ofdm多徑多普勒畢業(yè)設(shè)計論文報告

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）</p><p>　　日期： 2013 年 2 月 20 日至 2013 年 6 月 5 日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明</p><p>　　本人鄭重聲明：所提交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包

2、含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本研究做出過重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明并表示了謝意。</p><p><b>　　論文作者簽名：</b></p><p>　　日期： 年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　

3、正交頻分復(fù)用（OFDM）B3G和4G移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，其最大優(yōu)點是頻譜效率高，而且可以更好地對抗無線信道的多徑傳播。近年來，硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，使得OFDM技術(shù)已成為一個主要的高速數(shù)據(jù)傳輸候選技術(shù)。首先，由于多徑效應(yīng)十分嚴重的影響OFDM通信系統(tǒng)的性能，其次，頻率偏差的敏感性是OFDM技術(shù)的一大缺點，特別是在高速移動環(huán)境中，多普勒頻移和多普勒擴展更明顯，領(lǐng)先的OFDM系統(tǒng)的子載波之間的正交性被破壞，嚴重的載波間干擾（ ICI），這

4、極大地影響系統(tǒng)的性能。因此，本文著重研究多徑和多普勒效應(yīng)以及對OFDM通信系統(tǒng)影響。</p><p>　　本文首先介紹了OFDM的基本原理，然后在OFDM符號上添加循環(huán)前綴，然后分析OFDM通信系統(tǒng)可以抗多徑干擾的性能，在給出OFDM系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，用MATLAB語言對系統(tǒng)進行了仿真。最后給出不同信道下，循環(huán)前綴、均衡技術(shù)對系統(tǒng)誤碼率影響的比較曲線，并得出了結(jié)論。</p><p>　　接

5、著分析多普勒效應(yīng)，以及多普勒效應(yīng)對OFDM通信系統(tǒng)的影響，并且研究了移動信道中最大多普勒頻移的估計技術(shù)。首先分析了一種基于循環(huán)前綴的多普勒頻移估計算法，該算法通過計算OFDM符號已經(jīng)用有的循環(huán)前綴的相關(guān)函數(shù)，用來獲得最大多普勒頻移;然后進一步分析、研究了基于變換域的多普勒頻移估計算法，這個算法直接通過對接收到的導(dǎo)頻變換域信號譜進行分析，用來獲得最大多普勒頻移信息。</p><p>　　關(guān)鍵詞：OFDM；多徑效應(yīng)；

6、多普勒效應(yīng)；多普勒頻移；</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is the B3G and 4G mobile communication system's core technology, its biggest adva

7、ntage is the high spectrum efficiency, and can better fight the radio channel multipath propagation. In recent years, the rapid development of hardware technology, making OFDM technology has become a major candidate for

8、high-speed data transmission technology. Firstly, due to multipath effects are severely affected, however, the frequency deviation of the sensitivity</p><p>　　This paper introduces the basic principles of OF

9、DM, and add the cyclic prefix in OFDM after anti-multipath interference mathematical derivation, OFDM system model is given on the basis of the system using MATLAB simulation. Finally, different channel, cyclic prefix, e

10、qualization effects on the system BER comparison curves, and draws conclusions.</p><p>　　Then analyzes the Doppler effect, and the influence of the Doppler effect on the OFDM, and study of the mobile channel

11、 estimation maximum Doppler shift. First analysis of the cyclic prefix based on the Doppler shift estimation algorithm has some of the OFDM symbols by calculating the correlation function of a cyclic prefix to obtain the

12、 maximum Doppler frequency shift; then analyzed a transform domain-based Doppler shift estimation algorithm directly on the received pilot signal spectrum transfo</p><p>　　Key words：OFDM; multipath effect; D

13、oppler effect; Doppler frequency shift</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 論文研究的背景</p><p>　　無線移動通信是當今社會注意發(fā)展的重要學(xué)科之一。它突破有線通信的物理限制，允許得用戶可以自由的在任何時間，任何地點和任何人自由地進行通信，這就大大地擴展

14、了通信的能力。隨著寬帶系統(tǒng)的興起，許許多多新技術(shù)成為研熱點，正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM)便是他們之一。本文就是研究無線移動通信中多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)對OFDM通信系統(tǒng)的影響，這也是如今社會研究寬帶無線OFDM通信系統(tǒng)的熱點之一。</p><p>　　1.1.1 通信技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　正交頻分

15、復(fù)用是一種把高速率的串行數(shù)據(jù)，通過頻分復(fù)用來實現(xiàn)并行傳輸?shù)亩噍d波傳輸技術(shù)，他的思想早在20世紀60年代就己經(jīng)提出，但是由于并行傳輸系統(tǒng)需要正弦波載波發(fā)生器陣列，基帶成形捧波器陣列和相干解調(diào)陣列，所以，采用傳統(tǒng)的模擬方法來實現(xiàn)是相當復(fù)雜的、昂貴的，因而早期并沒有得到實際的應(yīng)用。1971年，Weistein和Ebert提出了運用離散傅立葉變換(DFT)來實現(xiàn)多載波調(diào)制，人們才開始研究并行傳輸?shù)亩噍d波系統(tǒng)數(shù)字化的實現(xiàn)方法，所以，將DFT運用到

16、OFDM的調(diào)制與解調(diào)中，為OFDM實用化奠定了基礎(chǔ)，極大的簡化了多載波技術(shù)的實現(xiàn)。運用DFT來實現(xiàn)的OFDM系統(tǒng)的發(fā)送端不需要多套的正弦發(fā)生器，而接收端也不需要用多個帶通濾波器來檢測各路的子載波，但由于當時數(shù)字信號處理技術(shù)的限制，OFDM 技術(shù)并沒有得到廣泛應(yīng)用。80年代，人們在高速調(diào)制解調(diào)器對多載波調(diào)制、數(shù)字移動通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用進行較為深入的研究，L.J.Cimini首先分析了OFDM在移動通信中應(yīng)用中存在的問題和解決方法，在此以后

17、，OFDM就在無線移動通信領(lǐng)域中得到了迅猛的發(fā)展。</p><p>　　近年來，由于數(shù)字信號處理技術(shù) (Digital Signal Processing, DSP)和大規(guī)模集成電路CPLD技術(shù)的飛速發(fā)展，這樣就使得當載波數(shù)目高達幾千時，也可以通過專用芯片來實現(xiàn)DFT變換，極大地推動了OFDM技術(shù)在無線通信環(huán)境的實用化，所以，OFDM技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域受到了人們的廣泛關(guān)注。OFDM已經(jīng)成功的應(yīng)用于非對稱數(shù)字用

18、戶環(huán)路ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)、無線電局域網(wǎng)( Wireless Local Area Network, WLAN)、數(shù)字音頻廣播系統(tǒng) (Digital Audio Broadcasting, DAB)、數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)(Digital Video Broadcasting, DVB)、，等系統(tǒng)中。1995年，歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)首先提出DAB標準，這也是第一個采用OFD

