1/N，且使各子载波在 OFDM 符号周期 T 内保持频谱的正交性。 如图 （ a） 所示为 4 个子载波 包含 在 一个 OFDM 符号内 的实例。 理论上认为 ，所 这些 子载波 的 幅 度 和相位 是相同的 ， 然而 在实际应用中， 由于 数据符号 调制方式 的差别 ，每个子载波 具有不 同的幅值和相位。 从图 （ a）中 不难发现 ，在一个 OFDM 符号周期内 ， 每个子载波 都包含整数倍个周期， 同时 相邻的子载波之间相差 的 周期 数为 1。 子载波间的正交性 可以利用 这一特性解释 ，即满足： 01,10,nmT j w t j w t mne e d tmnT   （ 式 ） 此外， 从频域角度来看，我们也不难解释这种正交性。 由于在 OFDM 符号 周期 T内 ， 多个非零的子载波 均包括在每个 OFDM 符号内 ，则其频谱便可被认为 是 一组  函数 （这些函数位于各个子载波上） 与 周期为 T 的矩形的傅里叶变换 的卷积。 图 （ b）绘出 了符号 sinc 函数频谱 ，它由 在 相 互 覆盖的各个子信道内经过矩形波成形得到。 如图所示 ，在 一 个子载波频率 所对应的 最大值 时 ，所有其他子信道的频谱值恰好为零。 因 此，在系统的接收端需要对 OFDM符号进行解调， 这时 这些点上所对应的每个子载波频率的最大值 需要计算 ，所以 在保证 不会受到其他子信道的干扰 的情况下， 可以从多个互相重西南大学本科毕业论文 3 叠的子信道符号中提取每一个子信道符号。 因此这种频谱 特点可以避免 ICI的出现。 图 （ a） 4个子载波 包括 在 OFDM 符号内 的情况 Fig （ a） The situation of OFDM character containing four subcarriers 图 （ b） OFDM 子载波 频谱 西南大学本科毕业论文 4 Fig （ b） Spectrum of subcarrier in OFDM system 在发送端，串行码元序列经过数字基带调制、串并转换，将整个信道分成 N 个子信道。 N个子信道码元分别调制在 N个子载波频率 0 1 1, ,... , ,... ,nNf f f f 上，设 cf 为最低频率，相邻频率相差 1/N，则 n /cf f n T ， 0,1, 2, , 1nN  ，角频率为 2nnwf ，0,1, 2, , 1nN  。 在发送端，待发送的 OFDM信号 D(t)为： （式 ） 在 接收端 ，将 接收到的信号进行解调 ， 如下 所示 ： 1200 01139。 ( ) ( ) ( )m n mNTTj f t j w t j w tnX m D t e d t X n e e d tTT       （式 ） 1001( ) , [0 , ]nmN T j w t j w tnX n e e d t t TT      由于 OFDM 符号周期 T 内各子载波是正交的，正交关系如式 所示。 所以，当n=m 时，调制载波nw与解调载波mw为同频载波，满足相干解调的条件 ，39。 ( ) ( ) , 0 , 1 , 2 , , 1X m X m m N   ， 恢复了原始信号；当 nm 时，接收到的不同载波之间互不干扰，无法解调出信号。 这样就在接收端完成了信号的提取，实现了信号的传输。 在式 中，设 1 2/0( ) ( ) , [0 , ]N j n t Tny t X n e t T   （式 ） 若 1个 T内 ()yt 以采样频率 1 / ( 1 / = / )sf t t T N  其 中 被采样，则可得 N个采样点。 设 , / /t k t n t T n k N  ，则 1 2/0( ) ( ) , 0 ,1 , 2 , , 1N j n k Nny k X n e k N     （式 ） 西南大学本科毕业论文 5 式 正是序列  ( ), 0 ,1 , 2 , , 1X n n N  的 N 点 IDFT 的结果，这表明 OFDM 基带调制过程 可利用 IDFT 运算可完成。 相应地在接收端， 对 ()yk 进行 DFT 运算， 即可恢复出原始的数据符号 ()Xn， 得 ： 1 2/0( ) ( ) , 0 ,1 , 2 , , 1N j n k NkX n y k e n N      （式 ） 综上所述 ， IDFT 和 DFT 可以分别完成 OFDM 系统的调制和解调功能。 在 实际运用中，为了降低算法的复杂度，我们可以采用 IFFT/FFT（快速傅里叶反变换 /快速傅里叶变换）。 系统组成 图 为 OFDM 通信 系统 的原理 框图。 在 发送端 ，先将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，再 进行 IFFT 将数据由频域 变 换到时域上；在 接收端 ，实际上是 进行 与 发送端相反的操作， 利 用 FFT 进行信号解调 ， 同时将采集出来 的 子载波的幅度和相位被转换回数字信号。 O F D M R e c e i v e r C h a n n e l M o d e l O F D M T r a n s m i t t e r R a n d o mD a t aG e n e r a t o rA W G NG u a r dI n t e r v a lR e m o v a lS e r i a l t o P a r a l l e lC o n v e r t e rF F TP a r a l l e l t o S e r i a lC o n v e r t e rD i d i t a lD e m o d u l a t i o nD e c o d eS e r i a lD a t aO u t p u t. . . . . .S e r i a l t o P a r a l l e lC o n v e r t e rC o d eD i d i t a lM o d u l a t i o nI F F TP a r a l l e l t o S e r i a lC o n v e r t e rG u a r dI n t e r v a lI n s e r t i o n. . .. . . 