基于matlab的ofdm通信系統(tǒng)模型的仿真研究 畢業(yè)論文

1、<p>　　基于MATLAB的OFDM通信系統(tǒng)模型的仿真研究 畢業(yè)論文</p><p><b>　　畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) </b></p><p>　　題 目：基于MATLAB 的OFDM 通信系統(tǒng)模型的仿真 </p><p>　　學(xué)生姓名： 崔 劍 </p><p>　　學(xué)

2、 號(hào)：_ </p><p><b>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　完成時(shí)間： 2012 年4 月1 日 </p><p>　　請(qǐng)勿抄襲，僅供網(wǎng)友參考。版權(quán)屬作者所有 </p><p><b>　　目

3、 錄 </b></p><p>　　作者：崔 劍 1 </p><p>　　摘 要……………………………………………………………………… ……….2 </p><p>　　Title: MATLAB Simulation and Performance An

4、alysis of OFDM System </p><p>　　ABSTRACT…………………………… …………………………… ………………...3 </p><p>　　第1 章 緒 論…………………………………………………… ………………….4 </p><p>　　1.1 課題背景…………………………………………………… …………..…..…4 </

5、p><p>　　1.2 OFDM 的發(fā)展及其現(xiàn)狀…………………………………… ………………..…4 </p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)……………………………………………………… ……………..5 </p><p>　　1.4 本文的工作……………………………………………………… ……………5 </p&g

6、t;<p>　　第2 章 OFDM 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………..… …….6 </p><p>　　2.1 OFDM 系統(tǒng)模型的建立………………………………………………… ….….6 </p><p>　　2.1.1 基于IFFT/FFT 的OFDM 系統(tǒng)模型……………………………. ……….6 </p><p>　　2.1.2

7、 無(wú)線(xiàn)信道衰落的特征及模型……………………………………… .…..9 </p><p>　　2.2 OFDM 系統(tǒng)分析………………………………………………………… ……..9 </p><p>　　2.2.1 無(wú)線(xiàn)信道衰落特征………………………………………………… .….9 </p><p>　　2.2.2 小尺度衰落分析………………………………………………..…

8、 ….10 </p><p>　　2.2.3 OFDM 信號(hào)的頻譜特性…………………………………….……….. …12 </p><p>　　2.3 OFDM 系統(tǒng)的特點(diǎn)……………………………………………….……….. …13 </p><p>　　2.3.1 OFDM 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)…………………………………………..…….… …13 </p><

9、;p>　　2.3.2 OFDM 系統(tǒng)的缺陷………………………………………..……….… …14 </p><p>　　第3 章 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及研究……………………………………..… …15 </p><p>　　3.1 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)…………………………………………….….…15 &l

10、t;/p><p>　　3.1.1 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)原理……………… …………..…………..15 </p><p>　　3.1.2 OFDM 系統(tǒng)中的FFT/IFFT………………………..……………… ……16 </p><p>　　3.1.3 OFDM 系統(tǒng)中的保護(hù)間隔（GI）和循環(huán)前綴（CP）……….…….…

11、 18 </p><p>　　3.1.4 加窗……………………………………………………………..……. 18 </p><p>　　3.2 循環(huán)前綴及信道估計(jì)對(duì)系統(tǒng)誤碼率的改善分析………………….………. 22 </p><p>　　3．2．1循環(huán)前綴………………………………………………………..…….22 &l

12、t;/p><p>　　3．2．2 OFDM 系統(tǒng)的峰值平均功率比………………………………....…. 26 </p><p>　　3.3 信道估計(jì)………………………………………………….………………... 27 </p><p>　　3.3.1 信道估計(jì)概述……………………………………………………..…… 27 </p><p>　　3.3.2

13、基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方法……………………………………….…… .28 </p><p>　　3.3.3 信道的插值方法……………………………………………..….……. 28 </p><p>　　第4 章 MATLAB 仿真 …………………………… …………………...……… …..29 </p><p>　　4.1 OFDM 實(shí)現(xiàn)方式的計(jì)算機(jī)仿真……………… ………

14、……….………….….29 </p><p>　　4.2 仿真結(jié)果及分析………………………………………………….………. .31 </p><p>　　結(jié) 論…………………………………………………………………………….. .32 </p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………….……… ..33 </p><p&

15、gt;　　致 謝………………………………………………………………………….… .33 </p><p>　　附 錄 仿真過(guò)程中用到的程序 …………………………………………….… .34 </p><p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　正交頻分復(fù)用 OFDM 是第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。該文首先簡(jiǎn)要介紹了 <

16、/p><p>　　作者：崔 劍 2 </p><p>　　OFDM的發(fā)展?fàn)顩r及基本原理, 文章對(duì)OFDM 系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了解析，得 </p><p>　　到了OFDM 符號(hào)的一般表達(dá)式，給出了OFDM 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)公式和加窗技術(shù)的原理 </p><p>　　及基于IF

17、FT/FFT 實(shí)現(xiàn)的OFDM 系統(tǒng)模型，闡述了運(yùn)用IDFT 和DFT 實(shí)現(xiàn)OFDM 系統(tǒng) </p><p>　　的根源所在,重點(diǎn)研究了理想同步情況下,保護(hù)時(shí)隙 CP 、加循環(huán)前綴前后和不同 </p><p>　　的信道內(nèi)插方法在高斯信道和多徑瑞利衰落信道下對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響。在給 </p><p>　　出OFDM系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,用MATLAB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了傳輸系

