基于matlabsimlink的多載波通信系統(tǒng)仿真分析

1、 PINGDINGSHANUNIVERSITY 畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì) 題題 目目: : 基于基于 matlab/simlinkmatlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 院系院系: : 電氣信息工程學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)年級(jí)專業(yè)年級(jí): : 電子信息工程電子信息工程 20102010 級(jí)級(jí) 姓姓 名名: : 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào): : 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師: : 20142014 年年 4 4 月月 1313 日日 原原 創(chuàng)創(chuàng) 性性 聲聲 明明 本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文，是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行 研究所取得的成果。畢業(yè)論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)

2、據(jù)、 觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，不包含任何其他 個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的科研成果。對(duì)本文的研究成果做出重要貢獻(xiàn)的 個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 日 期： 關(guān)于畢業(yè)論文使用授權(quán)的聲明關(guān)于畢業(yè)論文使用授權(quán)的聲明 本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的資料（包括圖紙、試驗(yàn)記錄、 原始數(shù)據(jù)、實(shí)物照片、圖片、錄音帶、設(shè)計(jì)手稿等） ，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬平頂山學(xué)院。 本人完全了解平頂山學(xué)院有關(guān)保存、使用畢業(yè)論文的規(guī)定，同意學(xué)校保存或向 國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的紙質(zhì)版和電子版，允許論文被查閱和借閱；本 人授權(quán)平頂山學(xué)院可以

3、將本畢業(yè)論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，可以采用任何復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文。如果發(fā)表相關(guān)成果，一定 征得指導(dǎo)教師同意，且第一署名單位為平頂山學(xué)院。本人離校后使用畢業(yè)論文 或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，第一署名單位仍然為平頂山學(xué)院。 論文作者簽名： 日 期： 指導(dǎo)老師簽名： 日 期： 基于matlab/simlink的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 摘要摘要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在無(wú)線通信系統(tǒng)中可靠、高速的傳輸數(shù)據(jù)是無(wú)線 通信技術(shù)的重要目標(biāo)和要求。OFDM技術(shù)能夠大幅度的提高無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸 速率和信道容量，并能有效地抑制干擾噪聲和抵抗多徑衰落，有著廣闊的發(fā)展 前景。SIM

4、ULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真，它的 模塊庫(kù)包含了許多不同功能的模塊，使得研究者可以更方便地構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理、 功能清晰的仿真系統(tǒng)。 本文基于OFDM系統(tǒng)的基本原理，構(gòu)建了基于SIMULINK的OFDM多載波無(wú)線 通信系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，完成Simulink了模塊設(shè)置，確定搭建系統(tǒng)的主要參數(shù)， 并對(duì)主要模塊的構(gòu)建方式進(jìn)行了說(shuō)明，并在此平臺(tái)上對(duì)OFDM的子載波信道估計(jì) 算法、同步算法、調(diào)制方式作了比較全面的仿真和性能分析。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞： OFDM 抗多徑衰落 同步 信道估計(jì) SIMULINK Simulation analysis of multi-carrier c

5、ommunication system matlab/simlink based Abstract With the development of science and technology in wireless communication systems, reliable, high-speed transmission of data is an important goal and the requirements of the wireless communications technology. OFDM technology can greatly improve the t

6、ransmission rate and the channel capacity of wireless communication systems, and can effectively suppress noise interference and resistance to multipath fading, there are broad prospects for development. SIMULINK is an extension of MATLAB software, which enables dynamic system modeling and simulatio

7、n, its modules library contains a number of different functional modules, allows researchers to more easily build a reasonable structure, function clear simulation system. Based on the basic principle of OFDM system constructed SIMULINK simulation platform based on OFDM multi-carrier wireless commun

8、ication system, the completion of the module settings Simulink to determine the main parameters of the system set up, and the main way to build described modules, and in this on the platform of the OFDM subcarrier channel estimation algorithm, synchronization algorithms, modulation made more compreh

9、ensive simulation and performance analysis. 目錄目錄 1 緒論緒論.1 11 無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展.1 12 無(wú)線信道的特征.2 121 衰減作用.2 122 時(shí)變性.2 13 多載波技術(shù).3 131 多載波技術(shù)簡(jiǎn)介.3 14 SIMULINK 仿真工具.3 15 論文研究的目的和意義.4 2 OFDM 的基本原理和系統(tǒng)組成的基本原理和系統(tǒng)組成 .5 21 OFDM 的基本原理 .5 2.2 OFDM 的循環(huán)保護(hù)間隔 .6 23 OFDM 的系統(tǒng)組成 .7 3 信道估計(jì)對(duì)提高系統(tǒng)抗干擾能力的作用信道估計(jì)對(duì)提高系統(tǒng)抗干擾能力的作用.8 3.1 相干檢測(cè)與

10、非相干檢測(cè).9 3.1.1 相干檢測(cè).9 3.1.2 非相干檢測(cè).10 3.2 信道估計(jì)算法.10 3.2.2 頻域信道估計(jì)算法.11 4 OFDM 系統(tǒng)中的同步技術(shù)系統(tǒng)中的同步技術(shù) .13 4.1 同步偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)的影響.13 4.1.1 載波頻率偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)的影響.14 4.1.2 符號(hào)定時(shí)偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)的影響.18 4.1.3 采樣定時(shí)偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)的影響.19 4.2 同步算法.20 4.2.1 載波同步算法.20 4.3.2 定時(shí)同步算法.21 4.2.3 樣值同步算法.21 5 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.22 致謝致謝.24 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)

11、設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 1 1 緒論緒論 隨著社會(huì)的發(fā)展，通信傳輸方式日新月異，從最初的有線通信到無(wú)線通信， 再到現(xiàn)在的光纖通信。通信正在朝著高質(zhì)量、個(gè)性化、全球化的方向發(fā)展。移 動(dòng)通信使得人們可以隨時(shí)隨地的聯(lián)系外界、可以連上網(wǎng)絡(luò)、甚至可以進(jìn)行可視 對(duì)話?，F(xiàn)代社會(huì)是離不開(kāi)信息的，人類生活在信息高速公路交織的網(wǎng)絡(luò)中。 近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有了迅猛的發(fā)展，而用戶對(duì)各種多媒體業(yè)務(wù)的需求日 趨明顯，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的無(wú)線通信技術(shù)的傳輸速率將會(huì)大大提高，為用戶提 供更大的便利。為了支持更快的用戶移動(dòng)速度和信息傳輸速率，在下一代的無(wú) 線通信中應(yīng)當(dāng)采用抗多徑干擾