图 OFDM 通信 系统 的原理 框图 Fig The principle block diagram of OFDM munication system 串并转换 在 OFDM 通信 系统中，每个传输符号速率的大小大约在 40bit 4000bit(典型值 )之西南大学本科毕业论文 6 间，串并转换 的作 用 是将输入串行比特流转换成可以 在 OFDM 系统中 传输的信号。 因为调制模式可以自适应调节，所以每个子载波的调制模式是可以变化的，因而每个子载波可传输的比特数也是可以变 化的，故串并变换需要分配给每个子载波数据段的长度也是不一样的。 接收端执行 与发送端 相反的过程， 即将 从子载波处传来的数据 转换为 串行数据。 信道编码 在 OFDM 通信系统中， 信道编码（通常还伴有交织）是 为了 提高数字通信系统的性能 而 普遍采用的方法。 当 在 信道衰落不 太严重 的情况下 ， 由于 OFDM 系统自身具有利用信道分集特性的能力 ， OFDM 这种调制方式本 身 已经 利用了 一般的信道特性信息 ，因此 均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的。 然而 ， 我们可以 在子载波间进行编码， 因为 OFDM 系统 独特 的结构 ，这样便可 形 成 COFDM，即 前置编码 OFDM方式。 信道 编码 可以采用的 码 型较多 ， 常用的有 分组码、卷积码。 它们各有优缺点： 分组码的编解码实现 起来比较 简单 ，但是 卷积码的效果 却 比分组码好。 子载波调制 子载波的数字调制 在 传输信号进行信道编码后 进行，通常 采用 MPSK 或 QAM方式对编码后的子载波进行，形成 载波幅度和相 位的映射。 根据子信道的干扰情况 ， 各子载波 可以 采用 不 同的 进制数 甚至 调制方式 ， 这使得 OFDM 支持的传输速率 的 变化 范 围比较大。 保护间隔 为了 减小 OFDM 信号码元间由于信道的时间离散型所引起的码间干扰（ Intersymbol Interference），可以引入保护时间间隔（ Guard Time Interval） ,见图。 保护 时间 间隔是循环复制，即 OFDM 符号 最前面 的信息由每个 OFDM 符号最后的 gT 时间内的样点复制而来 ，一般 将这一部分 称为循环前缀（ cyclic prefix）。 西南大学本科毕业论文 7 保 护 间 隔 保 护 间 隔 I F F T复 制T g T F F TT s符 号 N符 号 N 1 符 号 N + 1 图 OFDM 符号 在带有保护间隔下的示意图 Fig The figure of OFDM character with Guard Time Interval OFDM 技术的优点 抗干扰能力强 OFDM 技术的抗干扰能力可以分为两部分：一是可以大大减少 ISI，因为 OFDM 的主要思想是把高速数据流通过串并传换分解为低速的多路子数据流，这样由于信道的最大时延拓展远小于调制符号的持续时间而使系统对信道时延拓展的敏感程度大大降低；二是 可以很好地克服多径效应带来的 ICI，这是通过添加循环前缀来实现的。 频谱利用率高 OFDM 技术所具有的一个巨大的优势在于它 允许 相互正交的子载波频谱 重叠，因此频谱资源 可以得到最大限度地利用。 为了对比 FDM 调制技术与 OFDM 调制技术频谱 利用率，给出了如图 所示 的 FDM 与 OFDM 调制技术频谱对比 图。 图 FDM 与 OFDM 调制技术频谱对比图：（ a） FDM 调制技术（ b） OFDM 调制技术 Fig The parative figure of the spectrum of FDM and OFDM modulation technology: (a)FDM modulation technology (b) OFDM modulation technology 西南大学本科毕业论文 8 系统结构简单 相对于 单载波通信系统而言， OFDM 系统自身所具有的优良的抗多径干扰能力和直观的信道估计方法使其 无需设计复杂 的 均衡器。 此外， IFFT/FFT 随着大规模集成电路和 DSP 技术的发展 实现起来 也非常简单，这样 OFDM 系统调制解调的复杂性也大大降低。 OFDM 技术的缺 点 PAPR（ 峰均功率比 ） 值 较高 在时域上， OFDM 信号 有时会出现较大的峰值，这时因为 OFDM 信号是有多路子载波叠加而成，例如有 N 路子载波，那么当这 N 个信号恰好均处于峰值且相加时，此时 OFDM 信号的峰值最大即为平均功率的 N 倍。 因此，为了能够传输这些 PAPR (PeaktoAverage Power Ratio,峰均功率比 )值较大的 OFDM 信号，发送端的高功率放大器（ HPA）这时就要求具有较高 的 线性度，同时放大器 的发送效率很低。 在接收端，系统对前端发送器以及 A/D 转换器的线性度都要有很高的要求。 所以， OFDM系统的性能 就会受到极大的影响，甚至实际应用也会受到影响。 对载波相位噪声 和频 率偏移 敏感 相位噪声和频率偏移是 OFDM 系统的两个主要缺点，它们都会导致子信道干扰，影响系统性能 ：（ 1） 相互覆盖 的 子信道 频谱 要求 它们之间 必须具有 严格的正交性 ，然而在传输过程中 ，经常会 出现 发射机与接收机本地振荡器之间存在频率偏差 或信号频谱偏移 ， 这些都会。