19、M技術(shù)的標準。1999年12月，IEEE802.lla 一個用在5GHz的無線局域網(wǎng)標準，也采用OFDM 調(diào)制技術(shù)作為他的物理層(PRY)標準，歐洲電信標準協(xié)會的寬帶射頻接入網(wǎng)(Broad Radio Access </p><p>　　目前，人們已經(jīng)開始集中精力研究、開發(fā)OFDM在無線移動通信領(lǐng)域中的應(yīng)用，并且將 OFDM技術(shù)與多種多址技術(shù)相結(jié)合。此外，OFDM技術(shù)還易于結(jié)合空時編碼、智能天線等重要技術(shù)，最大程

20、度地提高了物理層信息傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p>　　1.1.2 OFDM技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　正交頻分復(fù)用最早起源于20世紀50年代中期，發(fā)展至今已有60年的歷史，它的第一個實際應(yīng)用是軍用的無線高頻通信鏈路。經(jīng)過這些年的發(fā)展，OFDM技術(shù)在很多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，中

21、文含義為正交頻分復(fù)用。 這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟（HomePlug Powerline Alliance）工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。</p><p>　　19世紀60年代，R.W.Chang發(fā)表了《Synthesis

22、 of band-limited orthogonal signals for multichannel data transmission》一文[1]。首次提出了OFDM理論，并在1970年成功獲得專利。</p><p>　　1971年，Ebert和Weinstein提出了將離散傅里葉變換(DFT)引入并行傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)多載波調(diào)制的方法，該方法采用了IDFT模型以及D/A轉(zhuǎn)換器，明顯降低了實現(xiàn)的復(fù)雜度。在并行傳輸

23、系統(tǒng)中，基帶信號在發(fā)送端通過IDFT進行調(diào)制，在接收端通過DFT進行解調(diào)。除此之外，還引入了多種加窗技術(shù)來對抗符號間干擾(Inter Symbol Interference,ISI)及子信道間干擾(Inter-Channel Interference,ICI)。</p><p>　　循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)的概念在1980年引入OFDM系統(tǒng)，由Ruiz和Peled提出，此方法使用循環(huán)擴展取代了

24、傳統(tǒng)的保護間隔，從而解決了正交性的問題。這樣當信道延時比循環(huán)前綴的時間短時，就可以在多徑選擇性衰落信道上保持子信道之間的正交性。</p><p>　　20世紀80年代，人們深入研究了多載調(diào)制在數(shù)字移動通信、高速MODEM等領(lǐng)域中的應(yīng)用。到了90年代，由于超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展， OFDM系統(tǒng)已經(jīng)在無線本地環(huán)路(Wireless Local Loop,WLL)、高清晰度電視(High-dfin

25、ition Television,HDTV)、數(shù)字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting,DAB)、無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network ,WLAN)、非對稱數(shù)字用戶線(Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL)等系統(tǒng)中有所應(yīng)用。19世紀90年代末IEEE802.11a通過了一個5GHz的無線局域網(wǎng)標準，其中它的物理層標準采用的是OFDM技術(shù)。&

26、lt;/p><p>　　1999年12月，由包括Wi-LAN和Nokia在內(nèi)的7家公司發(fā)起了國際OFDM論壇，其致力于OFDM 技術(shù)標準的研究和策劃。目前已發(fā)展了46個會員，我國的信息產(chǎn)業(yè)部也已加入其中，由此可見OFDM技術(shù)的應(yīng)用已在當時引起國內(nèi)通信界的重視。</p><p>　　2000年11月，OFDM論壇的固定無線接入工作組提議IEEE802.16.3城域網(wǎng)的物理層標準采用OFDM技術(shù)，

27、并向IEEE802.16.3的無線城域網(wǎng)委員會遞交了一份建議書。伴隨著BRANHyperLAN/2和802.11a兩個標準廣泛應(yīng)用在局域網(wǎng)中，OFDM技術(shù)將會在無線數(shù)據(jù)本地環(huán)路的廣域網(wǎng)領(lǐng)域貢獻更多力量。由于人們對通信寬帶化、個人化、數(shù)據(jù)化和移動化的需求日益增長，OFDM技術(shù)在綜合無線接入領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外，由于OFDM技術(shù)的良好性能，其被看做是第四代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，將在未來的移動通信界發(fā)揮更大的作用。</p>

28、;<p>　　近年來，由于數(shù)字信號處理技術(shù) (Digital Signal Processing, DSP)和大規(guī)模集成電路CPLD技術(shù)的飛速發(fā)展，使得當載波數(shù)目高達幾千時也可以通過專用芯片來實現(xiàn)其DFT變換，大大推動了OFDM技術(shù)在無線通信環(huán)境中的實用化，OFDM技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域受到了人們的廣泛關(guān)注。OFDM已經(jīng)成功的應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播系統(tǒng) (Digital Audio Broadcasting, DAB)、數(shù)字視

29、頻廣播系統(tǒng)(Digital Video Broadcasting, DVB)、無線電局域網(wǎng)( Wireless Local Area Network, WLAN)，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)等系統(tǒng)中。1995年，歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)首次提出DAB標準，這是第一個采用OFDM的標準[5]。1999年12月，IEEE802.lla 一個工作在5GHz的無線局域

30、網(wǎng)標準，其中采用了OFDM 調(diào)制技術(shù)作為其物理層(PRY)標準，歐洲電信標準協(xié)會的寬帶射頻接入網(wǎng)(Broad Radio Access Networ</p><p>　　目前，第四代((4G)移動通信系統(tǒng)與技術(shù)已經(jīng)成為了移動通信領(lǐng)域中的研究熱點。同第三代(3G)等己有的數(shù)字移動通信系統(tǒng)相比，4G系統(tǒng)將具有更高的數(shù)據(jù)率、更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)、更高的頻譜利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的傳輸質(zhì)量、更高的靈

31、活性。由于OFDM技術(shù)具有天然抗多徑衰落的能力，所以非常適合高數(shù)據(jù)速率要求下的傳輸。然而OFDM技術(shù)對頻偏非常敏感，所以消除多普勒頻移和多普勒擴展對OFDM系統(tǒng)的影響，是將OFDM系統(tǒng)應(yīng)用在高速移動環(huán)境下的關(guān)鍵。因此，研究OFDM技術(shù)在高速移動環(huán)境下的應(yīng)用，提高其抗多普勒效應(yīng)的能力，具有很大的實用價值。</p><p>　　1.2 OFDM系統(tǒng)頻偏估計算法的研究現(xiàn)狀</p><p>　　