12、能力更強(qiáng)、頻譜效率更高的新型傳輸技術(shù)。目前 能提供高速率傳輸?shù)臒o(wú)線解決方案中，以正交頻分復(fù)用(OFDM)為代表的多載波 調(diào)制技術(shù)是最有前途的解決方案之一。 11 無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展 如今是信息化的時(shí)代，無(wú)線通信日漸滲透到人們的日常生活中，成為世界各國(guó)最主要 的高新技術(shù)支柱產(chǎn)業(yè)之一；與此同時(shí)人們對(duì)無(wú)線通信的需求明顯增加，也推動(dòng)了無(wú)線通信 的飛速發(fā)展。從20世紀(jì)80年代第一代模擬無(wú)線通信系統(tǒng)1G商用開(kāi)始至今，僅僅的大約三十 年間經(jīng)歷了第二代數(shù)字2G無(wú)線通信系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代末自ITU-R推出3G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)之 后，各個(gè)國(guó)家為了在下一代無(wú)線通信系統(tǒng)中占有一席之地，各自啟動(dòng)了新一

13、代無(wú)線通信系 統(tǒng)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化研究。目前，NTTDoCoMo公司的4G研究工作非常令人矚目，他們提出 了基于MATLABSIMULINK的多載波無(wú)線通信系統(tǒng)仿真以及正交頻率碼分復(fù)(OFCDM)技 術(shù)具有因子可變擴(kuò)頻的4G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并在2002年10月推出了上行鏈路速率為 20Mbit/s，下行鏈路速率為100Mbit/s的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在韓國(guó)，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究工作主 要由韓國(guó)電子通信研究所(ETRI)來(lái)承擔(dān)，ETRI已經(jīng)確定了4G系統(tǒng)的研究時(shí)間表和發(fā)展目標(biāo)。 在中國(guó)，2001年啟動(dòng)的“十五”863重大研究計(jì)劃項(xiàng)目中設(shè)立了面向4G的FUTURE計(jì)劃， 該計(jì)劃的研究目標(biāo)是在新技術(shù)產(chǎn)生初期，對(duì)

14、國(guó)際主流核心技術(shù)的發(fā)展以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)的形成 有所貢獻(xiàn)。1999年11月，ITUR完成了3G標(biāo)準(zhǔn)BeyondIMT-2000，與此同時(shí)ITU-R成立了一 個(gè)新的工作機(jī)構(gòu)WP8F。WP8F的工作有兩部分組成：(1)負(fù)責(zé)3G系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，制定增 強(qiáng)型3G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)； (2)制定4G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。2002年lO月，WP8F實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有關(guān)“IMT- 2000系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)BeyondIMT-2000系統(tǒng)的框架、遠(yuǎn)景和總體目標(biāo)。 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 2 12 無(wú)線信道的特征無(wú)線信道的特征 121 衰減作用衰減作用 無(wú)線信道對(duì)信號(hào)的

15、衰減作用是減少接收信號(hào)的功率。它取決于傳輸路徑的 長(zhǎng)度以及直達(dá)信號(hào)路徑中的障礙情況，任何阻擋接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的障礙都 會(huì)使信號(hào)功率衰減。在無(wú)線通信的衰減作用主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面： (1)路徑損耗：當(dāng)接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的距離比較大時(shí)，接收信號(hào)的平均功 率與信號(hào)傳播距離d的n次方成反比。n稱為路徑損耗指數(shù)，n值取決于具體的傳 輸環(huán)境。 (2)陰影衰落：電磁波在空間傳播時(shí)由于高大建筑物的阻擋和地形起伏的影 響，在這些障礙物后面就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影，使場(chǎng)強(qiáng)中值變化，進(jìn)而引起信 號(hào)衰減，這種狀況稱為陰影衰落。陰影衰落是通過(guò)比較大的空間尺度來(lái)衡量的， 其統(tǒng)計(jì)特性一般情況下符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。 (3)小尺

16、度衰落：在無(wú)線通信中，電波經(jīng)過(guò)各條路徑的距離不同，因 而各條路徑中的發(fā)射波到達(dá)接收機(jī)的相位、時(shí)間都不相同。相位不同的多個(gè)信 號(hào)在接收端疊加，如果同相疊加信號(hào)幅度增強(qiáng)，而反相疊加信號(hào)幅度就會(huì)削弱。 當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的間距在比較小的尺度上變化時(shí)，接收信號(hào)的功率發(fā)生很大 的變化，稱之為小尺度衰落。路徑損耗與陰影衰落合并在一起體現(xiàn)了無(wú)線信道 在大尺度上對(duì)傳輸信號(hào)的影響，稱為大尺度衰落。 122 時(shí)變性時(shí)變性 無(wú)線信道的時(shí)變性取決于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者信道中其他 物體的運(yùn)動(dòng)。體現(xiàn)無(wú)線信道的時(shí)變性取決于兩個(gè)重要參數(shù)相干時(shí)間和多普勒擴(kuò) 展。 多普勒擴(kuò)展頻移:當(dāng)無(wú)線電發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收

17、信號(hào)的頻率將 會(huì)發(fā)生偏移。當(dāng)兩者作相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將高于發(fā)射頻率；當(dāng)兩者 作反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將低于發(fā)射頻率，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。 多普勒擴(kuò)展:多普勒擴(kuò)展描述了無(wú)線信道的時(shí)變性所引起的接收信號(hào)的頻譜 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 3 展寬程度。當(dāng)發(fā)射機(jī)在無(wú)線信道上發(fā)送一個(gè)頻率為fo的單頻正弦波時(shí)，按照前 述的多普勒效應(yīng)，接收信號(hào)的頻譜被展寬，將包含頻率為fo-fd到fo+fd的頻譜 分量，其中fd為多普勒頻移，該頻譜稱為多普勒頻譜。接收信號(hào)的多普勒頻譜 上不等于0的頻率范圍定義為多普勒擴(kuò)展。 13 多載波

18、技術(shù)多載波技術(shù) 131 多載波技術(shù)簡(jiǎn)介多載波技術(shù)簡(jiǎn)介 近年來(lái)人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注以正交頻分復(fù)用為代表的多載波傳輸?shù)膶拵?輸新技術(shù)。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解為若干獨(dú)立的子比特流，這樣每個(gè)子數(shù)據(jù) 流將具有比較低的比特速率。OFDM是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，OFDM利 用逆快速傅立葉變換(IFFT)和快速傅立葉變換(FFT)來(lái)分別實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。與 傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)和CDMA系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要在于： 1可以有效地對(duì)抗多徑傳播所造成的符號(hào)間干擾。 2在相對(duì)變化較慢的信道上，多載波系統(tǒng)可以根據(jù)各個(gè)子載波的信噪比來(lái)分配 各個(gè)子載波上傳送的信息比特，從而大大提高系統(tǒng)傳輸信息的容量； 3多載