18、統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)仿真并給出 </p><p>　　參考設(shè)計(jì)程序。最后給出在不同的信道條件下,研究保護(hù)時(shí)隙、循環(huán)前綴、信道 </p><p>　　采用LS估計(jì)方法對(duì)OFDM系統(tǒng)誤碼率影響的比較曲線(xiàn),得出了較理想的結(jié)論。 </p><p>　　關(guān)鍵詞: 正交頻分復(fù)用;仿真;循環(huán)前綴;信道估計(jì) </p><p>　　Title: M

19、ATLAB Simulation and Performance Analysis of OFDM System </p><p>　　作者：崔 劍 3 </p><p><b>　　ABSTRACT </b></p><p>　　OFDM is the key

20、 technology of 4G in the field of mobile communication. In this </p><p>　　article OFDM basic principle is briefly introduced. This paper analyzes the modulation </p><p>　　

21、and demodulation of OFDM system, obtaining a general expression of OFDM mark, </p><p>　　and giving the design formulas of system parameters, principle of windowing </p><

22、p>　　technique, OFDM system model based on IFFT/FFT, the origin which achieves the </p><p>　　OFDM system by using IDFT and DFT. Then, the influence of CP and dif

23、ferent </p><p>　　channel estimation on the system performance is emphatically analyzed respectively in </p><p>　　Gauss and Rayleigh fading channels in the condition of ideal synchronization. Bes

24、ides, </p><p>　　based on the given system model OFDM system is computer simulated with </p><p>　　MATLAB language and the referential design procedure

25、 is given. Finally, the BER </p><p>　　curves of CP and channel estimation are given and compared. The conclusion is </p><p>　　satisfactory. </p><p>

26、;　　KEYWORDS: OFDM; Simulation; CP; Channel estimation </p><p>　　作者：崔 劍 4 </p><p><b>　　第1 章 緒 論 </b></p><p>

27、;　　隨著移動(dòng)通信和無(wú)線(xiàn)因特網(wǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，越來(lái)越需要高速無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)設(shè) </p><p>　　計(jì)，而這其中的一個(gè)最直接的挑戰(zhàn)就是克服無(wú)線(xiàn)信道帶來(lái)的嚴(yán)重的頻率選擇性衰 </p><p>　　落。正交頻分復(fù)用 （OFDM ）技術(shù)可以很好地克服無(wú)線(xiàn)信道的頻率選擇性衰落， </p><p>　　由于其簡(jiǎn)單高效，OFDM 已成為實(shí)現(xiàn)未來(lái)無(wú)線(xiàn)高速通信系統(tǒng)中最核心的技術(shù)之一。 &

28、lt;/p><p>　　1.1 課題背景 </p><p>　　現(xiàn)代移動(dòng)通信發(fā)展至今，已經(jīng)經(jīng)歷了三代，而3G 的后續(xù)技術(shù)也在加速研究 </p><p>　　中。目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織正在推動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)從2Mb/s 的傳輸速率向100Mb/s </p>

29、<p>　　和1000Mb/s 的目標(biāo)發(fā)展，對(duì)4G 的定義也已經(jīng)逐漸清晰起來(lái)。基本上可以確定， </p><p>　　OFDM/OFDMA、MIMO和智能天線(xiàn)等技術(shù)將成為4G 的主流技術(shù)。OFDM 相關(guān) </p><p>　　的技術(shù)很多，實(shí)際應(yīng)用中的OFDM

30、 復(fù)雜度很高。因此， 建立適合自己研究方向 </p><p>　　的OFDM 模型， 無(wú)論是為了理解OFDM 技術(shù)的理論，還是對(duì)后續(xù)的OFDM 與 </p><p>　　其他技術(shù)相結(jié)合的研究工作，都有著非常重要意義。 </p><p>　　OFDM是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù),它利用載波間的正交性進(jìn)

31、一步提高頻 </p><p>　　譜利用率,而且可以抗窄帶干擾和多徑衰落。多載波調(diào)制原理最早在20 世紀(jì)60 </p><p>　　年代中期由Collins kinep lex 提出。70 年代,主要用于美國(guó)軍用無(wú)線(xiàn)高頻通信系 </p><p>　　統(tǒng);80 年代,OFDM

32、的研究主要用在高速調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字移動(dòng)通信及高密度錄音 </p><p>　　帶中;90 年代以后,OFDM主要用在非對(duì)稱(chēng)的數(shù)字用戶(hù)環(huán)路 ADSL 、ETSI 標(biāo)準(zhǔn) </p><p>　　的數(shù)字音廣播 DAB 、數(shù)字視頻廣播 DVB 、高清晰度電視 HDTV 、無(wú)線(xiàn)

33、局 </p><p>　　域網(wǎng) WLAN 等。OFDM 與CDMA 技術(shù)結(jié)合主要有兩種形式, 一種是多載波 </p><p>　　CDMA MC-CDMA , 一種是多載波直擴(kuò)CDMA MC-DS-CDMA 。前者是頻域 </p><p>　　擴(kuò)展和多載波調(diào)制技術(shù)相結(jié)合,后者是時(shí)域擴(kuò)展和多載波調(diào)制技術(shù)相結(jié)合。 &l

34、t;/p><p>　　OFDM通過(guò)多個(gè)正交的子載波將串行的數(shù)據(jù)并行傳輸,可以增大碼元的寬度, </p><p>　　減少單個(gè)碼元占用的頻帶,抵抗多徑引起的頻率選擇性衰落;可以有效克服碼間 </p><p>　　串?dāng)_ ISI ,降低系統(tǒng)對(duì)均衡技術(shù)的要求,適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù) </p><p>　　據(jù)傳輸;而且信道利用率很高,