32、OFDM系統(tǒng)對載波頻偏(CFO)十分敏感，雖然只占子載波間隔很小一部分的頻偏也會急劇地降低系統(tǒng)的性能[3]。到目前為止，已經(jīng)有很多文獻對OFDM系統(tǒng)的頻偏估計算法進行了大量的研究，大致可分為兩類:數(shù)據(jù)輔助的載波頻偏估計算法和非數(shù)據(jù)輔助的載波頻偏估計算法。數(shù)據(jù)輔助的方法，主要的一種方法就是基于訓(xùn)練符號的頻偏估計的方法，訓(xùn)練符號一般置于數(shù)據(jù)幀前部。這方面研究最早是由Moose提出的最大似然算法，它利用連續(xù)傳輸?shù)膬蓚€完全相同的OFDM符號進行

33、載波頻偏的估計，利用相同結(jié)構(gòu)之間的時域相關(guān)性來進行頻偏估計。這個方法的優(yōu)點是精度較高，缺點是估計的范圍有限[4]。Schmidl和Cox提出了利用兩個訓(xùn)練符號進行頻偏估計,第一個訓(xùn)練符號由前后完全相同的兩個訓(xùn)練符號組成，利用它們的相關(guān)性完成小數(shù)倍頻偏的估計，對小數(shù)倍頻偏校正后，利用第二個訓(xùn)練符號和第一個訓(xùn)練符號之間的差分關(guān)系進行整數(shù)部分頻偏的估計，此算法估計范圍可達到整個頻帶，但是此算法在時間同步時存在一個平臺，存在模糊性[5]。Mic

34、hele Morelli對前一種算法進行了改進，它也利用一個訓(xùn)練符號進行頻偏估計，其訓(xùn)練符號由L塊相同的數(shù)據(jù)組成，它在時</p><p>　　1.3 論文研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　本課題重點研究由于信道多徑以及通信者之間的移動給OFDM系統(tǒng)帶來的影響。即多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)對OFDM通信系統(tǒng)的影響。本文首先介紹了OFDM通信系統(tǒng)的模型，然后分析多徑和多普勒效應(yīng)，以及它們對O

35、FDM通信系統(tǒng)的影響，然后分析了OFDM通信系統(tǒng)在有CP的情況下的抗多徑性能的仿真和分析，接著分析多普勒效應(yīng)對OFDM通信系統(tǒng)的影響，分析了多普勒頻偏對OFDM通信系統(tǒng)造成了十分嚴重的影響，并且提出并介紹了基于循環(huán)前綴的頻偏估計算法和基于變換域的頻偏估計算法，并進行了仿真和分析。</p><p>　　本文圍繞這些算法做了如下工作：</p><p>　　第一章為緒論，主要介紹了本課題的研究背

36、景和意義、OFDM技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀、OFDM中多普勒和多徑影響的研究現(xiàn)狀，介紹了本文的研究內(nèi)容和文章結(jié)構(gòu)。</p><p>　　第二章介紹了OFDM的基本原理，包括OFDM通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)、DFT實現(xiàn)、保護間隔與循環(huán)前綴、結(jié)構(gòu)框圖、最后介紹了OFDM的優(yōu)缺點。</p><p>　　第三章首先介紹了無線信道的傳播環(huán)境，接著介紹了多徑、多普勒效應(yīng)以及對OFDM通信系統(tǒng)的影響。</p&

37、gt;<p>　　第四章介紹了多徑效應(yīng)對OFDM通信系統(tǒng)的影響，并分析了在有循環(huán)前綴CP的情況下，OFDM通信系統(tǒng)的抗多徑性能</p><p>　　第五章介紹了多普勒效應(yīng)對OFDM通信系統(tǒng)的影響，分析了多普勒頻移對OFDM通信系統(tǒng)有著十分嚴重的影響，最后提出了兩種頻偏估計的算法，基于循環(huán)前綴的頻偏估計算法和基于變換域的頻偏估計算法，并且比較了他們的性能。</p><p>　　

38、第二章 OFDM通信系統(tǒng)的基本原理</p><p>　　正交頻分復(fù)用的基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到若干個子信道進行傳輸。這樣增加了子信道的符號周期，減輕了無線信道的符號間干擾，為了最大限度的消除符號間的干擾，還可以在O FDM符號之間插入循環(huán)前綴((Cycfic Prefix, CP)作為保護間隔。</p><p>　　OFDM實際上是MCM多載波的一種方式，多載波調(diào)制

39、的主要思想是：將信道分成若干正交子信道，高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制要發(fā)送的每個子信道。正交信號可以被用來在接收器上，以分離相關(guān)的技術(shù)，它可以減少之間的相互干擾子信道的載波間干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相干帶寬時，可以被看作是衰落的平坦性，它可以消除符號間干擾，使各子信道。每個子信道的原來的信道帶寬的帶寬，因為只有其中一小部分，信道均衡變得相對容易。正交頻分復(fù)用的多載波調(diào)制技術(shù)，由于其高的頻譜效率，很強的抗多徑時

40、延的能力已被廣泛用于在數(shù)字音頻廣播，數(shù)字電視和無線局域網(wǎng)。 然而，OFDM一個缺點就是對于同步錯誤非常敏感，特別是對于頻率偏差。當存在同步錯誤時，子載波之間的正交性遭到破壞，從而引起嚴重的載波間干擾使解調(diào)性能大大下降。因而性能良好的同步方法對于OFDM系統(tǒng)是非常重要的。</p><p>　　2.1 OFDM通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)</p><p>　　一個OFDM符號是經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成

41、信號，其中每個子載波都可以接受不同的調(diào)制方式，如BPSK, QPSK, QAM等。如果N表示子信道個數(shù)，T表示OFDM符號的寬度，(i=0,1,...,N-1)是分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號，是第0個子載波的載波頻率，則從t=開始的OFDM符號可以表示為:</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　然而在多數(shù)文獻中，通常采用復(fù)等效基帶信號來

42、描述OFDM的輸出信號，見式（2.2）。其中實部和虛部分別對應(yīng)于OFDM符號的同相和正交分量，在實際中可以分別與相應(yīng)子載波的cos分量和sin分量相乘，構(gòu)成最終的子信道號和合成的OFDM符號。圖2.1中給出了OFDM系統(tǒng)的基本模型的框圖，其中。</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　圖2.1 OFDM系統(tǒng)基本模型框圖</p>

43、<p>　　在OFDM系統(tǒng)中，所有子載波數(shù)都具有相同的幅值和相位，但在實際應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù)符號的調(diào)制方式，每個子載波的幅值和相位都可能是不同的。每個子載波在一個OFDM符號周期內(nèi)包含整數(shù)倍個周期，而且各個相鄰子載波之間相差1個周期。這一特性可以用來解釋子載波之間的正交性，即</p><p>　　例如，對式（2.2）中的第j個子載波進行解調(diào)，然后在時間長度T內(nèi)進行積分，即:</p>&l