19、波系統(tǒng)可以有效對(duì)抗窄帶干擾。 4在廣播中，利用多載波系統(tǒng)可以達(dá)到非常具有吸引力的單頻網(wǎng)絡(luò)。 與傳統(tǒng)的單載波傳輸系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)的缺點(diǎn)主要在于： 1多載波系統(tǒng)對(duì)于定時(shí)誤差的敏感程度和載波頻率偏移比單載波系統(tǒng)要高； 2多載波系統(tǒng)中的信號(hào)存在比較高的峰值平均功率比致使得它對(duì)放大器的線性 要求很高。 14 SIMULINK 仿真工具仿真工具 SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件 包，SIMULINK與MATLAB語(yǔ)言的區(qū)別主要在于，它與用戶交互接口是基于WINDOWS 的模型化圖形輸入，這樣可以使得用戶有更多的精力構(gòu)建系統(tǒng)模型，不是語(yǔ)言 上的編程。模型化

20、圖形輸入是SIMULINK提供一些按功能分類的基本系統(tǒng)模塊， 用戶僅僅知道這些模塊的輸入輸出以及模塊的功能就可以了，而不必要了解模 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 4 塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，只需要調(diào)用這些基本模塊，最后把它們連接起來(lái)就可以 構(gòu)成所需要的的各種系統(tǒng)模型，從而進(jìn)行仿真與分析。 15 論文研究的目的和意義論文研究的目的和意義 通過(guò)前面對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)展的回顧和展望，提出以O(shè)FDM為代表的多載 波技術(shù)成為第4代無(wú)線通信中的核心技術(shù)。在日漸信息化的今天，隨著移動(dòng)用戶 數(shù)目的增加，不同通信網(wǎng)絡(luò)之間存在激烈的競(jìng)爭(zhēng)，頻譜資源變得緊

21、張、無(wú)線信 道逐漸變得復(fù)雜化、設(shè)備的研發(fā)周期滿足不了快速的需求等問(wèn)題。而OFDM技術(shù) 具有非常高的頻譜利用率，同時(shí)也具有很好的抗多徑衰落的性能，調(diào)制和解調(diào) 可以使用IFFT和FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)。OFDM技術(shù)雖然得到較為廣泛認(rèn)可，但是關(guān)于OFDM技 術(shù)的研究還有諸多沒(méi)有得到很好的解決的問(wèn)題。所以建立OFDM通信系統(tǒng)的仿真 平臺(tái)，并在此平臺(tái)上對(duì)OFDM系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行研究和分析是很有必要的。 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 5 2 OFDM 的基本原理和系統(tǒng)組成的基本原理和系統(tǒng)組成 21 OFDM 的基本原理的基本原理 每個(gè)OFDM符號(hào)

22、是由一組承載了PSK或QAM調(diào)制信號(hào)的子載波疊加構(gòu)成，從 開(kāi)始的OFDM符號(hào)s(t)表示為: s tt 式中，N表示子載波的數(shù)目； / 2 1 / 2 2 5 ( )R eexp2 ()() N Ncs t tN i s tdjftt T T表示OFDM符號(hào)的寬度；表示第i路的基帶復(fù)信號(hào)；是載波中心頻率； i d c f 表示開(kāi)始時(shí)刻。 s t 在理論分析中，采用基帶表示更為方便。OFDM信號(hào)的基帶形式為 ,式中虛部和實(shí)部別對(duì)應(yīng)于OFDM符 / 2 1 / 2 2 ( )TR eexp2() N Ns t tN i s tdjtt T 號(hào)正交分量和同向，利用子載波的正交特性采用一路子載波信號(hào)進(jìn)

23、行解調(diào)，進(jìn) 而提取出這一路的數(shù)據(jù)。圖21給出了OFDM系統(tǒng)調(diào)制和解調(diào)的框圖。 圖2-1 OFDM系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)框圖 (a)一個(gè)OFDM子載波頻譜 (b)OFDM符號(hào)頻譜 圖2-2 OFDM頻譜圖 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 6 圖2-2(a)是單個(gè)OFDM子載波的頻譜，圖22(b)是一個(gè)包括5個(gè)子載波的OFDM符 號(hào)的頻譜，其中每個(gè)子載波都有相同的相位和幅值。但是在應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù) 符號(hào)的調(diào)制方式，每個(gè)子載波相位和幅值都可能是不一樣的。從圖2-2(b)中可 以看出，在每一個(gè)子載波頻率的最大值處，其它子信道的頻譜值恰好為零，這

24、 說(shuō)明OFDM各子載波信號(hào)之間的正交性避免了子信道間干擾的出現(xiàn)。由以上可得， OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以分別由離散傅里葉反變換和離散傅里葉變換代替。 2.2 OFDM 的循環(huán)保護(hù)間隔的循環(huán)保護(hù)間隔 OFDM技術(shù)可以有效地對(duì)抗多徑時(shí)延擴(kuò)展，通過(guò)把輸入的數(shù)據(jù)流并行分配到n 個(gè)并行的子信道上，使得每個(gè)OFDM的符號(hào)周期擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號(hào)周期的n倍， 因此時(shí)延擴(kuò)展與符號(hào)周期的比值也降低倍,OFDM系統(tǒng)中，為了最大地消除符號(hào)間 干擾，在每個(gè)OFDM符號(hào)間要插入保護(hù)間隔，其長(zhǎng)度通常要大于無(wú)線信道的最大 時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾。在保護(hù)間 隔內(nèi)，可以不插入信號(hào)。在這種情況

25、中，會(huì)受多徑傳播的影響而產(chǎn)生子信道闊 的干擾，就是子載波之間的正交性被破壞，不同的子載波之間產(chǎn)生干擾，這種 效應(yīng)如圖2-3所示。 第二子載波 對(duì)第一子載 波的干擾 保護(hù) 間隔 FFT 積分時(shí)間 圖2-3空閑保護(hù)間隔在多徑情況下的影響 由于各個(gè)OFDM符號(hào)都包括所有的非零子載波信號(hào)，而且也同時(shí)會(huì)出現(xiàn)該 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 7 OFDM符號(hào)的時(shí)延信號(hào)。在FFT運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)第1子載波與第2子載波之間的周 期個(gè)數(shù)之差不是整數(shù)，因此當(dāng)接收機(jī)對(duì)第l子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，第2子載波會(huì)對(duì) 解調(diào)造成干擾。同理，當(dāng)接收機(jī)對(duì)第2子載波進(jìn)行解

26、調(diào)時(shí)，第一子載波會(huì)對(duì)解調(diào) 造成干擾。 23 OFDM 的系統(tǒng)組成的系統(tǒng)組成 OFDM系統(tǒng)的組成框圖如下圖26所示。 串行并 行變換 變換 IDFT 或 IFFT 并行 串行 變換 插入 保護(hù) 間 隔 數(shù) 模 變 換 Sn 多徑傳播 h( ，t) Xn OFDM （t ）模數(shù) 變換 去除保 護(hù)間隔 串行并 行變換 DFT 或 FFT 并行串 行變換 Rn 圖2-6 OFDM系統(tǒng)的組成框圖 在輸入比特序列完成串并變換后，根據(jù)采用的調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)相對(duì)的調(diào)制 映射，形成調(diào)制信息序列X(N)，然后對(duì)其進(jìn)行IDFT，計(jì)算出OFDM已調(diào)信號(hào)時(shí)域 抽樣序列，再加上循環(huán)前綴，作D/A轉(zhuǎn)換，得到OFDM已調(diào)信號(hào)時(shí)

