OFDM系統(tǒng)設(shè)計及基帶系統(tǒng)仿真

1、OFDM 原理與應(yīng)用課程設(shè)計 OFDM 系統(tǒng)設(shè)計及基帶系統(tǒng)仿真 學(xué) 號： S315080037 專 業(yè)：信息與通信工程 學(xué)生姓名：段京京 任課教師：張薇 副教授 2016 年 4 月 第 1 章 緒論 1.1 引言 計算機技術(shù)、 Internet 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與普及改變了人類生活方式，這是人類科 技的一次革命性的進步。 隨著人們對信息量的需求越來越多， 無線移動通信進入 了一個快速發(fā)展時期。進入 21 世紀以來，國內(nèi)外移動通信技術(shù)有著更快速的發(fā) 展，特別是無線通信網(wǎng)絡(luò)和 Internet 的結(jié)合，使網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)揮了更大的作用，更 加促進了 Internet 的發(fā)展和無線移動網(wǎng)絡(luò)的完善，人們的生活方

2、式更加便捷和多 樣化，世界發(fā)展更快、更加精彩、更加輝煌。無線移動通信技術(shù)迎來了又一次偉 大的變革。其中，正交頻分復(fù)用（ OFDM ）技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)。 在現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的無線信道中， 隨著傳輸數(shù)據(jù)率的提高， 多徑衰落和由 之引起的碼間串擾會嚴重影響系統(tǒng)性能。 克服這種影響的一種方法是采用信道均 衡技術(shù)，但是隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高， 其代價可能變得無法接受。 正交頻分復(fù) 用（OFDM傳輸技術(shù)提供了讓數(shù)據(jù)以較高的速率在較大延遲的信道上傳輸?shù)牧硪?種途徑。OFDM技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，它將串行高速信息數(shù)據(jù)流變換成為 若干路并行低速數(shù)據(jù)流， 每路低速數(shù)據(jù)流被調(diào)制在彼此正交的子載波上構(gòu)成發(fā)送 信號

3、。由于OFDh具有較高的頻譜利用率及抗多徑干擾能力強的優(yōu)點，且能夠通 過 IFFT/FFT 等高效算法實現(xiàn)，因此目前它已成為應(yīng)用最為廣泛的多載波調(diào)制方 式。 1.2 OFD M 系統(tǒng)的發(fā)展 上個世紀70年代，Weinstein和Ebert等人應(yīng)用離散傅里葉變換和快速傅里 葉變換創(chuàng)造了一個完整的多載波傳輸系統(tǒng)，叫做正交頻分復(fù)用（ OFDM ）系統(tǒng)。 正交頻分復(fù)用是一種特殊的多載波傳輸方式 1。正交頻分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用離散 傅里葉變換及反變換解決了產(chǎn)生多個互相正交的子載波和從子載波中恢復(fù)原信 號的問題。 這就解決了多載波傳輸系統(tǒng)發(fā)送和傳輸?shù)膯栴}。 應(yīng)用快速傅里葉變換 將大大降低多載波傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度。

4、從此以后 OFDM 技術(shù)開始走向?qū)嵱谩?由于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在二十世紀 90 年代， OFDM 廣泛用干各種數(shù)字 傳輸和通信中，如非對稱的數(shù)字用戶環(huán)路 （ ADSL）, ETSI 標準的音頻廣播 （DAB）、數(shù)字視頻廣播 （DVB）等4。 1999 年，IEEE802.il a 通過了一個 5GHz 的 無線局域網(wǎng)標準，其中， OFDM 調(diào)制技術(shù)被用作物理層標準 OETSI 的寬帶射頻 接入網(wǎng)（BRAN）的局域網(wǎng)標準，同時也把OFDM技術(shù)定為它的調(diào)制標準技，使傳 輸速率可達54MbPs?，F(xiàn)在OFDM論壇的成員已達46個會員，其中15個為主要 會員，我國的信息產(chǎn)業(yè)部也加入 OFDM 論壇 5

