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(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)原理及仿真實(shí)現(xiàn) 一、 摘要：OFDM是一種無(wú)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(duì)低速的并行數(shù)據(jù)并對(duì)不同的載波進(jìn)行調(diào)制。這種并行傳輸體制大大擴(kuò)展了符號(hào)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(shí)現(xiàn)起來(lái)的系統(tǒng)復(fù)雜度較高，所以一直沒有發(fā)展起來(lái)；70年代，提出用離散傅立葉變換（DFT）實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制，為OFDM的實(shí)用化奠定了理論基礎(chǔ)；80年代，首先分析了OFDM在移動(dòng)通信中應(yīng)用存在的問題和解決方法。從此以后，OFDM在移動(dòng)通信中的應(yīng)用才如火如荼地開展起來(lái)。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(lái)抑制多徑效應(yīng)，數(shù)據(jù)符號(hào)映射到一個(gè)相應(yīng)的星座圖上(如QPSK，QAM)，結(jié)果I(Iraage，虛部)和R(Real，實(shí)部)值存儲(chǔ)在緩沖器中，并應(yīng)用IFFT在正交載波上進(jìn)行調(diào)制，數(shù)據(jù)被準(zhǔn)備發(fā)送并被串行化；另外為抵抗多徑效應(yīng)加上一個(gè)循環(huán)前綴。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)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(cuò)(Forward Error Correction)：信道編碼采用Reed-Solomon碼、卷積糾錯(cuò)碼、維特比碼或TURB0碼。交錯(cuò)器：交錯(cuò)器用于降低在數(shù)據(jù)信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，交錯(cuò)后的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)串并行轉(zhuǎn)換器，將I

3、、R值映射到一個(gè)相應(yīng)的星座圖上。星座圖：多載波OFDM 被認(rèn)為優(yōu)于N個(gè)獨(dú)立的由單載波調(diào)制的子頻帶。星座圖將符號(hào)映射到相應(yīng)的星座點(diǎn)上。這一過(guò)程產(chǎn)生IR值，它們被濾波并送到IFFT 上進(jìn)行變換。緩沖：用于存儲(chǔ)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(gè)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(gè)并串緩沖器，串行數(shù)據(jù)通過(guò)DAC變換為發(fā)送做準(zhǔn)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(gè)的OFDM符號(hào)個(gè)體創(chuàng)建一個(gè)保護(hù)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(lì)響應(yīng)過(guò)濾器(Shaper-FIR)用于整形信號(hào)。 OFDM收發(fā)接收機(jī)框圖OFDM系統(tǒng)原理:1、DFT的實(shí)現(xiàn)傅立葉變換將時(shí)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(hào)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(hào)在時(shí)域和頻域上均被抽樣。由DFT的定義，時(shí)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)?？焖俑盗⑷~變換FFT僅是DFT計(jì)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(duì)于比較大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，OFDM復(fù)等效基帶信號(hào)可以采用離散傅立葉逆變換（IDFT）方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了敘述的簡(jiǎn)

5、潔，對(duì)于信號(hào)以的速率進(jìn)行抽樣，即令，則得到: (2-1)可以看到等效為對(duì)進(jìn)行IDFT運(yùn)算。同樣在接收端，為了恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)符號(hào)，可以對(duì)進(jìn)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(lái)代替。通過(guò)點(diǎn)的IDFT運(yùn)算，把頻域數(shù)據(jù)符號(hào)變換為時(shí)域數(shù)據(jù)符號(hào),經(jīng)過(guò)射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無(wú)線信道中。其中每個(gè)IDFT輸出的數(shù)據(jù)符號(hào)都是由所有子載波信號(hào)經(jīng)過(guò)疊加而生成的，即對(duì)連續(xù)的多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波的疊加信號(hào)進(jìn)行抽樣得到的。在OFDM系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立葉變換（IFFT/FFT）。點(diǎn)IDFT運(yùn)算需要實(shí)施次的復(fù)數(shù)乘法，而