44、t;p>　　根據(jù)上式可以看到，對第j個子載波進行解調(diào)可以恢復(fù)出期望的符號。而對于其他載波來說，由于積分間隔內(nèi)，頻率差別(i-j)/T可以產(chǎn)生整數(shù)倍個周期，所以其積分結(jié)果為零。</p><p>　　這種正交性還可以從頻域角度來理解。根據(jù)式(2.1)，每個OFDM符號在周期T內(nèi)包括多個非零的子載波。因此其頻譜可以看作是周期為T的矩形脈沖的頻譜與一組位于各個子載波數(shù)頻率上的函數(shù)卷積。矩形脈沖的頻譜幅值sinc(f

45、T)函數(shù)，這種函數(shù)的零點出現(xiàn)在頻率為1/T整數(shù)倍的位置上。</p><p>　　這種現(xiàn)象可以參見圖2.2，其中給出相互覆蓋的各個子信道內(nèi)經(jīng)過矩形波形成型得到的符號的sinc函數(shù)頻譜。在每個子載波頻率的最大值處，所有其他子信道的頻譜值恰好為零。由于在對OFDM符號進行解調(diào)的過程中，需要計算這些點上所對應(yīng)的每個子載波頻率的最大值，因此可以從多個相互重疊的子信道符號頻譜中提取出每個子信道符號，而不會受到其他子信道的干擾

46、。從圖2.2可以看出，OFDM符號頻譜實際上可以滿足奈奎斯特準則，即多個子信道頻譜之間不存在相互干擾，但這是出現(xiàn)在頻域中的。因此這種一個子信道的最大值對應(yīng)于其他子信道頻譜的零點,就可以避免載波間干擾的出現(xiàn)。這使得OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率相比于普通頻分復(fù)用系統(tǒng)有著很大的提高，而各子載波可以采用頻譜效率高的QAM或MPSK的調(diào)制方式，還可以進一步提高OFDM系統(tǒng)的頻譜效率。</p><p>　　圖2.2 OFDM系統(tǒng)

47、中子信道符號的頻率</p><p>　　2.2 OFDM通信系統(tǒng)的DFT實現(xiàn)</p><p>　　式(2.1)描述的OFDM系統(tǒng)，實現(xiàn)的話需要大量的濾波器、正弦波發(fā)生器、調(diào)制器和相干解調(diào)器，這使得系統(tǒng)的實現(xiàn)很復(fù)雜。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）的發(fā)展，已經(jīng)可以采用快速傅里葉變換(FFT)技術(shù)實現(xiàn)[12]，這就降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度，使得OFDM技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中得以推廣使用。</

48、p><p>　　我們對式（2.1）處理，令，對信號以T/N速率進行了采樣，即令t=kT/N (k=0,1,…,N-1),可得：</p><p>　　可以看到等效為對進行IDFT運算。同樣在接收端，為了恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)的符號</p><p>　　根據(jù)上述的分析可以看到，OFDM系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)可以分別由IDFT/DFT來替代。在OFDM系統(tǒng)實際應(yīng)用中，引進更為快捷的快速傅立

49、葉變換(FFT/IFFT)，這樣可以顯著地降低運算的復(fù)雜度。</p><p>　　2.3 OFDM通信系統(tǒng)的保護間隔與循環(huán)前綴</p><p>　　OFDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換使得子載波的數(shù)據(jù)周期相比原來的數(shù)據(jù)符號周期得到了擴展，這一特點使得OFDM系統(tǒng)擁有良好的抗多徑干擾的能力。所以，如果在OFDM符號中間插入保護間隔（GI)，并且保護間隔的長度大于無線信道的最大時延，這樣一個符號的多徑分

50、量就不會對下一個符號造成干擾。但是，當保護間隔只是空白間隔的情況下，由于多徑效應(yīng)的影響，可能會導(dǎo)致子載波之間正交性的破壞，從而產(chǎn)生信道干擾。后來，為了同時消除多徑造成的符號間干擾和插入空白間隔引入的載波間的干擾，Peled提出了在保護間隔用循環(huán)前綴替代[9]，具體如下圖所示:</p><p>　　圖2.3 插入循環(huán)前綴的OFDM符號</p><p>　　在插入的OFDM符號中，保護間隔內(nèi)

51、的數(shù)據(jù)其實是將OFDM符號尾部的一部分數(shù)據(jù)的復(fù)制到該符號的開頭。具體的要求是數(shù)據(jù)數(shù)達到保護間隔的時間長度大于信道最大延時擴展。所以，符號總長度變?yōu)?，這樣，如果保證相鄰OFDM符號之間的保護間隔滿足遠大于的要求的話，引入循環(huán)前綴克服就可以克服符號干擾和載波間干擾。當然，這會帶來功率和信息速率的損失，</p><p>　　其中功率損失可用公式表示為:</p><p>　　由上式可知，就算GI占

52、整個OFDM符號的20%，其功率損失也不會超過1dB，然而信息傳輸速率損失則較大（降低20%）。但如果從插入保護間隔消除ISI和多徑所造成的ICI的影響方面來看，這些功率損失及信息速率損失方面的代價還是值得的。</p><p>　　2.4 OFDM 通信系統(tǒng)框圖</p><p>　　結(jié)合以上介紹，圖2.4是典型的OFDM系統(tǒng)收發(fā)框圖，其中數(shù)據(jù)調(diào)制可以是PSK或QAM調(diào)制，當N很大時，可以

53、用IFFT代替IFD T，這提高了計算效率，功能是相同的，在IFFT轉(zhuǎn)換得到的是一個OFDM的時域數(shù)據(jù)符號，循環(huán)前綴就在其后加入。接收端做相反操作，最后得到原始數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖2.4 OFDM 通信系統(tǒng) 收發(fā)框圖</p><p>　　整體來看，OFDM系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾能力，利用多路傳輸?shù)姆绞?，將頻帶分成若干個相互正交的子載波，允許子信道之間頻譜的重疊，

54、所以頻帶的利用率非常高;它把高速數(shù)據(jù)流通過串并變換，增加了每個子載波上的數(shù)據(jù)符號的持續(xù)時間，可以有效減少多徑信道帶來的符號間干擾，抗多徑干擾能力強;并且可利用FFT技術(shù)快速實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，同時也支持業(yè)務(wù)的非對稱性。</p><p>　　2.5 OFDM的優(yōu)缺點</p><p>　　2.5.1 OFDM的優(yōu)點</p><p><b>　?。?）頻譜效率高

55、</b></p><p>　　由于FFT處理使各個子載波可以部分重疊，理論上可以接近Nyquist極限[5]。OFDM可以實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)用戶的正交，從而有效避免用戶間的干擾，這使其可以實現(xiàn)很高的系統(tǒng)容量。但是，雖然多載波系統(tǒng)在小區(qū)內(nèi)部可以實現(xiàn)正交傳輸，但有可能帶來更嚴重的小區(qū)間的干擾，因此，其小區(qū)間多址問題將更嚴重。</p><p>　?。?）接收信號處理簡單，降低了接收機的實現(xiàn)復(fù)