5、 2001年，IEEE802.16通過了無線城域網(wǎng)標準。伴隨著IEEE802 .Ila和BRAN Hyper LAN/2 兩個標準在局域網(wǎng)的應(yīng)用， OFDM 技術(shù)將會進一步在無線數(shù)據(jù)傳 輸領(lǐng)域做出重大貢獻。 OFDM 技術(shù)目前擁有兩個不同的聯(lián)盟 : 一個是 OFDM 論壇，主要協(xié)調(diào)各會員 遞交給 IEEE 聯(lián)盟的與 OFDM 技術(shù)有關(guān)的建議 ; 另一個是寬帶無線互連網(wǎng)論壇， 其開發(fā)了一個 VOFDM 標準。 OFDM 論壇已經(jīng)在 IEEE 802.16無線 MAN 會議上 向 802.16.3 分會遞交了物理層建議，在這個會議上除了 CDMA 外，還有許多 OFDM 的建議被提出。 今后， O

6、FDM 的主要發(fā)展方向是增加傳輸距離、 進一步提高傳輸速率，并且 與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兼容。隨著數(shù)字信號處理和大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展， OFDM調(diào)制技術(shù)已經(jīng)漸漸被應(yīng)用到無線通信、高清晰度廣播電視等領(lǐng)域 。 OFDM 調(diào)制技術(shù)的高速率性能是通過提高系統(tǒng)復(fù)雜性為代價得到的。 該技術(shù) 的最大困難是如何使各個子信道精確同步。 OFDM 技術(shù)的基礎(chǔ)是各個子載波必 須滿足頻率正交性， 如果正交性存在缺陷， 整個系統(tǒng)的性能會嚴重下降。 隨著數(shù) 字信號處理和鎖相環(huán)（ PLL ）技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在可以精確跟蹤信道沖激響應(yīng) 的實時變化，均衡碼間干擾的影響。 1.3 OFDM 系統(tǒng)的發(fā)展前景 無線通信與個人通信

7、在短短的幾十年間，經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信，從 頻分多址（FDMA）到碼分多址（CDMA）的巨大發(fā)展，目前又有新技術(shù)的出現(xiàn)，此 技術(shù)即為正交頻分復(fù)用（ OFDM ）。比以碼分多址（ CDM A ）為核心的第三代移 動通信技術(shù)應(yīng)用更加完善， 技術(shù)更加先進，我們將之稱為“第四代移動通信技術(shù)” 。 OFDM 技術(shù)在寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的潛力。與第三代移動通信系統(tǒng)相比， 采用多種新技術(shù)的 OFDM 系統(tǒng)具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能 力，并且提高了頻帶利用率， 它不僅可以增加系統(tǒng)容量， 而且更好地滿足多媒體 通信要求， 將包括語音、 數(shù)據(jù)、影像等大量信息的多媒體業(yè)務(wù)通過寬頻信道高品 質(zhì)地

8、傳送出去。另外， OFDM 技術(shù)的實現(xiàn)簡單，成本低廉。隨著 DSP 技術(shù)的飛 速發(fā)展，并利用快速傅里葉變換產(chǎn)生大量相互正交的子載波， 為實現(xiàn)高速寬帶通 信系統(tǒng)提供了極大的方便。 OFDM 將成為實現(xiàn)未來寬帶移動通信的主流方式， 因而引起越來越多的人們的關(guān)注和研究 8。 第 2 章 OFDM 基本原理 2.1 利用 IFFT 生成 OFDM 信號 利用離散反傅里葉變換(IDFT)或快速反傅里葉變換(IFFT)實現(xiàn)的OFDM系 統(tǒng)，如圖2.1所示。 圖 2.1 OFDM 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖 從上圖 OFDM 系統(tǒng)的實現(xiàn)模型可以看出， 輸入經(jīng)過調(diào)制的復(fù)信號經(jīng)過串并 變換后，進行IDFT或IFFT,將數(shù)據(jù)的

