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 設計 </b></p><p>　　題 目：基于MATLAB 的OFDM 通信系統(tǒng)模型的仿真 </p><p>　　學生姓名： 崔 劍 </p><p>　　學

2、 號：_ </p><p><b>　　專業(yè)班級： </b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p>　　完成時間： 2012 年4 月1 日 </p><p>　　請勿抄襲，僅供網友參考。版權屬作者所有 </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 設計指標……………………………………………………… ……………..5 </p><p>　　1.4 本文的工作……………………………………………………… ……………5 </p&g

6、t;<p>　　第2 章 OFDM 的系統(tǒng)設計…………………………………………………..… …….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、 無線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 無線信道衰落特征………………………………………………… .….9 </p><p>　　2.2.2 小尺度衰落分析………………………………………………..…

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

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

10、t;/p><p>　　3.1.1 OFDM 系統(tǒng)的調制與解調原理……………… …………..…………..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)前綴及信道估計對系統(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………………………………………………….………………... 27 </p><p>　　3.3.1 信道估計概述……………………………………………………..…… 27 </p><p>　　3.3.2

13、基于導頻的信道估計方法……………………………………….…… .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 實現(xiàn)方式的計算機仿真……………… ………

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

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

16、/p><p>　　作者：崔 劍 2 </p><p>　　OFDM的發(fā)展狀況及基本原理, 文章對OFDM 系統(tǒng)調制與解調技術進行了解析，得 </p><p>　　到了OFDM 符號的一般表達式，給出了OFDM 系統(tǒng)參數(shù)設計公式和加窗技術的原理 </p><p>　　及基于IF

17、FT/FFT 實現(xiàn)的OFDM 系統(tǒng)模型，闡述了運用IDFT 和DFT 實現(xiàn)OFDM 系統(tǒng) </p><p>　　的根源所在,重點研究了理想同步情況下,保護時隙 CP 、加循環(huán)前綴前后和不同 </p><p>　　的信道內插方法在高斯信道和多徑瑞利衰落信道下對OFDM系統(tǒng)性能的影響。在給 </p><p>　　出OFDM系統(tǒng)模型的基礎上,用MATLAB語言實現(xiàn)了傳輸系

18、統(tǒng)中的計算機仿真并給出 </p><p>　　參考設計程序。最后給出在不同的信道條件下,研究保護時隙、循環(huán)前綴、信道 </p><p>　　采用LS估計方法對OFDM系統(tǒng)誤碼率影響的比較曲線,得出了較理想的結論。 </p><p>　　關鍵詞: 正交頻分復用;仿真;循環(huán)前綴;信道估計 </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、;　　隨著移動通信和無線因特網需求的不斷增長，越來越需要高速無線系統(tǒng)設 </p><p>　　計，而這其中的一個最直接的挑戰(zhàn)就是克服無線信道帶來的嚴重的頻率選擇性衰 </p><p>　　落。正交頻分復用 （OFDM ）技術可以很好地克服無線信道的頻率選擇性衰落， </p><p>　　由于其簡單高效，OFDM 已成為實現(xiàn)未來無線高速通信系統(tǒng)中最核心的技術之一。 &

28、lt;/p><p>　　1.1 課題背景 </p><p>　　現(xiàn)代移動通信發(fā)展至今，已經經歷了三代，而3G 的后續(xù)技術也在加速研究 </p><p>　　中。目前，國際標準化組織正在推動無線傳輸技術從2Mb/s 的傳輸速率向100Mb/s </p>

29、<p>　　和1000Mb/s 的目標發(fā)展，對4G 的定義也已經逐漸清晰起來。基本上可以確定， </p><p>　　OFDM/OFDMA、MIMO和智能天線等技術將成為4G 的主流技術。OFDM 相關 </p><p>　　的技術很多，實際應用中的OFDM

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

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。多載波調制原理最早在20 世紀60 </p><p>　　年代中期由Collins kinep lex 提出。70 年代,主要用于美國軍用無線高頻通信系 </p><p>　　統(tǒng);80 年代,OFDM

32、的研究主要用在高速調制解調器、數(shù)字移動通信及高密度錄音 </p><p>　　帶中;90 年代以后,OFDM主要用在非對稱的數(shù)字用戶環(huán)路 ADSL 、ETSI 標準 </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 、無線