56、雜度</p><p>　　對于OFDM多址的符號調(diào)制方式，數(shù)據(jù)并行地在多個子載波上進行傳輸，對于每個子載波，多徑時延對傳輸數(shù)據(jù)造成的影響并不嚴重，采用簡單的濾波器就可以補償信道傳輸帶來的損失，所以O(shè)FDM系統(tǒng)可以極大地減小接收端的復(fù)雜度。</p><p><b>　　（3）帶寬擴展型強</b></p><p>　　OFDM系統(tǒng)由于信號帶寬取決于

57、使用的子載波數(shù)量和傅里葉變換的實現(xiàn)方式，因此具有很好帶寬擴展性，而增大帶寬后帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度增加相對不明顯。因此，針對LTE向?qū)拵Щl(fā)展的趨勢，OFDM系統(tǒng)對于大帶寬的有效支持成為其相對于單載波技術(shù)的最大優(yōu)勢。</p><p>　　（4）抗多徑衰落能力強</p><p>　　由于OFDM將寬帶傳輸分成在很多子載波上的進行窄帶傳輸，而每個子載波上的信道可以看做是平坦衰落信道，加上CP的插入，

58、可以采用簡單的抽頭頻域均衡糾正信道的扭曲，從而大大地降低結(jié)合均衡器帶來的復(fù)雜度。</p><p>　?。?）實現(xiàn)MIMO簡單</p><p>　　由于每個OFDM子載波內(nèi)的信道都可以看成是平坦衰落信道，而平坦衰落信道下可以實現(xiàn)更為簡單的MIMO接收。因此，MIMO系統(tǒng)帶來額外復(fù)雜度可以控制在較低的水平（隨天線數(shù)量成線性增加）。</p><p>　?。?）有效克服符號

59、間干擾ISI</p><p>　　有效克服了符號間干擾ISI。OFDM系統(tǒng)把高速的數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使得每一個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，從而可以有效的減小無線信道的ISI，這樣也就減小了接收機內(nèi)均衡的復(fù)雜度，有時甚至可以不采用均衡器，僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法就可以消除ISI的不利影響。</p><p>　　2.5.2 OFDM的缺點</p><p>

60、;<b>　?。?）PAPR問題</b></p><p>　　當獨立調(diào)制的很多載波連貫在一起使用時，OFDM符號就會有很高的均峰比（PAPR）。高均峰比會帶來諸多不利的影響，如增加/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)/模轉(zhuǎn)換的復(fù)雜度、降低RF功率放大器的效率、增加發(fā)射機功放的成本和耗電量，因為不利于在上行鏈路的實現(xiàn)。</p><p>　?。?）時間和頻率同步</p><p

61、>　　OFDM調(diào)制的一個主要缺點是受同步誤差的影響較大，尤其是對載波頻率同步誤差很敏感。時間偏移會導(dǎo)致OFDM子載波的相位偏移，尤其是在頻帶邊緣相位偏移最大。但由于OFDM系統(tǒng)使用了CP，對時間同步在一定程度上可以放松要求。當同步誤差小于CP,系統(tǒng)仍可以維持子載波間的正交性。另一方面，由于OFDM的子載波間隔較短，對頻率偏差敏感，因此OFDM系統(tǒng)需要保持嚴格的頻率同步，以確保子載波間的正交性。頻率偏移對于系統(tǒng)會帶來兩個惡劣影響：一

62、是降低信號幅度，二是造成符號間干擾。</p><p>　　第三章 多徑、多普勒效應(yīng)以及對OFDM的影響</p><p>　　在無線通信系統(tǒng)中，信號從發(fā)射天線到接收天線要經(jīng)過一個時變多徑的信道，從而信號會產(chǎn)生時間選擇性和頻率選擇性衰落。由于接收端和發(fā)射天線的相對移動會產(chǎn)生多普勒頻移，出現(xiàn)多普勒效應(yīng)。信道的多徑傳播引起信號的時間擴展導(dǎo)致頻率選擇性衰落。相干時間或多普勒帶寬用來描述信道的時變特

63、性，多徑時延擴展或相干帶寬用來描述信道的多徑特性。在小于相干時間內(nèi)，信道可以看作是是時不變的，信道的帶寬小于相干帶寬，信道可以看作是非頻率選擇性的。</p><p>　　首先本章簡單介紹一下無線信道的傳播特性，然后介紹多徑、多普勒效應(yīng)以及對OFDM的影響</p><p>　　3.1 無線信道的傳播特性</p><p>　　對于無線信道來說，它是從發(fā)射端到接收端的傳

64、播媒介。電磁波在無線傳輸過程中，電磁波一般要經(jīng)過反射、衍射、散射的傳播路徑到達接收機。接收端的信號是經(jīng)過不同傳輸路徑到達的信而呈現(xiàn)了信的疊加，每個電磁波不僅幅度衰減和相位偏移不同，到達的時間也會不同，從而呈現(xiàn)出信號的衰落特性。根據(jù)衰落特性又分為快衰落和慢衰落。如圖3.1</p><p>　　圖3.1 信號包絡(luò)的起伏變化情</p><p>　　3.1.1 慢衰落 </p>

65、<p>　　如3.1圖所示，接收信號強度的中值出現(xiàn)了緩慢的變化，稱為慢衰落。引起慢衰落的原因主要有兩方面:一是地區(qū)位置的改變;二是氣候條件的變化。慢衰落主要取決于障礙物狀況、電磁波的工作頻率、障礙物與接收端的移動速度。慢衰落信號的強度近似服從對數(shù)正態(tài)分布[9]：</p><p>　　式中為信號的幅度u的均值。當接收端和基站之間的距離為d時，傳播路徑損耗和慢衰落可以聯(lián)合表示為:</p>&

66、lt;p>　　式中n表示路徑衰耗銀子，表示由慢衰落產(chǎn)生的對數(shù)損耗、服從平均和為0標準偏差為的對數(shù)正態(tài)分布。</p><p>　　3.1.2 快衰落</p><p>　　快衰落，小區(qū)間瞬時值變動，體現(xiàn)在接收信號的快速，大幅度的周期性變化，產(chǎn)生原因主要有兩個：多徑效應(yīng)和多普勒頻移。在多徑情況下，沒有直達的路徑，快衰落服從瑞利分布：</p><p>　　式中信號的

67、幅度的均值為：,為其方差。在u=的時候u取得最大值。當有直達的路徑下，快衰落服從萊斯分布:</p><p>　　式中為第一類修正貝賽爾函數(shù)，當即不存在直達路徑的瑞利分布。</p><p><b>　　3.2 多徑效應(yīng)</b></p><p>　　無線信道的主要特征是多徑傳播。在城市市區(qū)，高層建筑較多，到達移動臺的信號不是由單一路徑而來的，而是