9、頻譜表達式變到時域上， 再經(jīng)過并/串變 換，然后插入保護間隔，防止碼間干擾，再經(jīng)過數(shù)模變換后形成 OFDM 調(diào)制 后的信號s(t)。該信號經(jīng)過信道后，接收到的信號 r(t)經(jīng)過模/數(shù)變換，然后去 掉保護間隔，以恢復(fù)子載波之間的正交性，再經(jīng)過串/并變換和 DFT 或 FFT 使 數(shù)據(jù)的時域表達式變到頻域上后，恢復(fù)出 OFDM 的調(diào)制信號，再經(jīng)過并/串變 換后還原出輸入符號。 2.2 保護間隔和循環(huán)前綴作用 2.2.1 保護間隔 (GI) 無線多徑信道會使通過它的信號出現(xiàn)多徑時延，此種多徑時延如果擴展到下 一個符號， 就會造成符號問串擾， 嚴重影響數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量。 而采用 OFDM 技術(shù)的主要

10、原因之一是它可以有效地防止多徑時延擴展。 通過把輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過 串/并變換后分配到 N 個并行的子信道上，使每個用于去調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符 號周期可以擴大為原輸入數(shù)據(jù)符號周期的 N 倍，因此時延擴展與符號周期的比 值也同樣可降低為1/N。在OFDM系統(tǒng)中，為了能夠最大限度地消除符號間干 擾，可在每個 OFDM 符號之間插入保護間隔，而且該保護間隔的長度一般要大 于無線信道的最大時延擴展， 這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成 干擾。 當多徑時延小于保護間隔時，可以保證在 FFT 的運算時間長度內(nèi)，不會使信 號相位跳變。所以， OFDM 接收機所看到的只是存在某些相位偏移、多個單純 連續(xù)正

11、弦波形的信號疊加， 而這種疊加不會破壞子載波之間的正交性。 如果多徑 時延超過了保護間隔，則在 FFT 運算時間長度內(nèi)可能會出現(xiàn)信號相位的跳變， 因此在第一路徑信號與第二路徑信號的疊加信號內(nèi)就不再只包括單純連續(xù)正弦 波形信號， 從而導(dǎo)致子載波之間的正交性可能遭到損壞， 因此就會產(chǎn)生信道間干 擾(ICI)，使得各載波之間產(chǎn)生干擾。 2.2.2 循環(huán)前綴 (CP) 為了消除多徑傳播造成的信道之間的干擾 ICI ，一種有效方法是將原來寬度 為 T 的 OFDM 符號進行周期性擴展，用擴展信號來填充保護間隔。將保護間隔 內(nèi)的信號稱為循環(huán)前綴（Cyclic Prefix , CP）。在實際系統(tǒng)中，當OF

12、DM符號送入 信道之前，首先要加入循環(huán)前綴，然后送入信道進行傳送。在接收端，先要將接 收的符號開始的寬度為 Tg 的部分丟棄，然后將剩余的寬度為 T 的部分進行傅里 葉變換，進行解調(diào)。 在 OFDM 符號內(nèi)加入循環(huán)前綴可以保證在一個 FFT 周期內(nèi)， 使 OFDM 符號的時延副本內(nèi)所包含的波形周期個數(shù)也是整數(shù)，這樣，時延小于 保護間隔的時延信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生信道間干擾 ICI。 2.3 OFDM 基本參數(shù)的選擇 OFDM 參數(shù)的選擇就是需要在多項矛盾要求中進行最優(yōu)地考慮。一般來說， 首先要確定三個參數(shù)：帶寬（Bandwidth）、比特率（Bit Rate）以及保護間隔（GI）。 通常，

13、保護間隔的時間長度應(yīng)該為應(yīng)用移動環(huán)境信道下時延均方值的 24倍。 一旦確定了保護間隔，則 OFDM 符號周期長度就可以確定。為了能夠最大程度 地減少由于插入保護間隔所帶來的信噪比損失，則需要 OFDM 符號周期長度要 遠遠大于保護間隔長度。但是符號周期長度又不能任意大，否則在 OFDM 系統(tǒng) 中將包含有更多的子載波數(shù)， 從而導(dǎo)致子載波間隔相對減少， 致使系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù) 雜程度增加， 并且還加大了系統(tǒng)的峰值平均功率比， 同時使系統(tǒng)對頻率偏差更加 敏感。所以，在實際應(yīng)用中，通常選擇符號周期是保護間隔長度的 5倍，這樣插 入保護比特所造成的信噪比損耗只有 1 dB 左右。 在確定符號周期和保護間隔之后