35、這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中尤為重要。這 </p><p>　　些方案都是基于OFDM 之上的, 因此, 研究OFDM系統(tǒng)的性能就顯得非常必要。 </p><p>　　本文首先簡(jiǎn)要介紹OFDM基本原理,在這個(gè)基礎(chǔ)上建立了OFDM仿真模型,然后通 </p><p>　　過(guò)加保護(hù)時(shí)隙及進(jìn)行信道估計(jì), 分析OFDM 系統(tǒng)在

36、AWGN和多徑Rayleigh衰落信 </p><p>　　道下不用的插入算法的性能,最后給出仿真結(jié)果。 </p><p>　　1.2 OFDM 的發(fā)展及其現(xiàn)狀 </p><p>　　OFDM 是一種特殊的多載波頻分復(fù)用 FDM 技術(shù)。在傳統(tǒng)的多載波頻分復(fù)用 </p><p>　　系統(tǒng)中，各個(gè)子信道采用不同的載波并行傳送數(shù)據(jù)，子載波之間間

37、隔足夠遠(yuǎn)，采 </p><p>　　用隔離帶來(lái)防止頻譜重疊，故頻譜效率很低。在均衡器未被采用以前，人們就是 </p><p>　　用這種多載波方式在時(shí)間色散信道中進(jìn)行高速通信的。 </p><p>　　作者：崔 劍 5 </p><p>　　1966 年，R.W.Chan

38、g 分析了在多載波通信系統(tǒng)中如何使經(jīng)過(guò)濾波后帶限的子 </p><p>　　載波保持正交。隨后不久B.R.Saltzberg 給出了一篇性能分析的文章，他指出在設(shè) </p><p>　　計(jì)一個(gè)有效的并行傳輸系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該把注意力更多地集中在減少相鄰信道的串?dāng)_ </p><p>　　上，而不是使各個(gè)獨(dú)立的信道工作得更好，因?yàn)榇藭r(shí)信道串?dāng)_是造成信號(hào)失真的 </p&g

39、t;<p>　　主要因素。1971 年，S.B.Weinstein 和 P.M.Ebert 提出用傅立葉變換 DFT 進(jìn)基帶 </p><p>　　OFDM 調(diào)制和解調(diào)。通過(guò)DFT 進(jìn)行OFDM 基帶調(diào)制和解調(diào)避免了生成多個(gè)子載 </p><p>　　波和多個(gè)窄帶帶通濾波器，使系統(tǒng)的模擬前端由多個(gè)變?yōu)橐粋€(gè)，同時(shí)由于DFT 可 </p><p>　　

40、以用FFT 來(lái)快速實(shí)現(xiàn)，這進(jìn)一步降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。為對(duì)抗符號(hào)間干擾和 </p><p>　　載波聞干擾，他們提出在符號(hào)間插入一段空白時(shí)隙作為保護(hù)間隔。他們的系統(tǒng)雖 </p><p>　　然沒(méi)有能在色散信道中獲得很好的子載波正交性，但對(duì) OFDM 仍是一個(gè)很大貢 </p><p>　　獻(xiàn)。另一個(gè)重要貢

41、獻(xiàn)來(lái)自A.Peled 和A.Rmz ，他個(gè)人提出了采用循環(huán)前綴來(lái)解決 </p><p>　　色散信道中子載波間的正交性問(wèn)題。當(dāng)信道響應(yīng)長(zhǎng)度小于循環(huán)擴(kuò)展時(shí)，循環(huán)前綴 </p><p>　　的存在使信號(hào)與信道響應(yīng)的線(xiàn)性卷積變成循環(huán)卷積，從而使色散OFDM 信號(hào)可以 </p><p>　　通過(guò)頻域單點(diǎn)均衡進(jìn)行去相關(guān)。當(dāng)然，循環(huán)擴(kuò)展的引入會(huì)導(dǎo)致少量的信噪比損失。 </

42、p><p>　　由于無(wú)線(xiàn)信道的多徑傳播會(huì)使寬帶OFDM 信號(hào)產(chǎn)生頻率選擇性衰落，導(dǎo)致各個(gè)子 </p><p>　　信道上的信噪比不同，因此實(shí)際的OFDM 系統(tǒng)都是與交織、糾錯(cuò)編碼結(jié)合在一起， </p><p>　　形成編碼的正交頻分復(fù)用 COFDM 。交織和編碼能夠使OFDM 系統(tǒng)獲得良好的 </p><p>　　頻率和時(shí)間二維分集。 </

43、p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)指標(biāo) </p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)基于Matlab 的OFDM 通信系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下。 </p><p>　　1. 采用數(shù)字信號(hào)（DSP ）技術(shù)――快速傅里葉變換（FFT ）來(lái)實(shí)現(xiàn)； </p><p>　　2. 基于IFFT/FFT 的OFDM 兩種系統(tǒng)模型； </p>&l

44、t;p>　　3. 基于導(dǎo)頻的信道估計(jì); </p><p>　　4. 。循環(huán)前綴及信道估計(jì)對(duì)系統(tǒng)誤碼率的改善 </p><p>　　1.4 本文的工作 </p><p>　　詳細(xì)分析課題任務(wù)，對(duì)OFDM通信的歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)OFDM通信 </p><p>　　的原理進(jìn)行了深入的研究，并將其綜合。然后根據(jù)課題任務(wù)的要求在OFDM仿