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

7、間隔長(zhǎng)度一般要大于無(wú)線信道中的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾。在這段保護(hù)間隔內(nèi)可以不插任何信號(hào)，即是一段空白的傳輸時(shí)段。然而在這種情況下，由于多徑傳播的影響，則會(huì)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(gè)OFDM符號(hào)中都包括所有的非零子載波信號(hào)，而且也可同時(shí)出現(xiàn)該OFDM符號(hào)的時(shí)延信號(hào)，圖 21給出了第一子載波和第二子載波的時(shí)延信號(hào)。從圖中可以看到，由于在FFT運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，第一子載波和第二子載波之間的周期個(gè)數(shù)之差不在是整數(shù)，所以當(dāng)接收機(jī)試圖對(duì)第一個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，第二子載波會(huì)對(duì)第一子

8、載波造成干擾。同樣，當(dāng)接收機(jī)對(duì)第二子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，也會(huì)存在來(lái)自第一子載波的干擾。圖 21 多徑情況下，空閑保護(hù)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(hào)的符號(hào)速率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hào)速率就相當(dāng)于傳輸?shù)谋忍厮俾?，而在OFDM中，系統(tǒng)帶寬由個(gè)子載波占用，符號(hào)速率則倍低于單載波傳輸模式。正是因?yàn)檫@種低符號(hào)速率使OFDM系統(tǒng)可以自然地抵抗多徑傳播導(dǎo)致的符號(hào)間干擾（ISI），另外，通過(guò)在每個(gè)符號(hào)的起始位置增加保護(hù)間隔可以進(jìn)一步抵制ISI，還可以減少在接收端的定時(shí)偏移錯(cuò)誤。這種保護(hù)間隔是一種循環(huán)復(fù)制，增加了符號(hào)的波形長(zhǎng)度，在符

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

10、號(hào)周期相對(duì)于信道的脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度很大，則符號(hào)間干擾（ISI）的影響很小，將會(huì)沒有符號(hào)間干擾（ISI）；而如果相鄰OFDM符號(hào)之間的保護(hù)間隔滿足的要求，則可以完全克服ISI的影響。同時(shí)，由于OFDM延時(shí)副本內(nèi)所包含的子載波的周期個(gè)數(shù)也為整數(shù)，時(shí)延信號(hào)就不會(huì)在解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生ICI。OFDM系統(tǒng)加入保護(hù)間隔之后，會(huì)帶來(lái)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(hù)間隔占到20時(shí)，功率損失也不到1dB。但是帶來(lái)的信息速率損失達(dá)20。而在傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)中，由于升余弦濾波也會(huì)帶來(lái)信息速率（帶寬）的損失，這個(gè)損失與滾降系數(shù)有關(guān)。但由于插入保護(hù)間隔可以消除ISI和多徑所造成的I