33、局 </p><p>　　域網 WLAN 等。OFDM 與CDMA 技術結合主要有兩種形式, 一種是多載波 </p><p>　　CDMA MC-CDMA , 一種是多載波直擴CDMA MC-DS-CDMA 。前者是頻域 </p><p>　　擴展和多載波調制技術相結合,后者是時域擴展和多載波調制技術相結合。 &l

34、t;/p><p>　　OFDM通過多個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>　　串擾 ISI ,降低系統(tǒng)對均衡技術的要求,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、這一點在頻譜資源有限的無線環(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>　　本文首先簡要介紹OFDM基本原理,在這個基礎上建立了OFDM仿真模型,然后通 </p><p>　　過加保護時隙及進行信道估計, 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用 FDM 技術。在傳統(tǒng)的多載波頻分復用 </p><p>　　系統(tǒng)中，各個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，采 </p><p>　　用隔離帶來防止頻譜重疊，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間色散信道中進行高速通信的。 </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)中如何使經過濾波后帶限的子 </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 </p><p>　　計一個有效的并行傳輸系統(tǒng)時，應該把注意力更多地集中在減少相鄰信道的串擾 </p><p>　　上，而不是使各個獨立的信道工作得更好，因為此時信道串擾是造成信號失真的 </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 進基帶 </p><p>　　OFDM 調制和解調。通過DFT 進行OFDM 基帶調制和解調避免了生成多個子載 </p><p>　　波和多個窄帶帶通濾波器，使系統(tǒng)的模擬前端由多個變?yōu)橐粋€，同時由于DFT 可 </p><p>　　

40、以用FFT 來快速實現(xiàn)，這進一步降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度。為對抗符號間干擾和 </p><p>　　載波聞干擾，他們提出在符號間插入一段空白時隙作為保護間隔。他們的系統(tǒng)雖 </p><p>　　然沒有能在色散信道中獲得很好的子載波正交性，但對 OFDM 仍是一個很大貢 </p><p>　　獻。另一個重要貢

41、獻來自A.Peled 和A.Rmz ，他個人提出了采用循環(huán)前綴來解決 </p><p>　　色散信道中子載波間的正交性問題。當信道響應長度小于循環(huán)擴展時，循環(huán)前綴 </p><p>　　的存在使信號與信道響應的線性卷積變成循環(huán)卷積，從而使色散OFDM 信號可以 </p><p>　　通過頻域單點均衡進行去相關。當然，循環(huán)擴展的引入會導致少量的信噪比損失。 </

42、p><p>　　由于無線信道的多徑傳播會使寬帶OFDM 信號產生頻率選擇性衰落，導致各個子 </p><p>　　信道上的信噪比不同，因此實際的OFDM 系統(tǒng)都是與交織、糾錯編碼結合在一起， </p><p>　　形成編碼的正交頻分復用 COFDM 。交織和編碼能夠使OFDM 系統(tǒng)獲得良好的 </p><p>　　頻率和時間二維分集。 </

43、p><p>　　1.3 設計指標 </p><p>　　設計一個基于Matlab 的OFDM 通信系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)，關鍵技術指標如下。 </p><p>　　1. 采用數(shù)字信號（DSP ）技術――快速傅里葉變換（FFT ）來實現(xiàn)； </p><p>　　2. 基于IFFT/FFT 的OFDM 兩種系統(tǒng)模型； </p>&l

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

45、真 </p><p>　　作者：崔 劍 6 </p><p>　　模型的基礎上用MATLAB語言編寫出OFDM發(fā)送、信道及接收整個系統(tǒng)上的仿真 </p><p>　　圖形,在系統(tǒng)仿真正確的前提下,對在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、采用不同的內插方法接收信號的改善程度進行了研究，得出預想的結果。 </p><p>　　第2 章 OFDM 的系統(tǒng)設計 </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 時域

49、 噪聲 </p><p>　　信 P/ 信 FFT S/ 去 A </p><p>　　二進制 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)為經過信道編碼后的序列（如Turbo碼），將該序列轉 </p><p>　　換成包含R個比特的塊，每塊再分成N個組，每個組對應一個子載波。根據(jù)所采用 </p><p><b>　　m </b></p><p>　　調制方式的不同，每個組包含的比特數(shù)可以不同,設第K 組