45、真 </p><p>　　作者：崔 劍 6 </p><p>　　模型的基礎(chǔ)上用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)出OFDM發(fā)送、信道及接收整個(gè)系統(tǒng)上的仿真 </p><p>　　圖形,在系統(tǒng)仿真正確的前提下,對(duì)在OFDM信道上加上窗函數(shù)前后以及加上循環(huán) </p><p>　　前綴后，

46、采用不同的內(nèi)插方法接收信號(hào)的改善程度進(jìn)行了研究，得出預(yù)想的結(jié)果。 </p><p>　　第2 章 OFDM 的系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　2.1 OFDM系統(tǒng)模型的建立 </p><p>　　2.1.1基于IFFT/FFT 的OFDM 系統(tǒng)模型 </p><p>　　基于IFFT/FFT 實(shí)現(xiàn)的OFDM 系統(tǒng)方框圖如圖

47、2. 1.1 所示 </p><p>　　S/ IFFT P/ 加 D 上 </p><p><b>　　二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特 </b></p><p>　　P 變換 S CP / 變 </p><p>　　

48、變 變 A 頻 </p><p>　　換 換 </p><p><b>　　信 </b></p><p><b>　　道 </b></p><p>　　頻域 時(shí)域

49、 噪聲 </p><p>　　信 P/ 信 FFT S/ 去 A </p><p>　　二進(jìn)制 下 </p><p>　　道 S

50、 道 變換 P CP / </p><p>　　數(shù)據(jù) 變 </p><p>　　解 變 均 變 D </p>&

51、lt;p>　　比特 頻 </p><p>　　碼 換 衡 換 </p><p>　　圖2.1.1 IFFT/FFT 實(shí)現(xiàn)的OFDM 系統(tǒng) </p><p>　　圖2

52、.1.1中串行輸入數(shù)據(jù)為經(jīng)過(guò)信道編碼后的序列（如Turbo碼），將該序列轉(zhuǎn) </p><p>　　換成包含R個(gè)比特的塊，每塊再分成N個(gè)組，每個(gè)組對(duì)應(yīng)一個(gè)子載波。根據(jù)所采用 </p><p><b>　　m </b></p><p>　　調(diào)制方式的不同，每個(gè)組包含的比特?cái)?shù)可以不同,設(shè)第K 組

53、的比特?cái)?shù)為 , 則有 </p><p><b>　　k </b></p><p><b>　　No </b></p><p>　　mk R m </p><p>　　? 采用ASK、PSK、QAM等調(diào)制方

54、式將這 個(gè)比特映射成復(fù)值符號(hào)。 </p><p>　　0 k </p><p><b>　　k 1 </b></p><p>　　作者：崔 劍 7 </p><p>　　除

55、了上述經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)制的信息符號(hào)外，還有 個(gè)不需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)制的用 </p><p><b>　　NP </b></p><p>　　于同步與信道估計(jì)的導(dǎo)頻符號(hào)，一共有N v N d ?N p 組有用數(shù)據(jù)。在適當(dāng)?shù)奈?</p><p>　　置上添加一定數(shù)量的零使得總的信息符號(hào)個(gè)數(shù)為剛好大

56、于N 的2 的整數(shù)冪，記為 </p><p>　　N ，即有N ?N 0 個(gè)子信道不用，其上傳輸?shù)膹?fù)值符號(hào)為0 。這樣處理的目的一方 </p><p>　　面是為了采用IFFT FFT ，另一方面是為了防止譜外泄。對(duì)于連續(xù)的OFDM信號(hào) </p><p>

57、　　模型，假設(shè)系統(tǒng)的總帶寬是 ，OFDM碼元周期為 ， 為保護(hù)間隔。一個(gè)OFDM </p><p>　　W TS Tg </p><p>　　復(fù)值基帶碼元可以表示為： </p><p><b>　　N ?1 </b></p><p>　　Sa t ?S ?

58、t 2.1 </p><p><b>　　K K </b></p><p><b>　　K 0 </b></p><p><b>　　T </b></p><p>　　式 （2.1 ）中的信號(hào)以1/Δ （Δt T /

59、 N ）的速率從時(shí)刻 開(kāi)始采樣，所得的N 個(gè) </p><p><b>　　g </b></p><p><b>　　樣本為： </b></p><p><b>　　1 N ?1 </b></p><p&

60、gt;　　S [n] S T ?n?t ?S ej 2f n?t </p><p>　　a g k </p><p><b>　　T K 0 </b></p><p><b>　　1 N ?1 </b></p><p>　　?

61、Skej 2?k?f nT N </p><p><b>　　T k o </b></p><p>　　1 N ?1 j 2?kn </p><p>　　?S e N , k 0，1,2，3.......N-1 2.2 </p><p><b>　　k </b>&

62、lt;/p><p><b>　　T k 0 </b></p><p>　　N ?1 N ?1 </p><p><b>　　N </b></p><p>　　顯然，這 個(gè)樣值 ? ?與序列S ? ? 的IDFT ，除了系數(shù)外完全一 </p><p&

63、gt;<b>　　? ? </b></p><p>　　S n S </p><p>　　n 0 k n 0 </p><p>　　樣。由于對(duì)每個(gè)連續(xù)OFDM 碼元采樣N 個(gè)樣本，正好滿(mǎn)足Nyquist 采樣定理，所 </p&

64、gt;<p>　　以可以通過(guò)這些樣值重構(gòu)原始的連續(xù)信號(hào)。這樣樣值可以通過(guò)IDFT 來(lái)得到，這 </p><p>　　就是用IDFT 和DFT 可以實(shí)現(xiàn)OFDM 系統(tǒng)的根源。下面給出OFDM載波的幅度譜 </p><p>　　和相位譜，分別如下圖2.