27、域波形。接收端 對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行A/D變換，去掉循環(huán)前綴，得到OFDM的抽樣序列，再對(duì)該抽樣序 列作DFT即可得到原調(diào)制信息序列X(N)。 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 8 3 信道估計(jì)對(duì)提高系統(tǒng)抗干擾能力的作用信道估計(jì)對(duì)提高系統(tǒng)抗干擾能力的作用 因?yàn)榇蠖鄶?shù)信道不能直接傳送基帶信號(hào)，所以為了適應(yīng)信道，一般情況下 實(shí)際通信系統(tǒng)采用了調(diào)制技術(shù)。在發(fā)送端，利用基帶信號(hào)控制載波的一些參量， 使這些載波參量隨著基帶信號(hào)變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的調(diào)制。同理， 在接收端，從已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)出基帶信號(hào)需要進(jìn)行解調(diào)。然而調(diào)制方式不同， 相對(duì)應(yīng)的

28、解調(diào)方式也會(huì)不同。一般情況下解調(diào)方式大致可分為相干方式(如包絡(luò) 檢波法)、非相干方式(同步檢測(cè)法)以及采用差分編碼時(shí)常用的差分相干方式 (差分檢波法)，如圖31所示 帶通濾波器 ASK FSK 整流 器 低通濾波器抽樣判決器 定時(shí)脈沖 （a） 非相干方式 帶通濾波器 ASK FSK PSK 低通濾波器抽樣判決器 定時(shí)脈沖 判決器 （b） 相干方式 帶通濾波器 ASK DPSK 低通濾波器抽樣判決器 定時(shí)脈沖 延遲 （c）差分相干方式 圖3-1 幾種解調(diào)方式框圖 由圖31中的相干方式可以看出，解調(diào)時(shí)必須得使用與發(fā)送端同頻同相的 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的

29、多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 9 載波信息，否則就不能達(dá)到正確解調(diào)目的，因此進(jìn)行信道估計(jì)是非常有必要的。 差分相干方式和非相干方式雖然可以不用進(jìn)行信道估計(jì)和信道均衡，但是差分 相干方式僅僅適合于低數(shù)據(jù)速率的系統(tǒng)。因此為了使系統(tǒng)有更好的性能，對(duì)于 高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)應(yīng)該采用相干解調(diào)方式。此外，對(duì)于差分相干方式和非相干方 式，雖然說(shuō)解調(diào)時(shí)可能不需要進(jìn)行信道估計(jì)，但是系統(tǒng)中如果采用了糾錯(cuò)編碼， 那么信道的相關(guān)信息將有助于譯碼，可以提高系統(tǒng)性能。所以信道估計(jì)直接影 響系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，其重要性顯而易見(jiàn)。 在無(wú)線通信系統(tǒng)中，信道在頻率軸和時(shí)間軸上都呈現(xiàn)出選擇性衰落特性， 但是系統(tǒng)又必須得支持隨機(jī)時(shí)間的業(yè)務(wù)接入

30、功能，因此信道估計(jì)問(wèn)題變得比較 困難。信道估計(jì)就是估計(jì)從發(fā)送天線到接收天線之間的無(wú)線信道的頻率響應(yīng)。 3.1 相干檢測(cè)與非相干檢測(cè)相干檢測(cè)與非相干檢測(cè) 3.1.1 相干檢測(cè)相干檢測(cè) 圖3-2給出了利用相干檢測(cè)的接收機(jī)框圖。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，變頻 以及FFT變換，可以得到N個(gè)基帶調(diào)制符號(hào)。但是，這些符號(hào)可能會(huì)遭受到幅度 波動(dòng)以及隨機(jī)相移等的影響。因此在接收機(jī)內(nèi)必須得進(jìn)行信道估計(jì)，從而取得 各個(gè)子載波上的參考幅值和相位以便正確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)的比特。 RF RXADCFFT 相干 檢測(cè) 解交織 譯碼 輸 出 信道 估計(jì) 圖3-2 采用信道估計(jì)的OFDM相干接收機(jī) 本文所用子載波調(diào)制方式主要有M

31、QAM、BPSK、QPSK這幾種，因此接收機(jī)采 用相干檢測(cè)為宜，進(jìn)而也必須采用信道估計(jì)。 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 10 3.1.2 非相干檢測(cè)非相干檢測(cè) 在接收端可以采用相干檢測(cè)，也可以采用非相干檢測(cè)(差分檢測(cè))的方法， 后者可以不用進(jìn)行信道估計(jì)，通過(guò)比較兩個(gè)符號(hào)的相位就能夠恢復(fù)出基帶信號(hào)， 由此可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)的成本。相位比較在時(shí)域進(jìn)行時(shí)，通過(guò)比較 時(shí)間上連續(xù)的兩個(gè)OFDM符號(hào)在同一子載波上傳輸?shù)姆?hào)之間的相位；相位比較 在頻域進(jìn)行時(shí)，比較同一OFDM符號(hào)在相鄰子載波上傳輸?shù)姆?hào)之間的相位。與 相干檢測(cè)相比，

32、非相干檢測(cè)由于沒(méi)有用戶信道信息，所以存在約3dB信噪比差異。 總的來(lái)說(shuō)，非相干檢測(cè)與相干檢測(cè)之間存在約2dB的差異。圖33中給出差分檢 測(cè)OFDM接收機(jī)的框圖，其中不是采用絕對(duì)相位的參考值，而是通過(guò)在頻域或時(shí) 域內(nèi)比較兩個(gè)連續(xù)符號(hào)之間的相位而達(dá)到差分檢測(cè)。 RF RXADCFFT差分檢測(cè)解交織 譯碼 輸出 圖33差分檢測(cè)OFDM接收機(jī)框圖 3.2 信道估計(jì)算法信道估計(jì)算法 在OFDM通信系統(tǒng)中有很多信道估計(jì)的算法。從其是在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)的還是在頻 域?qū)崿F(xiàn)的的角度來(lái)看，主要分為頻域信道估計(jì)和時(shí)域信道估計(jì)算法兩大類；從 其是否使用輔助數(shù)據(jù)來(lái)看，又主要分為訓(xùn)練符號(hào)的輔助信息信道估計(jì)算法或基 于導(dǎo)頻和盲信道