53、的比特數(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等調制方

54、式將這 個比特映射成復值符號。 </p><p>　　0 k </p><p><b>　　k 1 </b></p><p>　　作者：崔 劍 7 </p><p>　　除

55、了上述經過數(shù)據(jù)調制的信息符號外，還有 個不需要經過數(shù)據(jù)調制的用 </p><p><b>　　NP </b></p><p>　　于同步與信道估計的導頻符號，一共有N v N d ?N p 組有用數(shù)據(jù)。在適當?shù)奈?</p><p>　　置上添加一定數(shù)量的零使得總的信息符號個數(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 個子信道不用，其上傳輸?shù)膹椭捣枮? 。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。對于連續(xù)的OFDM信號 </p><p>

57、　　模型，假設系統(tǒng)的總帶寬是 ，OFDM碼元周期為 ， 為保護間隔。一個OFDM </p><p>　　W TS Tg </p><p>　　復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 ）中的信號以1/Δ （Δt T /

59、 N ）的速率從時刻 開始采樣，所得的N 個 </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。由于對每個連續(xù)OFDM 碼元采樣N 個樣本，正好滿足Nyquist 采樣定理，所 </p&

64、gt;<p>　　以可以通過這些樣值重構原始的連續(xù)信號。這樣樣值可以通過IDFT 來得到，這 </p><p>　　就是用IDFT 和DFT 可以實現(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 無線信道衰落的特征及模型 </p><p>　　無線通信系統(tǒng)的性能主要受到無線信道的制約，當信號通過無線信道傳播 </p><p>　　時，其衰落類型決定于發(fā)送信號特性及信道特性。信號參數(shù)與信道參數(shù)決定了不 </p><p>　　同的發(fā)送信號將經歷不同類型的衰落。分析無線信道的特征有助于我們找出影響 </p><p>

76、;　　無線通信系統(tǒng)性能的因素并制定應對措施。 </p><p>　　2.2 OFDM 系統(tǒng)分析 </p><p>　　2.2.1 無線信道衰落特征 </p><p>　　無線信道對信號的衰減作用使接收信號的功率減小，它由傳播的路徑長度、直達 </p><p>　　信號路徑中的障礙情況決定，任何阻擋在發(fā)射機和接收機之間的障礙都會引起信 <

77、/p><p>　　號功率的衰減。對于無線信道對接收信號造成的影響，我們可以按照大尺度效應 </p><p>　　Large-Scale Effects 和小尺度效應 small-Scale Effects 從統(tǒng)計特性上來加以分別討 </p><p><b>　　論。 </b></p><p>　　當接收機處于空間某一位置時，

78、它在該位置附近接收到的信號功率的本地平 </p><p>　　均值 Local Mean 將受到大尺度效應的影響，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。 </p><p><b>　　1 路徑損耗 </b></p><p>　　當

79、發(fā)射機與接收機之間的距離在較大尺度上 數(shù)百米或數(shù)千米 變化時，接收 </p><p>　　信號的平均功率值與信號傳播距離 d 的n 次方成反比。n 稱為路徑損耗指數(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>　　會產生電磁場的陰影，造成場強中值的變化，從而引起信號衰減，稱作陰影衰落。 </p><p>　　陰影衰落是以較大的空間尺度來衡量的，其統(tǒng)計特性通常符合對數(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線信道在大尺度上對傳輸信號的影響，稱

81、</p><p>　　之為大尺度衰落。因為這種衰落對信號的影響反映為信號隨傳播距離的增加而緩 </p><p>　　慢起伏變化，所以也稱慢衰落。 </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)個波 </p><p>　　長 變化時，接收信號電平均值變化趨勢。引起小尺度衰落

82、的原因主要有兩個: 多 </p><p>　　徑效應 Multipath propagation 和多普勒效應 Doppler effect 。 </p><p>　　1 多徑效應 Multipath propagation </p><p>　　在無線傳播環(huán)境中，到達接收機天線的信號不是沿單一路徑而來，而是來自不同 </p><p>　　

83、傳播路徑的信號之和，這就是多徑效應。多徑分量到達時間、信號相位都不同， </p><p>　　多個分量在接收端疊加，接收信號的幅度會發(fā)生快速變化，即產生衰落，稱為多 </p><p>　　徑衰落 Multipath fading 。 </p><p>　　作者：崔 劍 10 </p>

84、<p>　　2 多普勒效應 Doppler effect </p><p>　　多普勒效應 Doppler effect 是由于發(fā)射機和接收機之間的相對運動，或者信 </p><p>　　道路徑中物體的運動引起的。這種移動性會導致接收信號的頻率發(fā)生偏移，即多 </p><p>　　普勒頻移 Doppler shift ，產生多普勒擴展 頻率色散 ，