65、1.2和圖2.1.3所示 </p><p>　　作者：崔 劍 8 </p><p>　　OFDM Carrier Frequency Magnitude </p><p><b>　　1.5 </b></p><p><b>

66、　　1 </b></p><p><b>　　e </b></p><p><b>　　d </b></p><p><b>　　u </b></p><p><b>　　t </b></p><p><b>

67、　　i 0.5 </b></p><p><b>　　n </b></p><p><b>　　g </b></p><p><b>　　a </b></p><p><b>　　M </b></p><p><

68、;b>　　0 </b></p><p><b>　　-0.5 </b></p><p>　　0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 </p><p><b>　　IFF

69、T Bin </b></p><p>　　圖2.1.2 OFDM載波幅度譜 </p><p>　　OFDM Carrier Phase </p><p><b>　　200 </b></p><p><b>　　150 </b></p><p><b>

70、　　100 </b></p><p><b>　　50 </b></p><p><b>　　s </b></p><p><b>　　e </b></p><p><b>　　e </b></p><p><b&

71、gt;　　r </b></p><p><b>　　g </b></p><p><b>　　e </b></p><p><b>　　d 0 </b></p><p><b>　　e </b></p><p>

72、<b>　　s </b></p><p><b>　　a </b></p><p><b>　　h </b></p><p><b>　　P </b></p><p><b>　　-50 </b></p><p&g

73、t;<b>　　-100 </b></p><p><b>　　-150 </b></p><p><b>　　-200 </b></p><p>　　0 200 400 600 800 1000 1200 1400 160

74、0 1800 2000 </p><p><b>　　IFFT Bin </b></p><p>　　圖2.1.3 OFDM載波相位譜 </p><p>　　作者：崔 劍 9 </p><

75、p>　　2.1.2 無(wú)線(xiàn)信道衰落的特征及模型 </p><p>　　無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的性能主要受到無(wú)線(xiàn)信道的制約，當(dāng)信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳播 </p><p>　　時(shí)，其衰落類(lèi)型決定于發(fā)送信號(hào)特性及信道特性。信號(hào)參數(shù)與信道參數(shù)決定了不 </p><p>　　同的發(fā)送信號(hào)將經(jīng)歷不同類(lèi)型的衰落。分析無(wú)線(xiàn)信道的特征有助于我們找出影響 </p><p>

76、;　　無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)性能的因素并制定應(yīng)對(duì)措施。 </p><p>　　2.2 OFDM 系統(tǒng)分析 </p><p>　　2.2.1 無(wú)線(xiàn)信道衰落特征 </p><p>　　無(wú)線(xiàn)信道對(duì)信號(hào)的衰減作用使接收信號(hào)的功率減小，它由傳播的路徑長(zhǎng)度、直達(dá) </p><p>　　信號(hào)路徑中的障礙情況決定，任何阻擋在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的障礙都會(huì)引起信 <

77、/p><p>　　號(hào)功率的衰減。對(duì)于無(wú)線(xiàn)信道對(duì)接收信號(hào)造成的影響，我們可以按照大尺度效應(yīng) </p><p>　　Large-Scale Effects 和小尺度效應(yīng) small-Scale Effects 從統(tǒng)計(jì)特性上來(lái)加以分別討 </p><p><b>　　論。 </b></p><p>　　當(dāng)接收機(jī)處于空間某一位置時(shí)，

78、它在該位置附近接收到的信號(hào)功率的本地平 </p><p>　　均值 Local Mean 將受到大尺度效應(yīng)的影響，這些影響包括視距 Line-of-sight ， </p><p>　　LOS 路徑損耗、陰影 Shadowing 衰落等效應(yīng)。 </p><p><b>　　1 路徑損耗 </b></p><p>　　當(dāng)

79、發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離在較大尺度上 數(shù)百米或數(shù)千米 變化時(shí)，接收 </p><p>　　信號(hào)的平均功率值與信號(hào)傳播距離 d 的n 次方成反比。n 稱(chēng)為路徑損耗指數(shù)，n </p><p>　　值的大小由具體的傳輸環(huán)境決定。對(duì)于自由空間的電波傳播，n 取2。 </p><p><b>　　2 陰影衰落 </b></p><

80、;p>　　電磁波在空間傳播時(shí)受到地形起伏、高大建筑物的阻擋，在這些障礙物后面 </p><p>　　會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影，造成場(chǎng)強(qiáng)中值的變化，從而引起信號(hào)衰減，稱(chēng)作陰影衰落。 </p><p>　　陰影衰落是以較大的空間尺度來(lái)衡量的，其統(tǒng)計(jì)特性通常符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。路 </p><p>　　徑損耗與陰影損耗合并在一起反映了無(wú)線(xiàn)信道在大尺度上對(duì)傳輸信號(hào)的影響，稱(chēng)

81、</p><p>　　之為大尺度衰落。因?yàn)檫@種衰落對(duì)信號(hào)的影響反映為信號(hào)隨傳播距離的增加而緩 </p><p>　　慢起伏變化，所以也稱(chēng)慢衰落。 </p><p>　　小尺度衰落 small-scale Fading 反映的是傳輸距離在較小的尺度上 數(shù)個(gè)波 </p><p>　　長(zhǎng) 變化時(shí)，接收信號(hào)電平均值變化趨勢(shì)。引起小尺度衰落