68、來自許多路徑的眾多反射波合成的結(jié)果。同一發(fā)射源的電波經(jīng)過不同路徑后到達移動臺的距離不同，因而各條路徑的反射波到達的時間和相位也存在差異。多徑傳播可以使信號基帶部分到達接收機所用的時間延長，由于碼間干擾引起信號衰落和信號失真。</p><p>　　發(fā)射波以不同的傳播方向到達接收機，具有不同的傳播時延。接收機在空間任一點所受到的信號都是許多平面波的矢量疊加，這些平面波具有隨機分布的幅度、相位和入射角。這些多徑成分在接

69、收機處按矢量合并，從而使接收信號產(chǎn)生衰落失真。即使接收機處于靜止狀態(tài)，接受信號也會由于無線信道所處的環(huán)境中物體的運動而長生衰落。</p><p>　　多徑效應(yīng)的基本特性表現(xiàn)在信號幅度的衰落和時延的擴展。如果從空間角度考慮多徑衰落時，接收到的信號的幅度將會隨著移動臺距離的變化而劇烈的衰減，其中由于信號經(jīng)過多條路徑引起的多徑效應(yīng)將會表現(xiàn)為幅度的較快變化，就稱為快衰落。如果幅度隨著距離的增加而進行不斷的衰減，這種反映了

70、地形變化所引起的衰落以及空間擴散損耗，就稱為慢衰落。如果從時間角度考慮，由于信號經(jīng)過了不同的路徑，以至于到達接收機的時間是不同的，例如當基站發(fā)出了一個脈沖信號時，接收機接收的信號不僅包含該脈沖信號，還將包括此脈沖信號的多個時延擴展信號，這種由于多徑效應(yīng)引起的接收信號脈沖寬度擴展的現(xiàn)象稱為時延擴展。由于收發(fā)雙方中至少有一方是在移動，即至少有一方的周圍環(huán)境是變化的，因此，信號的傳播的路徑是隨機的，這就決定了多徑衰落的隨機性[6]。</

71、p><p>　　由于時延擴展，接收信號中的一個符號的波形會擴展到其它的符號當中，從而造成符號間的干擾。為了避免符號間干擾，應(yīng)令符號寬度遠遠大于信道的最大時延擴展。</p><p>　　我們從另一方面頻域來看，首先引出一個重要的概念相干帶寬，在實際中我們用最大時延擴展的倒數(shù)來定義，從而有:</p><p>　　多徑信號的時延擴展可以導(dǎo)致頻率選擇性衰落，即針對信號的不同頻率

72、成分呈現(xiàn)不一致的衰落，引起信號的波形發(fā)生畸變。由此可知，當信號的速率較高，信號帶寬超過無線信道的相干帶寬時，信號經(jīng)過無線信道引起各頻率分量的不一致的變化，引起信號的波形失真，造成符號間的干擾，即發(fā)生了頻率選擇性衰落;反之，當信號的傳輸速率較低，信號帶寬小于相干帶寬時，信號通過無線信道后各頻率分量都受到相同的衰落，因而衰落波形不會失真，沒有符號間干擾，信號只是經(jīng)歷了平衰落，即非頻率選擇性衰落。</p><p>　　

73、3.3 多徑信道對OFDM通信系統(tǒng)的影響</p><p>　　在無線通信的環(huán)境中，信號從發(fā)送機發(fā)出經(jīng)過了多條路勁到達接受機，如圖所示：</p><p>　　圖3.2 多徑效應(yīng)</p><p>　　我們令s(t)為傳輸?shù)男盘枺瑒t接受的信號能夠被寫成多條信道到達之和：</p><p>　　其中，L是到達的路勁數(shù)，分別是幅度和到達的時延：<

74、;/p><p>　　當S(t)是一個慢衰落信號（例如單一頻率或正弦信號），我們假設(shè)傳輸?shù)男艦橛纱丝傻茫邮盏降男盘枮椋?lt;/p><p>　　其中，為多徑環(huán)境的傳輸函數(shù)，我們假設(shè)接收的信號y(t)是慢衰落的信號，因此，s(t)在通過一個不隨時間變化的多徑環(huán)境的傳輸過程中沒有造成波形的失真，但是，信號的幅度已經(jīng)被改變。因此|H()|是關(guān)于角頻率的函數(shù)。</p><p>　　

75、圖3.3 多徑效應(yīng)引起的頻率選擇性衰落</p><p>　　這里，我們假設(shè)有7條多徑，這7條路徑的幅度和到達的時延是隨機選擇的，從圖3.3可知，接收信號的幅度是隨著角頻率而改變的，對于某些頻率，這7個多徑有很小的衰減，對于其他的某些頻率，這7個多徑又有很大的衰減。這種現(xiàn)象被稱為多徑效應(yīng)。從圖可知，多徑衰減是頻率選擇性的。</p><p>　　如果，我們考慮2條多徑，這里的多徑由一條可以直視

76、的一條是經(jīng)過反射的，我們令發(fā)送天線的高度為，接收天線的高度為發(fā)射機和接收機的水平高度為d，所以直視路徑的長度為：</p><p>　　并且，反射波的傳播路徑為：</p><p><b>　　然后傳輸函數(shù)為：</b></p><p>　　這里的R是反射的相關(guān)系數(shù)，和是天線模式的函數(shù)，這里，為了簡便，我們選擇和，R=1，因此我們可以得到：</

77、p><p>　　圖3.4 多徑效應(yīng)分析模型</p><p>　　我們首先看出的幅度與距離d成反比,我們假設(shè)f=1Ghz, λ=0.3,</p><p>　　圖3.5 源和接收器之間的距離的函數(shù)的多徑效應(yīng)</p><p>　　從圖3.5我們可與看出，僅有兩條路徑就會對通信系統(tǒng)造成十分明顯的頻率選擇性衰落，所以在無線通信系統(tǒng)中克服多徑效應(yīng)帶來的影

78、響是十分有必要的。</p><p>　　3.4 多普勒效應(yīng)</p><p>　　在移動無線傳播環(huán)境中，由于移動站或周圍的反射鏡的運動，到達接收機的多徑信道是隨時間變化的，多路徑信號分量的各頻率發(fā)生了變化，即多普勒頻移。不同的多普勒頻移形成了信道的多普勒功率譜，即使在多徑環(huán)境中發(fā)送一個單一的頻率的信號，發(fā)送信號的每個路徑多會產(chǎn)生多普勒頻移，以使得接收側(cè)混合在頻率范圍內(nèi)的信號，即多普勒擴展[

79、8]。</p><p>　　圖3.6 多普勒效應(yīng)</p><p>　　如圖所示（3.6），移動臺在時間內(nèi)以恒定的速度v在長度為d的路徑上行駛，當在端點為X和Y的路徑上運動時收到來自遠端源S發(fā)出的信號。無線電波從源S端發(fā)出，在X點與Y點分別被移動臺接收時所走路徑差為：=d。這里是X和Y處與入射波的夾角。如果設(shè)基站與移動臺之間距離足夠遠，如果可假設(shè)X，Y處的都是相同的。所以，由路程差造成的接

