現(xiàn)代調(diào)制與調(diào)制解調(diào)技術(shù)

1、 - OFDM系統(tǒng)原理及仿真實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)原理及仿真實現(xiàn) 一、 摘要：OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，該技術(shù)的基本原理是將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)并對不同的載波進行調(diào)制。這種并行傳輸體制大大擴展了符號的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。OFDM的思想早在60年代就已經(jīng)提出，由于使用模擬濾波器實現(xiàn)起來的系統(tǒng)復(fù)雜度較高，所以一直沒有發(fā)展起來；70年代，提出用離散傅立葉變換（DFT）實現(xiàn)多載波調(diào)制，為OFDM的實用化奠定了理論基礎(chǔ)；80年代，首先分析了OFDM在移動通信中應(yīng)用存在的問題和解決方法。從此以后，OFDM在移動通信中的應(yīng)用才如火如荼地開展起來。二、OFDM系統(tǒng)原理

2、及結(jié)構(gòu)的基本介紹:OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu) :OFDM 調(diào)制采用信道編碼來抑制多徑效應(yīng)，數(shù)據(jù)符號映射到一個相應(yīng)的星座圖上(如QPSK，QAM)，結(jié)果I(Iraage，虛部)和R(Real，實部)值存儲在緩沖器中，并應(yīng)用IFFT在正交載波上進行調(diào)制，數(shù)據(jù)被準備發(fā)送并被串行化；另外為抵抗多徑效應(yīng)加上一個循環(huán)前綴。經(jīng)過處理的信號被送到天線上發(fā)送出去。OFDM 的功能模塊主要包括以下幾部分：前向糾錯(Forward Error Correction)：信道編碼采用Reed-Solomon碼、卷積糾錯碼、維特比碼或TURB0碼。交錯器：交錯器用于降低在數(shù)據(jù)信道中的突發(fā)錯誤，交錯后的數(shù)據(jù)通過一個串并行轉(zhuǎn)換器，將I

3、、R值映射到一個相應(yīng)的星座圖上。星座圖：多載波OFDM 被認為優(yōu)于N個獨立的由單載波調(diào)制的子頻帶。星座圖將符號映射到相應(yīng)的星座點上。這一過程產(chǎn)生IR值，它們被濾波并送到IFFT 上進行變換。緩沖：用于存儲送到IFFT前的IR值。IFFT 可快速、高效應(yīng)用離散傅立葉變換功能并數(shù)學(xué)生成用于OFDM傳輸?shù)恼惠d波。OFDM 的核心為IFFT，IFFT調(diào)制每一個子信道到高精度的正交載波上，信道化后的數(shù)據(jù)注入到一個并串緩沖器，串行數(shù)據(jù)通過DAC變換為發(fā)送做準備。并串轉(zhuǎn)換器：用于將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。循環(huán)前綴：循環(huán)前綴為單個的OFDM符號個體創(chuàng)建一個保護帶，在信噪比邊緣損耗中被丟掉可以極大的減少ISI

4、。整形有限激勵響應(yīng)過濾器(Shaper-FIR)用于整形信號。 OFDM收發(fā)接收機框圖OFDM系統(tǒng)原理:1、DFT的實現(xiàn)傅立葉變換將時域與頻域聯(lián)系在一起，傅立葉變換的形式有幾種，選擇哪種形式的傅立葉變換由工作的具體環(huán)境決定。大多數(shù)信號處理使用離散傅立葉變換（DFT）。DFT是常規(guī)變換的一種變化形式，其中，信號在時域和頻域上均被抽樣。由DFT的定義，時間上波形連續(xù)重復(fù)，因此導(dǎo)致頻域上頻譜的連續(xù)重復(fù)。快速傅立葉變換FFT僅是DFT計算應(yīng)用的一種快速數(shù)學(xué)方法，由于其高效性，使OFDM技術(shù)發(fā)展迅速。對于比較大的系統(tǒng)來說，OFDM復(fù)等效基帶信號可以采用離散傅立葉逆變換（IDFT）方法來實現(xiàn)。為了敘述的簡