82、的原因主要有兩個(gè): 多 </p><p>　　徑效應(yīng) Multipath propagation 和多普勒效應(yīng) Doppler effect 。 </p><p>　　1 多徑效應(yīng) Multipath propagation </p><p>　　在無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境中，到達(dá)接收機(jī)天線(xiàn)的信號(hào)不是沿單一路徑而來(lái)，而是來(lái)自不同 </p><p>　　

83、傳播路徑的信號(hào)之和，這就是多徑效應(yīng)。多徑分量到達(dá)時(shí)間、信號(hào)相位都不同， </p><p>　　多個(gè)分量在接收端疊加，接收信號(hào)的幅度會(huì)發(fā)生快速變化，即產(chǎn)生衰落，稱(chēng)為多 </p><p>　　徑衰落 Multipath fading 。 </p><p>　　作者：崔 劍 10 </p>

84、<p>　　2 多普勒效應(yīng) Doppler effect </p><p>　　多普勒效應(yīng) Doppler effect 是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或者信 </p><p>　　道路徑中物體的運(yùn)動(dòng)引起的。這種移動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)的頻率發(fā)生偏移，即多 </p><p>　　普勒頻移 Doppler shift ，產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展 頻率色散 ，

85、造成信道的時(shí)變特性 Time </p><p>　　Variance 。 </p><p>　　2.2.2 小尺度衰落分析 </p><p>　　瑞利衰落分布和萊斯衰落分布都是用于描述小尺度衰落的統(tǒng)計(jì)特性。 </p><p>　　由于無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道里的多徑現(xiàn)象，使得接收信號(hào)的包絡(luò)呈現(xiàn)隨機(jī)性，其包絡(luò) </p><p>　

86、　一般服從瑞利 Rayleigh 衰落分布和萊斯 Rice 衰落分布。在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道中，瑞 </p><p>　　利衰落分布常見(jiàn)的是用于描述平坦衰落信號(hào)或獨(dú)立多徑分量接收中包絡(luò)時(shí)變統(tǒng) </p><p>　　計(jì)特性的一種衰落類(lèi)型;萊斯衰落分布是由于在瑞利衰落分布的基礎(chǔ)上，存在一條 </p><p>　　直射路徑的影響而造成的。 </p><p>

87、;<b>　　1 瑞利衰落分布 </b></p><p>　　瑞利分布是用于描述平坦衰落或獨(dú)立多徑分量情況下接收信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特 </p><p>　　性的一種典型分布類(lèi)型。 </p><p>　　典型的陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)都是存在多徑衰落的。如果各條路徑信號(hào)的幅值和 </p><p>　　到達(dá)接收天線(xiàn)的方位角是隨機(jī)的且是統(tǒng)計(jì)

88、獨(dú)立的，則接收信號(hào)的包絡(luò)服從瑞利 </p><p>　　Rayleigh 分布。 </p><p>　　瑞利衰落的幅度x （t）概率密度函數(shù)可用公式（2.1）表示 </p><p>　　式中，x 小于零時(shí)p x 為零，錯(cuò)誤！未找到引用源。表示包絡(luò)檢波前接收電 </p><p>　　波電壓信號(hào)的有效值 rms ，錯(cuò)誤！未找到引用源。是包絡(luò)檢

89、波前的接收信號(hào)包絡(luò) </p><p><b>　　的時(shí)間平均功率。 </b></p><p>　　其概率分布函數(shù)可用式 2.2 表示 </p><p>　　因此，瑞利分布的均值為 </p><p>　　作者：崔 劍 11 </p><

90、;p><b>　　均方根值為 </b></p><p><b>　　方差為 </b></p><p>　　錯(cuò)誤！未找到引用源。 （2.5） </p><p>　　其中值由式錯(cuò)誤！未找到引用源。解出。 </p><p>　　若用中值表示概率分布函數(shù)則有 <

91、/p><p>　　比較式 2.6 、 2.3 可以看出瑞利衰落信號(hào)均值與中值僅相差0.55dB。 </p><p>　　相位錯(cuò)誤！未找到引用源。服從均勻分布，即 </p><p><b>　　2 萊斯衰落分布 </b></p><p>　　萊斯衰落分布幅度x t 概率分布函數(shù)可用式 2.9 表示 </p>&l

92、t;p>　　相位錯(cuò)誤！未找到引用源。分布可表示為 </p><p>　　錯(cuò)誤！未找到引用源。 式中，參數(shù)A 指主信號(hào)幅度的峰值;錯(cuò)誤！未找到引 </p><p>　　用源。是第一類(lèi)零階Bessel 函數(shù);erf 是誤 </p><p>　　作者：崔 劍 12

93、 </p><p>　　差函數(shù):錯(cuò)誤！未找到引用源。。 </p><p>　　萊斯分布常用參數(shù)K 來(lái)描述，K 定義為確定信號(hào)的功率與多徑分量方差之比 </p><p>　　錯(cuò)誤！未找到引用源。，或用dB 表示為 </p><p>　　參數(shù)K 是萊斯因子，完全確定了萊斯分布。當(dāng)錯(cuò)誤！未找到引用源。，且主信號(hào)幅度減少時(shí)， </p>

94、<p>　　萊斯分布轉(zhuǎn)化為瑞利分布。因此，瑞利衰落分布是萊斯衰落分布的一個(gè)特例,萊斯分布是瑞利 </p><p><b>　　分布的一個(gè)擴(kuò)展。 </b></p><p>　　2.2.3 OFDM 信號(hào)的頻譜特性 </p><p>　　當(dāng)各個(gè)子載波用QAM或MPSK進(jìn)行調(diào)制時(shí)，如果基帶信號(hào)采用矩形波形，則 </p><