85、造成信道的時變特性 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)計特性。 </p><p>　　由于無線移動信道里的多徑現(xiàn)象，使得接收信號的包絡呈現(xiàn)隨機性，其包絡 </p><p>　

86、　一般服從瑞利 Rayleigh 衰落分布和萊斯 Rice 衰落分布。在無線移動信道中，瑞 </p><p>　　利衰落分布常見的是用于描述平坦衰落信號或獨立多徑分量接收中包絡時變統(tǒng) </p><p>　　計特性的一種衰落類型;萊斯衰落分布是由于在瑞利衰落分布的基礎上，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立多徑分量情況下接收信號包絡統(tǒng)計特 </p><p>　　性的一種典型分布類型。 </p><p>　　典型的陸地移動通信系統(tǒng)都是存在多徑衰落的。如果各條路徑信號的幅值和 </p><p>　　到達接收天線的方位角是隨機的且是統(tǒng)計

88、獨立的，則接收信號的包絡服從瑞利 </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p x 為零，錯誤！未找到引用源。表示包絡檢波前接收電 </p><p>　　波電壓信號的有效值 rms ，錯誤！未找到引用源。是包絡檢

89、波前的接收信號包絡 </p><p><b>　　的時間平均功率。 </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>　　錯誤！未找到引用源。 （2.5） </p><p>　　其中值由式錯誤！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均值與中值僅相差0.55dB。 </p><p>　　相位錯誤！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>　　相位錯誤！未找到引用源。分布可表示為 </p><p>　　錯誤！未找到引用源。 式中，參數(shù)A 指主信號幅度的峰值;錯誤！未找到引 </p><p>　　用源。是第一類零階Bessel 函數(shù);erf 是誤 </p><p>　　作者：崔 劍 12

93、 </p><p>　　差函數(shù):錯誤！未找到引用源。。 </p><p>　　萊斯分布常用參數(shù)K 來描述，K 定義為確定信號的功率與多徑分量方差之比 </p><p>　　錯誤！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。當錯誤！未找到引用源。，且主信號幅度減少時， </p>

94、<p>　　萊斯分布轉化為瑞利分布。因此，瑞利衰落分布是萊斯衰落分布的一個特例,萊斯分布是瑞利 </p><p><b>　　分布的一個擴展。 </b></p><p>　　2.2.3 OFDM 信號的頻譜特性 </p><p>　　當各個子載波用QAM或MPSK進行調制時，如果基帶信號采用矩形波形，則 </p><

95、;p>　　S x 2 T HZ T </p><p>　　每個子信道上已調的頻譜為 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>　　信號長度（不包括CP ）。由于在 時間內共有OFDM信號的N個抽樣，所以OFDM </p><p><b>　　S </b></p><p>　　信號的時域信號的抽樣周期為TS 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>　　即這些已調子載波信號頻譜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，知道它們在頻域上正交，這就是正交頻分復用 （OF

98、DM ）名稱的由來。 </p><p>　　一般的頻分復用傳輸系統(tǒng)的各個子信道之間要有一定的保護頻帶，一便在接 </p><p>　　收端可以用帶通濾波器分離出各個信道的信號。保護頻帶降低了整個系統(tǒng)的頻譜 </p><p>　　利用率。OFDM系統(tǒng)的子系統(tǒng)間不但沒有保護頻帶，而且各個信道的信號頻譜還 </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調制方式，進一步提高OFDM系統(tǒng)的 </p><p><b>　　頻譜效率。 </b></p><p>　　2.3 OFDM 系統(tǒng)的特點 </p><p>　　2.3.1 OFDM 系統(tǒng)的優(yōu)勢 </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、 技術能同時分開至少 1000 個數(shù)字信號，而且在干擾的信號周圍可以 </p><p>　　安全運行的能力將直接威脅到目前市場上已經開始流行的 CDMA 技術的進一步發(fā) </p><p>　　展壯大的態(tài)勢，正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得 OFDM 技術深 </p><p>　　受歐洲通信營運商以及手機生產商的喜愛和歡迎，例如加利福尼亞 Cisco 系