14、，子載波的數(shù)量可以直接用-3 dB帶寬除以子 載波間隔 （即去掉保護間隔后的符號周期的倒數(shù) ）得到或者利用所要求的比特速 率除以每個子信道的比特速率來確定子載波的數(shù)量。 每個信道中所傳輸?shù)谋忍厮?率可以由調(diào)制類型、編碼速率和符號速率來確定。 2.3.1 有用符號持續(xù)時間 有用符號持續(xù)時間 T 對子載波之間間隔和譯碼的等待周期都有影響，為了保 持數(shù)據(jù)的吞吐量，子載波數(shù)目和 FFT 的長度要有相對較大的數(shù)量，這樣就會使 有用符號持續(xù)時間增大。 在實際應(yīng)用中， 載波的偏移和相位的穩(wěn)定性會影響兩個 載波之間間隔的大小， 如果接收機為移動著的， 則載波間隔必須足夠大， 這樣才 能忽略多普勒頻移。 總之，

15、選擇有用符號的持續(xù)時間， 必須以保證信道的穩(wěn)定為 前提。 2.3.2 子載波數(shù) 子載波數(shù)目越多，有用信號越平坦，帶外衰減也就越快，圖形越接近矩形， 越符合通信要求， 但子載波數(shù)目又不能過多， 如果圖形越接近矩形則對接收端的 濾波器要求越高 （只有理想濾波器才能過濾，否則就造成交調(diào)干擾）。因此在子 載波數(shù)目的選擇上要綜合考慮傳遞信息的有效性和可行性。 子載波數(shù)可以由信道帶寬、數(shù)據(jù)吞吐量和有用符號持續(xù)時間 T所決定： N 1T 子載波數(shù)可以被設(shè)置為有用符號持續(xù)時間的倒數(shù)，其數(shù)值與 FFT處理過的數(shù)據(jù) 點相對應(yīng)。第 3 章 OFDM 系統(tǒng)仿真 3.1 仿真模型 為了簡化仿真過程，對系統(tǒng)框圖做以下簡化

16、和假設(shè)： (1) 假設(shè)接收端理想同步； (2) 本次仿真不研究信道編碼方案對性能的影響，故不進行信道編解碼; (3) 消除子信道平衰落的方法采用簡單的頻域均衡； (4) 根據(jù)文獻，仿真可進行低通等效，即進行低通等效傳輸； (5) 仿真時一般直接進行數(shù)字傳輸，即去掉 A/D和D/A模塊。 簡化后的系統(tǒng)仿真模型如圖3.1所示。 圖3.1 OFDM系統(tǒng)框圖 3.2 仿真條件： (1)比特率 2Mbit/s (2 )可容忍時延擴展(均方根)v 4 s (3)帶寬 1.5MHz (4 )兩徑信道 3.3 仿真設(shè)計過程 (1) 確定保護間隔：根據(jù)時延擴展確定保護間隔 TG的長短，保護間隔一般取為 均方根時

17、延擴展的4倍，所以保護間隔 TG=4 2 s 8 s。 (2) 確定OFDM符號周期長度：選擇符號周期長度是保護間隔長度的 5倍。 OFDM符號周期長度 TG Ts=5X保護間隔即：TG Ts=5 8 s 40 s; OFDM符號有用信號時間長度：Ts 40 s 8 s 32 s ；子載波間隔: f 1 Ts 1. 32 10 6 31.25kHz。 (3)確定子載波數(shù)量：單個 OFDM符號傳送比特數(shù) 2Mbit/s 80bit。 1/40 s 方案1:采用16QAM調(diào)制和R=12信道編碼。 每個子載波傳送2bit信息；子載波個數(shù) 80巴 40 ； 2 信號帶寬 31.25kHz 40 1.25MHz 1.5MHz。 方案2:采用QPSK調(diào)制和R=34信道編碼。 每個子載波傳送1.5bit信息；子載波個數(shù) 90巴=60 ； 1.5bit 信號帶寬 31.25kHz 60 1.875MHz 1.5MHz ； 因此，為滿足傳輸帶寬要求，選擇方案 1。 (4)利用快速傅立葉變換(FFT和反變換(IFFT)實現(xiàn)：上述設(shè)計中FFT/IFFT 必須