95、;p>　　S x 2 T HZ T </p><p>　　每個(gè)子信道上已調(diào)的頻譜為 形狀，其主瓣寬度為 ，其中 為OFDM </p><p>　　a S S </p>&l

96、t;p><b>　　T </b></p><p>　　信號(hào)長(zhǎng)度（不包括CP ）。由于在 時(shí)間內(nèi)共有OFDM信號(hào)的N個(gè)抽樣，所以O(shè)FDM </p><p><b>　　S </b></p><p>　　信號(hào)的時(shí)域信號(hào)的抽樣周期為T(mén)S N 。由于相鄰子載波之間的頻率間隔為 <

97、/p><p>　　?f f s N ，所以 </p><p>　　?f f s N 1 TS </p><p>　　即這些已調(diào)子載波信號(hào)頻譜S a x 函數(shù)的主瓣寬度為2 TS ,間隔為1 TS 。根據(jù) </p><p>　　函數(shù)性質(zhì)，知道它們?cè)陬l域上正交，這就是正交頻分復(fù)用 （OF

98、DM ）名稱(chēng)的由來(lái)。 </p><p>　　一般的頻分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的各個(gè)子信道之間要有一定的保護(hù)頻帶，一便在接 </p><p>　　收端可以用帶通濾波器分離出各個(gè)信道的信號(hào)。保護(hù)頻帶降低了整個(gè)系統(tǒng)的頻譜 </p><p>　　利用率。OFDM系統(tǒng)的子系統(tǒng)間不但沒(méi)有保護(hù)頻帶，而且各個(gè)信道的信號(hào)頻譜還 </p><p>　　相互重疊。如圖2.2

99、. 1所示： </p><p>　　作者：崔 劍 13 </p><p>　　圖2.2. 1 OFDM信號(hào)正交性的頻域解釋示意圖 </p><p>　　這使得OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率相比普通頻分復(fù)用系統(tǒng)有很大的提高，而各 </p><p>　　子載波可以采用頻譜效率高的QA

100、M和MPSK調(diào)制方式，進(jìn)一步提高OFDM系統(tǒng)的 </p><p><b>　　頻譜效率。 </b></p><p>　　2.3 OFDM 系統(tǒng)的特點(diǎn) </p><p>　　2.3.1 OFDM 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) </p><p>　　1）在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。 </p><p>　　OFDM

101、 技術(shù)能同時(shí)分開(kāi)至少 1000 個(gè)數(shù)字信號(hào)，而且在干擾的信號(hào)周?chē)梢?</p><p>　　安全運(yùn)行的能力將直接威脅到目前市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始流行的 CDMA 技術(shù)的進(jìn)一步發(fā) </p><p>　　展壯大的態(tài)勢(shì)，正是由于具有了這種特殊的信號(hào)“穿透能力”使得 OFDM 技術(shù)深 </p><p>　　受歐洲通信營(yíng)運(yùn)商以及手機(jī)生產(chǎn)商的喜愛(ài)和歡迎，例如加利福尼亞 Cisco 系

102、統(tǒng)公 </p><p>　　司、紐約Flarion 工學(xué)院以及朗訊工學(xué)院等開(kāi)始使用，在加拿大 Wi-LAN 工學(xué)院 </p><p>　　也開(kāi)始使用這項(xiàng)技術(shù)。 </p><p>　　（2）OFDM 技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化。 </p><p>　　由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM 能動(dòng)態(tài)地

103、與之 </p><p>　　相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信。 </p><p>　　（3）該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào) </p><p>　　衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來(lái)使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通 </p><p><b>　　信。 </b><

104、;/p><p>　?。?）OFDM 技術(shù)特別適合使用在高層建筑、居民密集和地理上突出的地方 </p><p>　　以及將信號(hào)散播的地區(qū)。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語(yǔ)音廣播都希望降低多徑效應(yīng)對(duì) </p><p><b>　　信號(hào)的影響。 </b></p><p>　　作者：崔 劍

105、 14 </p><p>　?。?）可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的 </p><p>　　高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，只有落在頻帶 </p><p>　　凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總 </p><p>　　的誤碼率性能

106、要好得多。 </p><p>　?。?）通過(guò)各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。OFDM 技術(shù)本身 </p><p>　　已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒(méi)有必要再加時(shí)域均衡 </p><p>　　器。通過(guò)將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。 </p><p>　?。?）OFDM 技術(shù)抗窄帶干擾性很

107、強(qiáng)，因?yàn)檫@些干擾僅僅影響到很小一部分 </p><p><b>　　的子信道。 </b></p><p>　?。?）信道利用率很高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中尤為重要。 </p><p>　　表現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，COFDM 有以下獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)： </p><p>　?。?）抗衰落能力強(qiáng)。 </p><

108、;p>　　OFDM 把用戶(hù)信息通過(guò)多個(gè)子載波傳輸，在每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng) </p><p>　　地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)很多倍，使 OFDM 對(duì)脈沖噪聲（Impulse </p><p>　　Noise ）和信道快衰落的抵抗力更強(qiáng)。同時(shí)，通過(guò)子載波的聯(lián)合編碼，達(dá)到了子信 </p><p>　　道間的頻率分集的作用，也增強(qiáng)了對(duì)脈沖噪聲和信道快

109、衰落的抵抗力。因此，如 </p><p>　　果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒(méi)有必要再添加時(shí)域均衡器。 </p><p>　?。?）頻率利用率高。 </p><p>　　OFDM 允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是傳統(tǒng)的利用保護(hù)頻帶分離 </p><p>　　子信道的方式，提高了頻率利用效率。 </p><p>　　（3）