5、潔，對于信號以的速率進行抽樣，即令，則得到: (2-1)可以看到等效為對進行IDFT運算。同樣在接收端，為了恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)符號，可以對進行逆變換 ，即DFT得到： (2-2)根據(jù)以上分析可以看到，OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以分別由IDFT和DFT來代替。通過點的IDFT運算，把頻域數(shù)據(jù)符號變換為時域數(shù)據(jù)符號,經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無線信道中。其中每個IDFT輸出的數(shù)據(jù)符號都是由所有子載波信號經(jīng)過疊加而生成的，即對連續(xù)的多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的疊加信號進行抽樣得到的。在OFDM系統(tǒng)的實際運用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立葉變換（IFFT/FFT）。點IDFT運算需要實施次的復(fù)數(shù)乘法，而

6、IFFT可以顯著的降低運算的復(fù)雜度。對于常用的基-2 IFFT算法來說，其復(fù)數(shù)乘法次數(shù)僅為，但是隨著子載波個數(shù)的增加，這種方法復(fù)雜度也會顯著增加。對于子載波數(shù)量非常大的OFDM系統(tǒng)來說，可以進一步采用基-4的IFFT算法來實施傅立葉變換。2、保護間隔、循環(huán)前綴和子載波數(shù)的選擇應(yīng)用OFDM的一個重要原因在于它可以有效的對抗多徑時延擴展。通過把輸入數(shù)據(jù)流串并變換到個并行的子信道中，使得每一個調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)周期可以擴大為原始數(shù)據(jù)符號周期的倍，因此時延擴展與符號周期的數(shù)值比也同樣降低倍。為了最大限度的消除符號間干擾，還可以在每個OFDM符號之間插入保護間隔（Guard Interval）,而且該保護

7、間隔長度一般要大于無線信道中的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。在這段保護間隔內(nèi)可以不插任何信號，即是一段空白的傳輸時段。然而在這種情況下，由于多徑傳播的影響，則會產(chǎn)生載波間干擾（ICI）, 即子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間的產(chǎn)生干擾。這種效應(yīng)可見圖 21。由于每個OFDM符號中都包括所有的非零子載波信號，而且也可同時出現(xiàn)該OFDM符號的時延信號，圖 21給出了第一子載波和第二子載波的時延信號。從圖中可以看到，由于在FFT運算時間長度內(nèi)，第一子載波和第二子載波之間的周期個數(shù)之差不在是整數(shù)，所以當(dāng)接收機試圖對第一個子載波進行解調(diào)時，第二子載波會對第一子

8、載波造成干擾。同樣，當(dāng)接收機對第二子載波進行解調(diào)時，也會存在來自第一子載波的干擾。圖 21 多徑情況下，空閑保護間隔在子載波間造成的干擾在系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率都給定的情況下，OFDM信號的符號速率將遠遠低于單載波的傳輸模式。例如在單載波BPSK調(diào)制模式下，符號速率就相當(dāng)于傳輸?shù)谋忍厮俾剩贠FDM中，系統(tǒng)帶寬由個子載波占用，符號速率則倍低于單載波傳輸模式。正是因為這種低符號速率使OFDM系統(tǒng)可以自然地抵抗多徑傳播導(dǎo)致的符號間干擾（ISI），另外，通過在每個符號的起始位置增加保護間隔可以進一步抵制ISI，還可以減少在接收端的定時偏移錯誤。這種保護間隔是一種循環(huán)復(fù)制，增加了符號的波形長度，在符

9、號的數(shù)據(jù)部分，每一個子載波內(nèi)有一個整數(shù)倍的循環(huán)，此種符號的復(fù)制產(chǎn)生了一個循環(huán)的信號，即將每個OFDM符號的后時間中的樣點復(fù)制到OFDM符號的前面，形成前綴，在交接點沒有任何的間斷。因此將一個符號的尾端復(fù)制并補充到起始點增加了符號時間的長度，圖 22顯示了保護間隔的插入。圖 22 加入保護間隔的OFDM符號符號的總長度為=其中為OFDM符號的總長度，為采樣的保護間隔長度，為FFT變換產(chǎn)生的無保護間隔的OFDM符號長度，則在接收端采樣開始的時刻T x應(yīng)該滿足下式： (2-7)其中是信道的最大多徑時延擴展，當(dāng)采樣滿足該式時，由于前一個符號的干擾只會在存在于0, , 當(dāng)子載波個數(shù)比較大時，OFDM的符