80、收信號相位差則可以表示為：</p><p>　　由此式得出頻率的變化值，即多普勒頻移就可以用如下的公式計算：</p><p>　　其中c是光速，是信號載波頻率，v是接收天線的移動速度，，入是信號載波波長，是波到達方向與接收機運動方向的夾角。于v、是成正比。如果接收天線向波源運動，，;如果接收天線遠離波源，，。當，取得頻移最大值。</p><p>　　如果波的到達角，

81、接受功率將會分布在[]區(qū)間上，接收信號帶寬將會增加，這就造成了信號頻率的彌散，導(dǎo)致時間選著性衰落。</p><p>　　3.5 多普勒頻移對OFDM通信系統(tǒng)的影響</p><p>　　多載波傳輸系統(tǒng)對頻率偏移要比單載波系統(tǒng)敏感得多，當不存在頻偏時，OFDM系統(tǒng)的各個子載波之間保持正交，不存在載波間干擾；而當存在頻偏時，將破壞子載波間的正交性，產(chǎn)生載波間干擾，從而導(dǎo)致較大的性能損失。在加性

82、高斯白噪聲的情況下，一般OFDM系統(tǒng)的頻偏要小于子載波間隔的4%，而在衰落信道的情況下，頻偏要小于子載波間隔的1~2%。</p><p>　　下面討論在加性高斯白噪聲的情況下，頻偏對OFDM系統(tǒng)性能的影響。發(fā)送信號S（k）經(jīng)過串并變換、IFFT運算再經(jīng)過并串變換后，可以表示為：</p><p>　　加循環(huán)前綴后，信號可以表示為：</p><p>　　X(n)=S(N

83、+n),n=-, -</p><p>　　=S(n) ,n=0,1,…,N-1 </p><p>　　其中，為循環(huán)前綴的長度，將x（n）進行D/A轉(zhuǎn)換后，信號可以表示為：</p><p>　　試中，為采樣間隔，T=N為OFDM的有用符號長度（不包括循環(huán)前綴部分），p(t)為發(fā)送脈沖波形。如果我們不考慮循環(huán)前綴，且假定滿

84、足 采樣定理，則x（t）可以簡化為：</p><p>　　假設(shè)因多普勒頻移以及震蕩頻率的差異而使接收端和發(fā)送端產(chǎn)生的載波頻偏為，相位偏差為，于是接收端的載波頻率和相位分別表示為：</p><p>　　, </p><p>　　則接收端接收到的信號可以表示為：</p><p>　　經(jīng)過采樣去掉循環(huán)前綴

85、后，可以得到：</p><p>　　然后對y(n)進行FFT變換并化簡后，可以得到[13]:</p><p><b>　?。?.21）</b></p><p>　　由上式可見，當時，相位偏差不會對有用信號的幅度造成影響，也不會引起載波間的干擾，當然也不會帶來信噪比的SNR的下降，而只會引起相位的偏移。而當=0，時，可以得到：</p>

86、<p>　　由上式可以看到，的影響是很多的，其中包括：相位偏移，信號幅度的衰減，以及子載波間的干擾項。這就說明了破壞了子載波間的正交性，使信道產(chǎn)生載波間干擾（ICI），導(dǎo)致信噪比惡化，由此造成的信噪比損失可以表示為[12]；</p><p><b>　　（3.23）</b></p><p>　　由上式可以看出，損失的信噪比與子載波的數(shù)N和載波的頻偏的大小

87、有關(guān)。圖3.7給出了多普勒頻移造成性能損失曲線圖。假設(shè)數(shù)據(jù)速率為200kHz，SNR=20dB. </p><p>　　圖3.7 多普勒頻移與信噪比損失的關(guān)系曲線</p><p>　　從圖可以看出，即使在多普勒頻移較小的情況下，也會對信噪比造成較大的損失。所以在多載波系統(tǒng)中，系統(tǒng)的性能對頻偏更加敏感，其損耗與載波的總是N成正比。</p><p>　　另外，對于OF

88、DM系統(tǒng)，為了使得信噪比損失盡量小，需要使，對于單載波系統(tǒng)，只須就可以了?？梢?，OFDM系統(tǒng)對頻率偏差比單載波系統(tǒng)敏感一些，且敏感程度與單載波總數(shù)N成正比。另外，單載波系統(tǒng)中，載波頻率偏差對接受信號所造成的衰減和相位旋轉(zhuǎn)可以通過均衡等方法加以克服。</p><p>　　下圖給出了多普勒頻移與幅度衰減的關(guān)系曲線圖。</p><p>　　圖3.7 多普勒頻移與幅度衰減</p>

89、<p>　　由圖可以看出，子載波總數(shù)N越大，幅度衰減就越嚴重。</p><p>　　第四章 多徑效應(yīng)對OFDM通信系統(tǒng)影響的研究</p><p>　　4.1 OFDM抗多徑性能的分析</p><p>　　在OFDM系統(tǒng)中，較低的馬原速率對多徑傳播產(chǎn)生ISI有一定的抑制作用，這是OFDM的一大優(yōu)點。此外，通過在每個OFDM符號前端插入一個保護間隔，可以最

90、大限度地提高系統(tǒng)的抗ISI能力，而且還可以用在接收機中對抗時間的偏差。在OFDM系統(tǒng)中，如果信號傳輸經(jīng)過的是理想信道，那么信號就不會存在干擾，每路子載波之間的正交性就不會遭到破壞，接收機就可以很容易的恢復(fù)出發(fā)送端的信號，但在實際的無線傳輸中，信道非但不是理想的，存在著多徑效應(yīng)，有時候傳輸環(huán)境會非常的復(fù)雜。由于多徑干擾的存在，不同的子載波之間會產(chǎn)生相互的干擾，這樣就會破壞子載波的正交性，最終會導(dǎo)致接收機無法正確解調(diào)出發(fā)送端的信號。<

91、/p><p>　　為了解決這個問題，盡可能的消除多徑所帶來的干擾，需要在每個OFDM符號的前端插入保護間隔(GI，Guard Interval)，為了防止前一個符號的多徑分量影響到下一個符號，那么這個間隔所持續(xù)的時間就要大于無線信道所帶來的最大多徑時延擴展。如果將這段保護間隔設(shè)置為空，由于多徑干擾的存在，子載波間的正交性會遭到破壞，各個子載波間就會相互干擾，即載波間干擾(ICI)。</p><p&

92、gt;　　為了消除由于多徑干擾所造成的ICI，OFDM系統(tǒng)需要插入的保護間隔就必須是循環(huán)前綴（CP），也就是把每個OFDM符號最后面的一部分信號復(fù)制到這個符號的前端，如圖2-4所示。這樣也就可以保證有時延的OFDM信號在FFT積分周期內(nèi)總是具有整倍數(shù)周期。因此，只要多徑時延小于保護間隔持續(xù)的時間，那么子載波間就不會產(chǎn)生干擾。</p><p>　　4.1 OFDM循環(huán)前綴</p><p>