110、適合高速數(shù)據(jù)傳輸。 </p><p>　　OFDM 自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制使不同的子載波可以按照信道情況和噪音背景的不 </p><p>　　同使用不同的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時(shí)候，采用效率高的調(diào)制方式。當(dāng)信道 </p><p>　　條件差的時(shí)候，采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。再有，OFDM 加載算法的采用， </p><p>　　使系統(tǒng)可以把更

111、多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。因此， </p><p>　　OFDM 技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。 </p><p>　?。?）抗碼間干擾（ISI ）能力強(qiáng)。 </p><p>　　碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲 </p><p>　　干擾不同，是一種乘性的干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實(shí)

112、際上，只要傳輸 </p><p>　　信道的頻帶是有限的，就會(huì)造成一定的碼間干擾。OFDM 由于采用了循環(huán)前綴，對(duì) </p><p>　　抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。 </p><p>　　2.3.2 OFDM 系統(tǒng)的缺陷 </p><p>　?。?）對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感。 </p><p>　　OFDM 技術(shù)區(qū)分各個(gè)子

113、信道的方法是利用各個(gè)子載波之間嚴(yán)格的正交性。頻 </p><p>　　作者：崔 劍 15 </p><p>　　偏和相位噪聲會(huì)使各個(gè)子載波之間的正交特性惡化，僅僅 1％的頻偏就會(huì)使信噪 </p><p>　　比下降30dB 。因此，OFDM 系統(tǒng)對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感。 </p>

114、<p>　?。?）功率峰值與均值比（PAPR ）大，導(dǎo)致射頻放大器的功率效率較低。 </p><p>　　與單載波系統(tǒng)相比，由于OFDM 信號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào) </p><p>　　相加而成的，這樣的合成信號(hào)就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就會(huì)帶來(lái)較大 </p><p>　　的峰值均值功率比，簡(jiǎn)稱(chēng)峰均值比。對(duì)于包含N 個(gè)子信道的 OFD

115、M 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， </p><p>　　當(dāng)N 個(gè)子信道都以相同的相位求和時(shí)，所得到的峰值功率就是均值功率的N 倍。 </p><p>　　當(dāng)然這是一種非常極端的情況，通常OFDM 系統(tǒng)內(nèi)的峰均值不會(huì)達(dá)到這樣高的程 </p><p>　　度。高峰均值比會(huì)增大對(duì)射頻放大器的要求，導(dǎo)致射頻信號(hào)放大器的功率效率降 </p><p><b>　

116、　低。 </b></p><p>　?。?）負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度。 </p><p>　　負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的使用會(huì)增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度，并且當(dāng) </p><p>　　終端移動(dòng)速度很高時(shí)，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)就不是很適合了。 </p><p>　　第3 章 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及研究 </p&g

117、t;<p>　　3.1 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào) </p><p>　　3.1.1 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)原理 </p><p>　　正交頻分復(fù)用是在頻分復(fù)用 FDM 的原理基礎(chǔ)上，子載波集采用兩兩 </p><p>　　正交的正弦或余弦函數(shù)集，滿(mǎn)足下式 </p><p>　　假設(shè)在一個(gè)周期[0,T]內(nèi)傳輸?shù)腘 個(gè)符號(hào)

118、為d 0 ，d l ，d 2 ，?，d N-l ， </p><p>　　d n 為復(fù)數(shù)，錯(cuò)誤！未找到引用源。，此復(fù)數(shù)序列經(jīng)過(guò)串并變換器后調(diào)制N 個(gè)子 </p><p>　　載波，進(jìn)行頻分復(fù)用。一個(gè)OFDM 符號(hào)錯(cuò)誤！未找到引用源。包括多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制 </p><p>　　的子載波的合成信號(hào)，其中每個(gè)子載波都受到相移鍵控 PSK 或者正交幅度調(diào)制 </p>

119、<p>　　作者：崔 劍 16 </p><p>　　QAM 符號(hào)的調(diào)制。 </p><p>　　上式中，錯(cuò)誤！未找到引用源。，錯(cuò)誤！未找到引用源。為系統(tǒng)的發(fā)射載頻， </p><p>　　錯(cuò)誤！未找到引用源。為子載波間的最小間隔，一般取錯(cuò)誤！未找到引用源。， </p>

120、<p>　　其中T 為OFDM 符號(hào)周期錯(cuò)誤！未找到引用源。為經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編碼器的符號(hào)周期。 </p><p><b>　　IDFT </b></p><p><b>　　S </b></p><p>　　數(shù)據(jù)編碼器 / 求 輸出

121、</p><p>　　P 和 </p><p><b>　　變 </b></p><p><b>　　換 </b></p><p>　　圖3. 1.1OFDM 系統(tǒng)發(fā)送端的調(diào)制部分 </p><p>　　在接收端，輸入信號(hào)分成N 個(gè)支路，分別用

122、N 個(gè)子載波混頻和積分，恢復(fù)出 </p><p>　　N 個(gè)子信號(hào)，再經(jīng)過(guò)并串變換和常規(guī)QAM 或QPSK 解調(diào)就可以恢復(fù)出數(shù)據(jù)。由 </p><p>　　于子載波的正交性，混頻和積分電路可以有效的分離各個(gè)子信道，如下式所示: </p><p>　　3.1.2 OFDM 系統(tǒng)中的FFT/IFFT </p><p>　　作者：崔 劍