11、CI的影響，因此這個(gè)代價(jià)是值得的。加入保護(hù)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(hù)間隔，利用IDFT/DFT實(shí)施的OFDM系統(tǒng)框圖通過(guò)適當(dāng)選擇子載波個(gè)數(shù)，可以使信道響應(yīng)平坦，插入保護(hù)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(lái)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(hù)間隔大小:16; 調(diào)制方式為QPSK:4; 每幀符號(hào)數(shù):5; 仿真幀數(shù):200; 信噪比從0db到12db;如圖所示，用號(hào)表示的藍(lán)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(shí)可知，經(jīng)過(guò)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(hào)表示的紅線代表實(shí)際仿真出來(lái)的誤碼率，由于仿真的點(diǎn)數(shù)只有數(shù)量級(jí)，所以誤碼率只能仿真到數(shù)量級(jí)。由圖中看出，兩條曲線基本吻合，說(shuō)明經(jīng)過(guò)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(hào)表示的藍(lán)線（上方）表示在有多徑衰落情況下的系統(tǒng)誤碼性能，以*號(hào)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?yàn)槎鄰綍r(shí)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(shí)延對(duì)系統(tǒng)誤碼性能的影響:下面比較隨著多徑衰落中時(shí)延的增大，系統(tǒng)誤碼性能的改變，在此次仿真中，逐漸使時(shí)延從4點(diǎn)開始增大，依次為10點(diǎn)，20點(diǎn)，在前兩種情況下時(shí)延未超出保護(hù)間隔，而第三種情況下，時(shí)延已超出保護(hù)間隔，仿真結(jié)果如下： 如上圖所示，最下方的線表示多徑時(shí)延為4點(diǎn)的情況，中間的線表示多徑時(shí)延為10點(diǎn)的情況，最上面的線表示多徑時(shí)延為20點(diǎn)的情況。從圖中可以看出，當(dāng)信噪比比較小的時(shí)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(shí)延未超出保護(hù)間隔的時(shí)候，系統(tǒng)誤碼性能比較接近，

14、雖然誤碼率會(huì)隨著多徑時(shí)延的增大而增大，但增加的幅度很小，而當(dāng)多徑時(shí)延大于保護(hù)間隔時(shí)，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(duì)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(duì)比多徑衰落中時(shí)延對(duì)誤碼率的影響，可以看出，系統(tǒng)對(duì)衰落幅度的敏感程度要遠(yuǎn)大于系統(tǒng)對(duì)時(shí)延大小的敏感程度。因

15、此在以后對(duì)OFDM系統(tǒng)分析時(shí)，要更加注意考慮多徑衰落的幅度的因素。 不同系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式下的誤碼特性下面比較在系統(tǒng)有保護(hù)間隔和無(wú)保護(hù)間隔時(shí)，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(hù)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(wú)保護(hù)間隔下的誤碼率，可以從中看出，當(dāng)系統(tǒng)采用保護(hù)間隔措施時(shí)，可以在一定程度上克服多徑衰落帶來(lái)的信道間干擾，使誤碼率下降，但付出的代價(jià)是使系統(tǒng)的容量變小，但與其帶來(lái)的誤碼特性的改善相比，是值得的。四、OFDM 技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用 OFDM 的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)(1)把高速率數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)增長(zhǎng)，從而有效的減少由于無(wú)線信道的時(shí)間彌散

16、所帶來(lái)的ISI，減少了接收機(jī)內(nèi)均衡器的復(fù)雜度，有時(shí)甚至可以不采用均衡器，而僅僅通過(guò)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(gè)不相交的子頻帶并行傳輸數(shù)據(jù)流，各個(gè)子信道之間要保留足夠的保護(hù)頻帶而OFDM 系統(tǒng)由于各個(gè)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(gè)數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2BaudHz。(3)各個(gè)子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可以通過(guò)采用離散傅立葉反變換(IDFT)和離散傅立葉變換(DFT)的方法實(shí)現(xiàn)，在子載波很大的系統(tǒng)中，可以通過(guò)采用快速傅立葉變換(F

17、FT)來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)的。(4)無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般存在非對(duì)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(duì)稱高速率數(shù)據(jù)傳輸，OFDM 系統(tǒng)可以通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)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(gè)用戶可以同時(shí)利用OFDM技術(shù)進(jìn)行信息的傳輸。OFDM 系統(tǒng)的缺點(diǎn)(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(duì)它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求由于無(wú)線信道的時(shí)變性，在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的無(wú)線信號(hào)頻譜偏移或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)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(duì)頻率偏差的敏感性是OFDM 系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。(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(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此如果多個(gè)信號(hào)的相位一致時(shí)，所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比(PAPR，PeaktoAverage Radio)這就對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求，因此可能帶來(lái)信號(hào)畸變，使信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個(gè)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(shí)例。在歐洲如ETSI標(biāo)