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

103、與之 </p><p>　　相適應，并且接通和切斷相應的載波以保證持續(xù)地進行成功的通信。 </p><p>　?。?）該技術可以自動地檢測到傳輸介質下哪一個特定的載波存在高的信號 </p><p>　　衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調制措施來使指定頻率下的載波進行成功通 </p><p><b>　　信。 </b><

104、;/p><p>　　（4）OFDM 技術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>　　以及將信號散播的地區(qū)。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語音廣播都希望降低多徑效應對 </p><p><b>　　信號的影響。 </b></p><p>　　作者：崔 劍

105、 14 </p><p>　?。?）可以有效地對抗信號波形間的干擾，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。當信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時，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>　?。?）通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力。OFDM 技術本身 </p><p>　　已經利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡 </p><p>　　器。通過將各個信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。 </p><p>　?。?）OFDM 技術抗窄帶干擾性很

107、強，因為這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，這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。 </p><p>　　表現(xiàn)在實際應用中，COFDM 有以下獨具的優(yōu)勢： </p><p>　?。?）抗衰落能力強。 </p><

108、;p>　　OFDM 把用戶信息通過多個子載波傳輸，在每個子載波上的信號時間就相應 </p><p>　　地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號時間長很多倍，使 OFDM 對脈沖噪聲（Impulse </p><p>　　Noise ）和信道快衰落的抵抗力更強。同時，通過子載波的聯(lián)合編碼，達到了子信 </p><p>　　道間的頻率分集的作用，也增強了對脈沖噪聲和信道快

109、衰落的抵抗力。因此，如 </p><p>　　果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再添加時域均衡器。 </p><p>　　（2）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 自適應調制機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>　　同使用不同的調制方式。當信道條件好的時候，采用效率高的調制方式。當信道 </p><p>　　條件差的時候，采用抗干擾能力強的調制方式。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行傳送。因此， </p><p>　　OFDM 技術非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。 </p><p>　?。?）抗碼間干擾（ISI ）能力強。 </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

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

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

114、<p>　　（2）功率峰值與均值比（PAPR ）大，導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 信號是由多個獨立的經過調制的子載波信號 </p><p>　　相加而成的，這樣的合成信號就有可能產生比較大的峰值功率，也就會帶來較大 </p><p>　　的峰值均值功率比，簡稱峰均值比。對于包含N 個子信道的 OFD

115、M 系統(tǒng)來說， </p><p>　　當N 個子信道都以相同的相位求和時，所得到的峰值功率就是均值功率的N 倍。 </p><p>　　當然這是一種非常極端的情況，通常OFDM 系統(tǒng)內的峰均值不會達到這樣高的程 </p><p>　　度。高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導致射頻信號放大器的功率效率降 </p><p><b>　

116、　低。 </b></p><p>　?。?）負載算法和自適應調制技術會增加系統(tǒng)復雜度。 </p><p>　　負載算法和自適應調制技術的使用會增加發(fā)射機和接收機的復雜度，并且當 </p><p>　　終端移動速度很高時，自適應調制技術就不是很適合了。 </p><p>　　第3 章 OFDM 系統(tǒng)的關鍵技術及研究 </p&g

117、t;<p>　　3.1 OFDM 系統(tǒng)的調制與解調 </p><p>　　3.1.1 OFDM 系統(tǒng)的調制與解調原理 </p><p>　　正交頻分復用是在頻分復用 FDM 的原理基礎上，子載波集采用兩兩 </p><p>　　正交的正弦或余弦函數(shù)集，滿足下式 </p><p>　　假設在一個周期[0,T]內傳輸?shù)腘 個符號

118、為d 0 ，d l ，d 2 ，?，d N-l ， </p><p>　　d n 為復數(shù)，錯誤！未找到引用源。，此復數(shù)序列經過串并變換器后調制N 個子 </p><p>　　載波，進行頻分復用。一個OFDM 符號錯誤！未找到引用源。包括多個經過調制 </p><p>　　的子載波的合成信號，其中每個子載波都受到相移鍵控 PSK 或者正交幅度調制 </p>

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

120、<p>　　其中T 為OFDM 符號周期錯誤！未找到引用源。為經過數(shù)據(jù)編碼器的符號周期。 </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)送端的調制部分 </p><p>　　在接收端，輸入信號分成N 個支路，分別用

122、N 個子載波混頻和積分，恢復出 </p><p>　　N 個子信號，再經過并串變換和常規(guī)QAM 或QPSK 解調就可以恢復出數(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