33、估計(jì)算法兩大類?；谳o助信息的信道估計(jì)方法是在發(fā)送端信 號(hào)的一些相對(duì)固定的位置插入一些已知的訓(xùn)練序列或?qū)ьl符號(hào)，在接收端利用 這些導(dǎo)頻符號(hào)或訓(xùn)練序列按照某些算法進(jìn)行信道估計(jì)。導(dǎo)頻符號(hào)在單載波系統(tǒng) 中只能在時(shí)間軸方向插入；而多載波系統(tǒng)具有時(shí)頻二維結(jié)構(gòu)，所以采用導(dǎo)頻符 號(hào)的輔助信道估計(jì)將變得更加靈活。如果同時(shí)在時(shí)間軸和頻率軸兩個(gè)方向插入 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 11 導(dǎo)頻符號(hào)，而導(dǎo)頻符號(hào)能夠在時(shí)間和頻率方向上的間隔足夠小，那么接收端就 可以得到所插入導(dǎo)頻符號(hào)位置的信道傳輸函數(shù)，然后再采取二維內(nèi)插濾波的方 法來(lái)估計(jì)所有位置的信

34、道傳輸函數(shù)。雖然基于輔助信息進(jìn)行信道估計(jì)性能較好， 但是會(huì)致使功率和帶寬的損失，傳輸?shù)挠行源蟠蟮慕档?。盲信道估?jì)算法在 發(fā)送數(shù)據(jù)完全不知的情況下也可以實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)，因此可以使發(fā)射機(jī)在不發(fā)送 特殊訓(xùn)練符號(hào)的情況下也能提高系統(tǒng)的頻譜利用率，但是這種方法只能在接收 到足夠多數(shù)據(jù)的情況下才可能得到對(duì)一個(gè)信道的可靠估計(jì)。在無(wú)線通信系統(tǒng)中， 信道是時(shí)變的，對(duì)于大量的數(shù)據(jù)的需求就限制了盲信道估計(jì)算法的運(yùn)用。所以 在無(wú)線OFDM通信系統(tǒng)中，信道估計(jì)一般情況要通過(guò)足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì) 于衰落信道，信道估計(jì)器必須能夠跟得上時(shí)變信道的變化，這就需要訓(xùn)練符號(hào) 以某種連續(xù)的方式插入到發(fā)送序列中。 3.2.2 頻域

35、信道估計(jì)算法頻域信道估計(jì)算法 頻域信道估計(jì)算法基本都是基于導(dǎo)頻的估計(jì)算法。其應(yīng)用環(huán)境和傳輸業(yè)務(wù)會(huì)隨 著導(dǎo)頻插入方式的不同而有所差異。就目前來(lái)看，導(dǎo)頻插入方式主要有兩類： 一是基于抽樣定律，在時(shí)頻二維空間上插入梳狀導(dǎo)頻，即按照某種規(guī)律將導(dǎo)頻 分布在整個(gè)時(shí)頻空間上；一是訓(xùn)練符號(hào)的方式，即在某些符號(hào)的各個(gè)子載波上 都插入導(dǎo)頻，而在隨后的一些符號(hào)中插入非常少的導(dǎo)頻或者不插入任何導(dǎo)頻。 如果采取訓(xùn)練符號(hào)的導(dǎo)頻插入方式，那么往往只會(huì)在開(kāi)始發(fā)送一些訓(xùn)練符號(hào)， 這就得要求信道在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)變化很小，最好不變，即所謂準(zhǔn)靜止信道、 慢衰落信道。由上可得，這種方法比較適用于 WLAN 信道、恒參信道等。由于在

36、訓(xùn)練符號(hào)內(nèi)各個(gè)子載波都用來(lái)發(fā)送導(dǎo)頻符號(hào)，因此可選取低階的信道估計(jì)算法。 如果信道中出現(xiàn)信道變化比較快或者存在比較大的多普勒頻移的情況，則就不 能選取插入訓(xùn)練符號(hào)的導(dǎo)頻插入方式，而應(yīng)當(dāng)在整個(gè)信號(hào)的時(shí)頻空間內(nèi)插入梳 狀導(dǎo)頻信號(hào)。在此種情況下，應(yīng)當(dāng)考慮所插入導(dǎo)頻個(gè)數(shù)的問(wèn)題。就可靠性角度 來(lái)看，當(dāng)插入的導(dǎo)頻符號(hào)比較多時(shí)，那么估計(jì)就比較準(zhǔn)確，比較極端的情況就 是只發(fā)送導(dǎo)頻符號(hào)；如果就傳輸有效性角度來(lái)看，插入的導(dǎo)頻越多，有效數(shù)據(jù) 的傳輸速率就變的較低，并且在能量發(fā)送一定的條件下降低了有效信噪比，因 此插入導(dǎo)頻信號(hào)應(yīng)當(dāng)盡量少。在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)考慮在估計(jì)準(zhǔn)確度和傳輸有效 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 m

37、atlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 12 性之間取得最優(yōu)化，根據(jù)具體情況選擇比較合適的導(dǎo)頻插入方式。從傳輸業(yè)務(wù) 的角度來(lái)看，一般比較常用的頻域信道估計(jì)算法主要分為兩類：一是對(duì)于網(wǎng)絡(luò) 中的突發(fā)業(yè)務(wù)而言，比如 WLAN,其使用基于訓(xùn)練符號(hào)的估計(jì)方法；二是對(duì)于系 統(tǒng)中的廣播業(yè)務(wù)而言，如 DVB、DAB，其常利用信道頻率響應(yīng)的相應(yīng)特征和一 部分子載波上插入導(dǎo)頻符號(hào)相結(jié)合的方法。 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 13 4 OFDM 系統(tǒng)中的同步技術(shù)系統(tǒng)中的同步技術(shù) 實(shí)際上任何一個(gè)通信系統(tǒng)都需要考慮并解決關(guān)于同步技術(shù)

38、的題，其性能直 接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能?？傊褪侵挥袦?zhǔn)確的同步算法才可能進(jìn)行可靠的 數(shù)據(jù)傳輸，同步技術(shù)可以說(shuō)是信息可靠傳輸?shù)那疤?。?dāng)采取相干檢測(cè)或者同步 解調(diào)時(shí)，接收端得需要提供一個(gè)與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波，這樣 獲得相干載波的過(guò)程就叫做載波同步。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收瑞的最合適采 樣時(shí)刻應(yīng)在各個(gè)碼元間隔內(nèi)接收濾波器輸出最大的時(shí)刻。在數(shù)字通信中，不僅 存在載波同步的問(wèn)題，還會(huì)有符號(hào)同步的問(wèn)題。符號(hào)同步主要是使接收端獲取 與發(fā)送端周期相同的符號(hào)序列，并得到各個(gè)符號(hào)的起止時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)幀同步 或塊同步。在 OFDM 系統(tǒng)中，存在著載波同步和符號(hào)同步的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。由于每個(gè) OFDM 符號(hào)都