93、　　加入保護間隔會使得OFDM系統(tǒng)損失一定的功率并使得信息傳輸速率有所下降，在此，將功率損失定義如下：</p><p>　　由上式可知，就算GI占整個OFDM符號的20%，其功率損失也不會超過1dB，然而信息傳輸速率損失則較大（降低20%）。但如果從插入保護間隔消除ISI和多徑所造成的ICI的影響方面來看，這些功率損失及信息速率損失方面的代價還是值得的。</p><p>　　4.1.1

94、OFDM系統(tǒng)抗多徑衰落的等效數(shù)學(xué)模型及數(shù)學(xué)推導(dǎo)</p><p>　　假設(shè)發(fā)送端信號為s(t)，經(jīng)過多徑時延信道后，接收到的信號為r(t)，則</p><p>　　其中為時延，為加性高斯白噪聲（AWGN），為信道的沖激響應(yīng)。</p><p>　　有 </p><p>　　其中為最大時延，將上式離散化后（假設(shè)采樣速率足夠，

95、且忽略量化誤差）得到[9]</p><p>　　其中 為離散化后最大的時延點數(shù)， 。</p><p>　　OFDM系統(tǒng)中，不加CP的傳輸表示如下</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　在（4.5）式中，為輸入信號，為上一符號的部分輸入。</p><p>　　可見，沒加

96、CP的時候，一個OFDM符號的輸出不僅與本符號的輸入有關(guān)，且與上一符號的輸入有關(guān)。</p><p>　　其中，第i個子信道表示如下</p><p>　　第i=N-v-1個子信道開始，受到串擾影響，共有個子信道受到影響。</p><p>　　CP的添加如圖4.2所示[10]。</p><p>　　添加CP后，當時延v小于等于CP長度L時，傳輸可

97、表示如下</p><p><b>　　(4.8)</b></p><p>　　其中，第i個子信道接收到的數(shù)據(jù)表示如下</p><p>　　可見，當添加的CP長度大于時延長度時，可以完全消除OFDM符號間串擾。</p><p>　　現(xiàn)在，考慮當時延長度大于CP長度L時，第i個子信道數(shù)據(jù)表示如下</p><

98、;p>　　上式中，到為其它OFDM符號的輸入，即其它符號對本符號產(chǎn)生的串擾。</p><p>　　特別地，在臨界情況下</p><p><b>　　有 </b></p><p>　　此時導(dǎo)致串擾的輸入正好完全消失。</p><p>　　上述推導(dǎo)證明了添加CP可以消除OFDM傳輸中的符號間串擾。</p&g

99、t;<p>　　因此，為保證OFDM系統(tǒng)傳輸中不產(chǎn)生符號間串擾，應(yīng)保證CP長度大于信道的最大多徑時延。</p><p>　　4.1.2 OFDM通信系統(tǒng)抗多徑衰落仿真模型</p><p>　　針對研究目標，將對系統(tǒng)模型進行簡化，認為接收端為理想同步。具體框圖如圖4.3。</p><p>　　圖4.3 OFDM系統(tǒng)仿真框圖</p>&

100、lt;p><b>　　仿真方案：</b></p><p>　　根據(jù)研究點，確定如下仿真內(nèi)容</p><p>　　(1)未加CP的系統(tǒng)在不同信道下的性能</p><p>　　(2)多徑衰落信道下，系統(tǒng)有無添加CP的性能</p><p>　　OFDM系統(tǒng)仿真參數(shù)</p><p>　　(1)IFF

101、T/FFT點數(shù) 256</p><p>　　(2)子載波數(shù) 50</p><p>　　(3)子信道調(diào)制方式 4QAM</p><p>　　(4)CP 長度 16</p><p>　　4.1.3 OFDM系統(tǒng)抗多徑衰落仿真結(jié)果及分析</p><p>　　通過使用MATLAB語言編寫程序，進行仿真，得到仿真曲線圖4.4、

102、圖4.5、圖4.6。</p><p>　　圖4.4 高斯信道和多徑信道下的系統(tǒng)誤碼率曲線</p><p>　　圖4.4給出高斯信道下和多徑衰落信道下系統(tǒng)的誤碼率曲線，該曲線表明OFDM系統(tǒng)仿真過程正確，在多徑信道環(huán)境下，系統(tǒng)的性能急劇惡化。</p><p>　　圖4.5 多徑衰落信道下CP對誤碼率影響曲線</p><p>　　圖4.5給出

103、了多徑衰落信道下添加CP與為添加CP的系統(tǒng)誤碼率曲線，該曲線表明添加CP可以有效提高系統(tǒng)抗多徑衰落干擾。在信噪比較低的情況下，添加CP對系統(tǒng)性能影響不大，原因可能是信噪比較低時，系統(tǒng)的干擾主要是高斯白噪聲干擾，當信噪比提高后，系統(tǒng)干擾轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄰剿ヂ涓蓴_為主，因此添加CP對系統(tǒng)性能改善明顯。</p><p><b>　　4.2 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章

104、首先分析了OFDM系統(tǒng)的抗多徑的性能，我們通過仿真可以認為，由于OFDM系統(tǒng)均采用循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）方式，使得它在一定條件下可以完全消除信號的多徑傳播造成的碼間干擾，在保證理論分析與仿真表明,當最大時延小于CP長度時,多徑的效果僅是各子載波附加了不同的幅度加權(quán)與相移,不會引入ICI,即仍然保持了各子載波的正交，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾的能力。</p><p>　　從多徑信道對

105、信號頻譜影響的角度分析了OFDM系統(tǒng)抗多徑的機理，因為OFDM引入循環(huán)前綴CP，所以，在保證理論分析與仿真表明,當最大時延小于CP長度時,多徑的效果僅是各子載波附加了不同的幅度加權(quán)與相移,不會引入ICI,即仍然保持了各子載波的正交。再對OFDM系統(tǒng)進行仿真研究，用MATLAB語言編寫了OFDM系統(tǒng)發(fā)送、信道和接收整個系統(tǒng)，在系統(tǒng)仿真正確的前提下，對CP、均衡等改善系統(tǒng)性能的方法進行仿真驗證，我們可以認為由于一般的OFDM系統(tǒng)均采用循環(huán)前

106、綴（Cyclic Prefix，CP）方式，使得它在一定條件下可以完全消除信號的多徑傳播造成的碼間干擾，完全消除多徑傳播對載波間正交性的破壞，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾能力。</p><p>　　第五章 多普勒效應(yīng)對OFDM通信系統(tǒng)影響的研究</p><p>　　上面曾經(jīng)提到:在無線通信中，由于發(fā)射機或者接收機的高速移動，信號經(jīng)過無線信道傳輸后將會發(fā)生畸變，從而會引起多普勒頻移