10、號周期相對于信道的脈沖響應(yīng)長度很大，則符號間干擾（ISI）的影響很小，將會沒有符號間干擾（ISI）；而如果相鄰OFDM符號之間的保護間隔滿足的要求，則可以完全克服ISI的影響。同時，由于OFDM延時副本內(nèi)所包含的子載波的周期個數(shù)也為整數(shù)，時延信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生ICI。OFDM系統(tǒng)加入保護間隔之后，會帶來功率和信息速率的損失，其中功率損失可以定義為 (2-9)從上式可以看到，當(dāng)保護間隔占到20時，功率損失也不到1dB。但是帶來的信息速率損失達20。而在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中，由于升余弦濾波也會帶來信息速率（帶寬）的損失，這個損失與滾降系數(shù)有關(guān)。但由于插入保護間隔可以消除ISI和多徑所造成的I

11、CI的影響，因此這個代價是值得的。加入保護間隔之后基于IDFT（IFFT）的OFDM系統(tǒng)框圖可以表示為圖 23。圖 23 加入保護間隔，利用IDFT/DFT實施的OFDM系統(tǒng)框圖通過適當(dāng)選擇子載波個數(shù)，可以使信道響應(yīng)平坦，插入保護間隔還有助于保持子載波之間的正交性，因此OFDM有可能完全消除ISI和多徑帶來的ICI的影響.三、OFDM系統(tǒng)的性能分析在加性高斯白噪聲干擾下的誤碼特性:子載波數(shù):64; 保護間隔大小:16; 調(diào)制方式為QPSK:4; 每幀符號數(shù):5; 仿真幀數(shù):200; 信噪比從0db到12db;如圖所示，用號表示的藍線代表理論分析的誤碼率，其曲線是由Qfunct函數(shù)產(chǎn)生的，由通信

12、原理課程上所學(xué)知識可知，經(jīng)過QPSK調(diào)制的系統(tǒng)在有加性高斯白噪聲干擾下的理論誤碼率公式為。圖中用*號表示的紅線代表實際仿真出來的誤碼率，由于仿真的點數(shù)只有數(shù)量級，所以誤碼率只能仿真到數(shù)量級。由圖中看出，兩條曲線基本吻合，說明經(jīng)過QPSK調(diào)制的OFDM系統(tǒng)在誤碼性能上與原始的QPSK調(diào)制的系統(tǒng)的誤碼性能是一致的，即IFFT與FFT變換不改變系統(tǒng)的誤碼性能。如下圖所示，以號表示的藍線（上方）表示在有多徑衰落情況下的系統(tǒng)誤碼性能，以*號表示的紅線（下方）表示僅有加性高斯白噪聲干擾下的系統(tǒng)誤碼性能。從圖中可以看出，在多徑干擾下的系統(tǒng)誤碼特性比加性高斯白噪聲干擾下的誤碼性能要差許多，這主要是因為多徑時延

13、引起的碼間干擾影響了系統(tǒng)的誤碼特性。多徑衰落中不同時延對系統(tǒng)誤碼性能的影響:下面比較隨著多徑衰落中時延的增大，系統(tǒng)誤碼性能的改變，在此次仿真中，逐漸使時延從4點開始增大，依次為10點，20點，在前兩種情況下時延未超出保護間隔，而第三種情況下，時延已超出保護間隔，仿真結(jié)果如下： 如上圖所示，最下方的線表示多徑時延為4點的情況，中間的線表示多徑時延為10點的情況，最上面的線表示多徑時延為20點的情況。從圖中可以看出，當(dāng)信噪比比較小的時候，這三者的誤碼特性幾乎相同，只有到10db以后，三者的誤碼率才有所區(qū)別，但區(qū)別程度不大。還可從圖中近一步看出，在多徑時延未超出保護間隔的時候，系統(tǒng)誤碼性能比較接近，