39、經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換的 N 個(gè)樣值符號(hào)組成的，所以在 OFDM 系統(tǒng)中，數(shù)字通 信系統(tǒng)中除了包括載波同步和符號(hào)同步外，還包括樣值同步。 OFDM系統(tǒng)中的樣值同步與數(shù)字通信系統(tǒng)中的符號(hào)同步類似，樣值同步包括 樣值頻率同步和樣值定時(shí)同步。在OFDM系統(tǒng)中，符號(hào)同步主要是使接收端確定 各個(gè)OFDM符號(hào)的起止時(shí)刻，即獲取準(zhǔn)確的FFT窗位置，并進(jìn)而達(dá)到塊幀同步或同 步；樣值定時(shí)同步是使接收端獲得每個(gè)樣值符號(hào)的起止時(shí)刻；樣值頻率同步是 保證接收端的頻率有與發(fā)送端的頻率達(dá)到一致。OFDM不僅可以適合廣播等連續(xù) 傳輸?shù)南到y(tǒng)，而且也可以適用于分組交換網(wǎng)絡(luò)，即為分組突發(fā)方式傳輸。因?yàn)?這兩種系統(tǒng)存在傳輸方式差異，所以它們

40、的同步算法也會(huì)有所不同，但是它們 實(shí)現(xiàn)同步的原理是一樣的。所以本章會(huì)首先探討OFDM系統(tǒng)中載波同步、符號(hào)同 步和樣值同步在理論上的基本原理，然后再分析一些在OFDM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各種同 步的常用有效算法。 4.1 同步偏差對(duì)同步偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)的影響系統(tǒng)的影響 OFDM 符號(hào)由多個(gè)子載波信號(hào)疊加而成，利用正交性可以來(lái)區(qū)分各個(gè)子載波， 因此這種正交性對(duì)于 OFDM 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要，使得它對(duì)載波同步的要求也就相 對(duì)較嚴(yán)格。 在 OFDM 系統(tǒng)中存在如下幾個(gè)方面的同步要求： 1、載波同步：接收端的振蕩頻率要與發(fā)送載波同頻同相； 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的

41、多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 14 2、樣值同步：接收端和發(fā)射端的抽樣頻率相同； 3、符號(hào)同步：IFFT 和 FFT 起止時(shí)刻相同。 圖 4-2 中說(shuō)明了 OFDM 系統(tǒng)中的同步要求，并且給出各種同步在系統(tǒng)中所處 的位置。 IFFT FFTA/D變變換換載載波波解解調(diào)調(diào) 信信道道 載載波波調(diào)調(diào)制制D/A變變換換 符符號(hào)號(hào)同同步步樣樣值值同同步步載載波波同同步步 圖 4-2 OFDM 系統(tǒng)內(nèi)的同步示意圖 4.1.1 載波頻率偏差對(duì)載波頻率偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)的影響系統(tǒng)的影響 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的頻率偏差致使接收信號(hào)在頻域內(nèi)發(fā)生偏移。如果頻率 偏差是子載波間隔的整數(shù)n倍，盡管子載波之間還是能夠保

42、持正交，但是頻率 采樣值已經(jīng)偏移了整數(shù)n個(gè)子載波的位置，造成映射在 OFDM 頻譜內(nèi)的數(shù)據(jù)符號(hào) 誤碼率高達(dá) 0.5。如果載波偏差不是子載波間隔的整數(shù)倍，那么在子載波之間 就會(huì)存在能量流失，致使子載波之間的正交性遭到毀壞，從而在子載波之間引 入干擾，使得系統(tǒng)的誤碼率性能惡化。圖 4-3 中給出了 OFDM 信號(hào)的頻譜示意圖， 其中圖 4-3（a）表示沒(méi)有發(fā)生頻率偏差的情況，而圖 4-3（b）則表示存在頻率 偏差時(shí)的情況，從圖中可以看到，在頻率沒(méi)有發(fā)生偏差時(shí)，各個(gè)子載波之間不 會(huì)存在干擾，而當(dāng)存在頻率偏差時(shí)，子載波之間存在互相干擾。 考慮圖 4-3 的 OFDM 系統(tǒng)。第i個(gè)符號(hào)周期內(nèi)輸入的原始數(shù)

43、據(jù)符號(hào)為 ，經(jīng)過(guò) IDFT 計(jì)算之后得到： 0,1,1, ,., iiNi aaa （4.1） 1 , 0 12 exp() N k il i l jlk ba NN 因此可以得到 OFDM 發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)為： （4.2） 1 , 0 ( )exp( 2)() N ck i k kT x tjf tbp t N 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 15 n f n ff f 1n f 1n f ( )A f( )A f f （a）表表示示沒(méi)沒(méi)有有頻頻率率偏偏差差的的情情況況（b）表表示示存存在在頻頻率率偏偏差差的的情情況況 圖 4

44、-3 載波同步與載波不同步情況的示意圖 分分割割 為為低低 速速數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)流流 DAC 和和 LPF 并并串串 變變換換 N點(diǎn)點(diǎn) IDFT BPF 串串并并 變變換換 N點(diǎn)點(diǎn) DFT 高高速速數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)流流 0 ,i a 1,Ni a 1,Ni b 0,i b ( )x t ( )h t exp(2 () ) c jff t 0,i y 1,Ni y 1,Ni z 0,i z 圖 4-4 OFDM 通信系統(tǒng)框圖 其中表示載波頻率，表示發(fā)射機(jī)內(nèi)所使用的成形低通濾波器的沖激響應(yīng)。 c f( )p t 在接收端存在的頻率偏差時(shí)，可以得到經(jīng)過(guò)降頻轉(zhuǎn)換和低通濾波之后的信號(hào)f 為： （4.3） 1 0,

45、0 ( )exp( 2)() N k i k kT y tjftb q t N 其中是發(fā)射機(jī)內(nèi)低通濾波器和接收機(jī)內(nèi)帶通濾波器相乘所得到的組合沖激( )q t 響應(yīng)，是接收機(jī)本地振蕩器的相位與射頻載波相位之差。假設(shè)在抽樣時(shí)間 0 ,能夠滿足 Nyquist 準(zhǔn)則，對(duì)在時(shí)刻抽樣，得到：kT N( )q t( )y ttkT N （4.4） ,0, 2 exp()exp() k ik i jfTk yjb N 因此根據(jù) DFT 的計(jì)算公式，并且把上述和代入， 1 , 0 2 exp() N m ik i k jkm zy N ,k i y ,k i b 可以得到： 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于

46、 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 16 （4.5） 11 ,0, 00 12() exp()exp() NN m il i lk jk lmfT zja NN 根據(jù)幾何級(jí)數(shù)的求和公式，以及， 1 0 1 1 NN k k u u u 1 exp( 2 )2sinexp()jjj 式（4.5）可以重寫為如下形式： 1 ,0, 0 1sin( ()1 exp()exp()() () sin() N m il i l lmfTN zjajlmfT lmfT NN N （4.6） 如果，則可以容易地得到?？梢?f ,0, exp(),(0,1,.,1) m im i zj

47、amN 看到每個(gè)復(fù)數(shù)符號(hào)都僅僅受到了相位偏差因子的影響。 0 如果，則會(huì)發(fā)生信道間干擾，即每個(gè)子信道的輸出數(shù)據(jù)符號(hào)要取決0f 于所有的輸入數(shù)據(jù)符號(hào)。為了簡(jiǎn)化 ICI 的分析過(guò)程，定義N個(gè)復(fù)加權(quán)系數(shù) 分別對(duì)應(yīng)N個(gè)輸入數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)輸出數(shù)據(jù)符號(hào)所做 011 ,., N c cc 0,1,1, ,., iiNi aaa 出的貢獻(xiàn)，由此可以得到第M個(gè)子信道中傳輸?shù)姆?hào)為： （4.7） 1 ,0, 0 1 00,0, 0 exp() exp()exp() N m il ml i l N m il ml i l l m zjca jc ajca 其中復(fù)加權(quán)系數(shù)為： （4.8） 1 0 12() exp() 1

48、 sin( ()(1)() exp() () sin() N lm k jk lmfT c NN lmfTNlmfT j lmfT NN N （4.9） 1 0 0 121 sin()1 exp()exp() sin() N k jk fTfTN cjfT fT NNNN N 式（4.7）的第一項(xiàng)是經(jīng)過(guò)加權(quán)的期望得到的數(shù)據(jù)符號(hào)項(xiàng)，第二項(xiàng)就是由于頻 0 c 率偏差所帶來(lái)的 ICI。通過(guò)上式可以看到，只取決于歸一化頻率偏差，f 0 cfT 而且要獨(dú)立于m。此外當(dāng)時(shí)，每個(gè)對(duì)的貢獻(xiàn)取決于歸一化頻率偏差lm , l i a ,m i z 以及子載波之間的距離，并不直接與m相關(guān)。fT()modlmN 利用

49、相關(guān)方法分析 ICI 我們可以得到下面的結(jié)論： （1）當(dāng)與(原始的數(shù)據(jù)符號(hào)的周期)一定時(shí)，隨著系統(tǒng)頻率偏移的N 0 Tf 增大，也隨之加大，系統(tǒng)的 ICI 也會(huì)顯著的增加。即 OFDM 系統(tǒng)的 ICI 是隨fT 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 17 著頻率偏移的增大而變大的。 （2）當(dāng)與一定時(shí)，隨著子載波個(gè)數(shù)的增加，也隨之增加，將f 0 TNfT 導(dǎo)致 ICI 的增加。也就是說(shuō)，OFDM 系統(tǒng)的子載波個(gè)數(shù)越多，系統(tǒng)所承受的 ICI 也會(huì)越大，但是這種子載波數(shù)量對(duì) ICI 的影響會(huì)隨子載波數(shù)量的增加而逐漸減 少。 （3）當(dāng)與N一定

50、時(shí)，如果原始數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間增加，會(huì)導(dǎo)致加f 0 T 0 TNT 大，這樣子載波的間隔則會(huì)隨之減少，導(dǎo)致 ICI 的增加。即 OFDM 系統(tǒng)的子1 T 載波間隔越小，系統(tǒng)內(nèi)的 ICI 也會(huì)越大。 根據(jù)文獻(xiàn) 5，在 AWGN 信道條件下常規(guī) OFDM 系統(tǒng)中，由于本地振蕩器頻率 與載波頻率之間存在差異，即而引起的信道間干擾。由此得到 l f c f lc fff 第個(gè)子載波上的接受信號(hào)為：k （4.10） 1 0 0 N kskskmmk m m k rE I aEIaz 其中： 0 2 () , 0 1sin() n Tjt jtjfTj T nn A fTfT IeedteIe TfTfTn （

51、4.11） 其中， ,0 () n A IIfTfTn 00,0 sin(), A IIfTfTfT 式（4.10）中第一項(xiàng)是受到頻率偏差影響的有效信號(hào)，第二項(xiàng)是由頻率偏 差所帶來(lái)的信道間干擾，最后一項(xiàng)是第個(gè)子載波所經(jīng)歷的加性噪聲。k 根據(jù)式（4.10）可以得到 AWGN 信道條件下，常規(guī) OFDM 系統(tǒng)的信號(hào)干擾比 （SIR）為：，其中： 2 00 c AWGN SIRIV 2 2 1 2 00 2 1 N mN fT VI fTm （4.12） 由頻率偏差所導(dǎo)致的 ICI 會(huì)對(duì) OFDM 系統(tǒng)的信噪比性能帶來(lái)很大的負(fù)面影響， 產(chǎn)生地板效應(yīng)。與不存在 ICI 的常規(guī) OFDM 系統(tǒng)內(nèi)的信噪比

52、進(jìn) 0 c noICIs SNREN 行比較分析，由于頻率偏差的出現(xiàn)，OFDM 系統(tǒng)的信噪比遭受損失。 文獻(xiàn) 28 分析了常規(guī) OFDM 系統(tǒng)的信噪比以及由于頻率偏差所帶來(lái)的信噪比 損失： 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 18 2 0 _ 00 _ _ 2 00 0 10lg() 10lg(1) 10lg() sc AWGNICI s c AWGNnoICIc AWGN c AWGNICI s E I SNR E VN SNR D SNR E VI N （4.13） 其中。 2 2 1 2 00 2 (1) N mN fT VI

53、 fTm 信噪比損失是隨著的增加而逐漸變大的。這就意味著如果只采用提高fT 發(fā)送功率（即增加）的方法，并不能真正改善 OFDM 系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)接收 s E 機(jī)內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)之前所能得到的信噪比并不會(huì)有太大的改善，由此也可以證明地 板效應(yīng)的存在。 4.1.2 符號(hào)定時(shí)偏差對(duì)符號(hào)定時(shí)偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)的影響系統(tǒng)的影響 根據(jù)第二章的敘述，由于在 OFDM 符號(hào)之間插入了循環(huán)前綴保護(hù)間隔，因此 OFDM 符號(hào)定時(shí)同步的起始時(shí)刻可以在保護(hù)間隔內(nèi)變化，而不會(huì)造成 ISI 和 ICI。只有當(dāng) FFT 運(yùn)算窗口超出了符號(hào)邊界，或者落入符號(hào)的幅度滾降區(qū)間，才 會(huì)造成 ISI 和 ICI。因此，OFDM 系統(tǒng)對(duì)

54、符號(hào)定時(shí)同步的要求會(huì)相對(duì)較寬松，但 是在多徑環(huán)境中，為了獲得最佳的系統(tǒng)性能，需要確定最佳的符號(hào)定時(shí)。盡管 符號(hào)定時(shí)的起點(diǎn)可以在保護(hù)間隔內(nèi)任意選擇，但是容易得知，任何符號(hào)定時(shí)的 變化，都會(huì)增加 OFDM 系統(tǒng)對(duì)時(shí)延擴(kuò)展的敏感程度，因此系統(tǒng)所能容忍的時(shí)延擴(kuò) 展就會(huì)低于其設(shè)計(jì)值。為了盡量減小這種負(fù)面的影響，需要盡量減小符號(hào)定時(shí) 同步的誤差。 我們知道，符號(hào)定時(shí)偏差與解調(diào)子載波之間的存在有固定關(guān)系，隨著定時(shí) 的變化，子載波經(jīng)過(guò)解調(diào)之后的相位也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化29。子載波 k 的相位 與定時(shí)偏差之間的關(guān)系為： k （4.14）2 kk f 其中為第 k 個(gè)子載波的載波頻率。對(duì)包含 N 個(gè)子載波在內(nèi)、子載波