14、雖然誤碼率會隨著多徑時延的增大而增大，但增加的幅度很小，而當(dāng)多徑時延大于保護間隔時，系統(tǒng)的誤碼率要比前兩種情況大，而且增加的幅度更大。多徑衰落中不同幅度對系統(tǒng)誤碼性能的影響:下面比較隨著多徑衰落中幅度的增大，系統(tǒng)誤碼性能的改變，在此次仿真中，逐漸使幅度從0.3開始增大，依次為0.4，0.5，仿真結(jié)果如下圖，最下方的線表示多徑衰落中幅度為0.3，中間的線表示多徑衰落幅度為0.4，最上方的線表示多徑衰落為0.5。從圖中可以看出，隨著多徑衰落幅度的增加，系統(tǒng)的誤碼率逐漸變大，而且增加的幅度比較快。對比多徑衰落中時延對誤碼率的影響，可以看出，系統(tǒng)對衰落幅度的敏感程度要遠大于系統(tǒng)對時延大小的敏感程度。因

15、此在以后對OFDM系統(tǒng)分析時，要更加注意考慮多徑衰落的幅度的因素。 不同系統(tǒng)實現(xiàn)方式下的誤碼特性下面比較在系統(tǒng)有保護間隔和無保護間隔時，系統(tǒng)的誤碼特性。四、如圖所示，下方的線表示在系統(tǒng)有保護間隔和循環(huán)編碼下的系統(tǒng)誤碼率，上方的曲線表示在系統(tǒng)無保護間隔下的誤碼率，可以從中看出，當(dāng)系統(tǒng)采用保護間隔措施時，可以在一定程度上克服多徑衰落帶來的信道間干擾，使誤碼率下降，但付出的代價是使系統(tǒng)的容量變小，但與其帶來的誤碼特性的改善相比，是值得的。四、OFDM 技術(shù)特點及應(yīng)用 OFDM 的技術(shù)優(yōu)點(1)把高速率數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增長，從而有效的減少由于無線信道的時間彌散

16、所帶來的ISI，減少了接收機內(nèi)均衡器的復(fù)雜度，有時甚至可以不采用均衡器，而僅僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法消除ISI的不利影響。(2)傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶分為若干個不相交的子頻帶并行傳輸數(shù)據(jù)流，各個子信道之間要保留足夠的保護頻帶而OFDM 系統(tǒng)由于各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM 系統(tǒng)可以最大限度的利用頻譜資源I6當(dāng)子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2BaudHz。(3)各個子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可以通過采用離散傅立葉反變換(IDFT)和離散傅立葉變換(DFT)的方法實現(xiàn)，在子載波很大的系統(tǒng)中，可以通過采用快速傅立葉變換(F

17、FT)來實現(xiàn)。而隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與DSP技術(shù)的發(fā)展，快速傅立葉反變換(IFFT)與FFT都是非常容易實現(xiàn)的。(4)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般存在非對稱性，即下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量要大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，這就要求物理層支持非對稱高速率數(shù)據(jù)傳輸，OFDM 系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中的不同傳輸速率。(5)OFDM易于和其他多種接人方法結(jié)合使用，構(gòu)成OFDMA系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址技術(shù)MCCDMA、調(diào)頻OFDM 以及OFDMTDMA 等等，使得多個用戶可以同時利用OFDM技術(shù)進行信息的傳輸。OFDM 系統(tǒng)的缺點(1)易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就

18、對它們之間的正交性提出了嚴格的要求由于無線信道的時變性，在傳輸過程中出現(xiàn)的無線信號頻譜偏移或發(fā)射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會使OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致子信道間干擾(IC1)，這種對頻率偏差的敏感性是OFDM 系統(tǒng)的主要缺點。(2)存在較高的峰值平均功率比。多載波系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠高于信號的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比(PAPR，PeaktoAverage Radio)這就對發(fā)射機內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求，因此可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。OFDM 技術(shù)的應(yīng)用最近，OFDM 已有很多應(yīng)用實例。在歐洲如ETSI標(biāo)