55、間隔 k f 為 1/T 的 OFDM 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè) T/N 的樣值間隔的定時(shí)偏差對(duì)第一個(gè)子載波與最 后一個(gè)子載波之間造成的相位差為: 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 19 （4.15） 10 2 (1 1/) N N 這些相位偏差會(huì)累加到已經(jīng)存在的相位噪聲中。在相干 OFDM 接收機(jī)內(nèi)，需 要利用信道估計(jì)來(lái)計(jì)算所有子載波的相位偏差。 在實(shí)現(xiàn)符號(hào)定時(shí)同步的過(guò)程中，符號(hào)起始點(diǎn)的估計(jì)值有可能比實(shí)際值提前 或者滯后。由于滯后的符號(hào)定時(shí)同步會(huì)使得 FFT 運(yùn)算窗口覆蓋到隨后的 OFDM 符 號(hào)，因此會(huì)引入較大的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)的 BER

56、（誤比特率）性能下降。相反， 由于提前的符號(hào)定時(shí)同步會(huì)使得 FFT 運(yùn)算窗口中包含當(dāng)前 OFDM 符號(hào)的循環(huán)前綴 保護(hù)間隔，因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng) BER 性能造成太大的影響。為了克服上述弱點(diǎn)，有 的系統(tǒng)方案在 OFDM 符號(hào)之后也插入適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)間隔，即短循環(huán)后綴，這樣無(wú)論 符號(hào)定時(shí)同步提前還是滯后，都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成太大的影響。 4.1.3 采樣定時(shí)偏差對(duì)采樣定時(shí)偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)的影響系統(tǒng)的影響 在上述分析中，沒(méi)有考慮到采樣值頻率的偏差。如果在采樣定時(shí)中存在偏 差，則會(huì)有兩方面的影響：第一，產(chǎn)生時(shí)變的定時(shí)偏差，導(dǎo)致接收機(jī)必須要跟 蹤時(shí)變的相位變化；第二，采樣值頻率的偏差就意味著 FFT 周期的偏

57、差，因此 經(jīng)過(guò)采樣的子載波之間不再保持正交性，從而產(chǎn)生 ICI。但幸運(yùn)的是，這種影 響是比較小的，本節(jié)會(huì)分析采樣定時(shí)偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)造成的影響。 為了方便研究采樣定時(shí)偏差的影響，我們可以把采樣定時(shí)偏差分為采樣相 位偏差和采樣頻率偏差，它們的影響是不同的。首先，采樣相位的影響類似于 符號(hào)定時(shí)偏差。第k個(gè)子載波的相位和采樣相位偏差的關(guān)系為：t （4.16）2 k k t T 我們發(fā)現(xiàn)相位偏轉(zhuǎn)和子載波序號(hào)k成正比，但是它的影響遠(yuǎn)比符號(hào)定時(shí)偏差 k 小，這是因?yàn)椴蓸酉辔黄畹姆秶辉诒恫蓸娱g隔內(nèi)，而符號(hào)定時(shí)偏差有0.5 數(shù)十倍的采樣間隔。 其次，由于采樣頻率偏差在每個(gè)采樣間隔內(nèi)都改變，從而導(dǎo)致采

58、樣點(diǎn)增減 現(xiàn)象周期性發(fā)生，這些都會(huì)導(dǎo)致額外的符號(hào)定時(shí)偏移。即接收一個(gè)（N+G）個(gè)采 樣點(diǎn)的 OFDM 符號(hào)時(shí)可能得到（N+G-1）或（N+G+1）個(gè)采樣點(diǎn)。此外，由于采樣 點(diǎn)的增減現(xiàn)象，每一個(gè)子載波都會(huì)有額外的相位偏轉(zhuǎn)。 （4.17） 2 s k ss fk Nff 平頂山學(xué)院應(yīng)屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 matlab/simlink 的多載波通信系統(tǒng)仿真分析 林歡 20 其中，是采樣點(diǎn)增或減的數(shù)目，它的值是+1 或-1；和分別是采樣頻率 s f s f 和采樣頻率的偏移。 4.2 同步算法同步算法 4.2.1 載波同步算法載波同步算法 對(duì)于載波同步，由于 OFDM 各子信道帶寬比較小，所以對(duì)載波

59、頻率偏差的 敏感程度很高，因此需要精確度非常高的載波同步。另外，當(dāng)精確的估計(jì)出頻 率偏差后，由于多普勒效應(yīng)以及振蕩器有不穩(wěn)定等因素，并且頻率又會(huì)產(chǎn)生漂 移，所以還需要對(duì)頻率進(jìn)行跟蹤。 實(shí)際上頻率偏差可分解為兩部分：小數(shù)部分和整數(shù)部分。所謂小數(shù)部分指 的是小于子載波間隔的那一部分頻率偏差。整數(shù)部分指的是等于子載波間隔的 整數(shù)倍的那一部分頻率偏差；整數(shù)部分僅僅會(huì)使信息信號(hào)在子信道上平移，不 破壞各子載波間的正交性，但會(huì)導(dǎo)致解調(diào)結(jié)果完全錯(cuò)誤，系統(tǒng)誤碼率幾乎為 0.5；而小數(shù)部分會(huì)造成子信道干擾，破壞各子載波間的正交性，導(dǎo)致系統(tǒng)的誤 碼率增大。 對(duì)于載波頻率細(xì)同步和粗同步進(jìn)行的順序，一般情況下是先粗同

60、步再細(xì)同 步。如果以子載波之間的間隔為單位，那么載波頻率偏差可以分成小數(shù)部分和 整數(shù)部分，其只有小數(shù)部分會(huì)影響子載波間的正交性。而頻率偏差為整數(shù)倍的 只是將接收機(jī)中 FFT 的輸出進(jìn)行循環(huán)移位，那么，可以在時(shí)域先進(jìn)行載波細(xì)同 步，對(duì)載波頻率偏差的小數(shù)部分進(jìn)行估計(jì)，然后在頻域進(jìn)行頻率粗同步，估計(jì) 出整數(shù)部分。這種先細(xì)同步再粗同步的順序安排，可消除由載波頻偏小數(shù)部分 引起的 ICI，使其后的載波粗同步不受 ICI 影響。 載波頻偏的同步算法可分為三類： （1） 數(shù)據(jù)輔助算法：對(duì)基于嵌入發(fā)送信號(hào)內(nèi)的特定訓(xùn)練信息進(jìn)行估計(jì)； （2） 非數(shù)據(jù)輔助算法：對(duì)分析頻域的接受信號(hào)進(jìn)行估計(jì)； （3） 基于循環(huán)前綴的