多带OFDM超宽带系统中卷积编码的研究

多带OFDM超宽带系统中卷积编码的研究一实验目的：掌握信道编码，卷积编码的编码与解码方式，熟练操作Matlab软件；二实验要求：1、Matlab完成简单的OFDM信号的产生与解调程序；2、信道编码采用卷积编码，解码采用维特比译码；3、OFDM符号采用QPSK映射方式；4、采用不同的编码速率进行编码，如：1/3,1/2,5/8,or3/4；5、在AWG信道下，比较卷积编码的OFDM系统的误比特率性能；三实验工具：MathworksMatlab四实验内容：一OFDM的介绍OFDM是正交频分复用的英文缩写，正交频分复用技术(OFDM)是一种多载波数字调制技术，OFDM技术提高了系统的整体性能和频谱利用率、系统容量，减小了接收机内均衡器的复杂程度，最大限度提高物理层信息传输的可靠性。适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。OFDM传输技术则提供了让数据以较高的速率在较大的信道上传输的另一种途径。其基本思想是把一个高速的数据流分解成许多低速率的子数据流，以并行的方式在多个子信道上传输。OFDM应用离散傅里叶变换(DFT)和其逆变换(IDFT)方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。解决了多载波传输系统发送和传送的难题。应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低。从此OFDM技术开始走向实用。但是应用OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程，而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件，因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。近些年来，集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展，以及对无线通信高速率要求的日趋迫切，OFDM技术再次受到了重视。二OFDM原理OFDM——OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCMMulti-CarrierModulation，多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。包括以下类型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多带-OFDM。OFDM的基本思想是把高速率的信源信息流通过串并变换，变换成低速率的N路并行数据流，然后将这N路数据流分别调到N个相互正交的子载波上，再将N路调制后的信号相加即得发射信号。设一个OFDM符号之内包含N个经过相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM）的子载波。T表示OFDM符号的持续时间（周期），则OFDM的基带信号为102)(NnTntjnedts对于信号s（t）以T/N的速率进行抽样，即令t=kT/N（k=0，1，…，N－1），则可得：)10()/(102NkedNkTssNnTnkjnk可以看出，抽样值刚好为N点反离散傅里叶变换（IDFT）。同样在接收端，恢复原始数据符号nd的处理就可以通过对ks进行N点离散傅里叶变换（DFT）获得。由此可见，OFDM系统的调制和解调可以分别通过IDFT/DFT来实现。图1为OFDM系统的调制与解调框图。在OFDM系统的实际应用中，N点IDFT运算需要进行N2次复数乘法和N（N－1）次复数加法，对于子载波数量非常大的OFDM系统而言，可以进一步采用Radix-2，Radix-4或分裂基FFT算法。N点Radix-2FFT算法中需要N2lbN次复数乘法和NlbN次复数加法；N点Radix-4算法仅需3NlogN4次复数乘法和3NlogN4次复数加法，同Radix-2算法相比能够减少加法器和乘法器的使用数量，从而节省硬件资源、降低功耗、提高运算速度，满足OFDM技术的实时性要求。同时Radix-4FFT算法的优点是只存在与{1，－1，j，－j}的相乘运算，因此可以不使用完整的乘法器，而通过简单的加减法以及交换实部和虚部（当与j或－j相乘时）就可以实现乘法运算。因此优先选用Radix-4FFT算法。图3-1OFDM系统调制解调框图三OFDM优点1、频谱效率高由于FFT处理使各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。以OFDM为基础的多址技术OFDMA(正交频分多址)可以实现小区内各用户之间的正交性，从而有效地避免了用户间干扰。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。2、带宽扩展性强由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性。小到几百kHz，大到几百MHz，都很容易实现。尤其是随着移动通信宽带化(将由￡5MHz增加到最大20MHz)，OFDM系统对大带宽的有效支持，成为其相对于单载波技术(如CDMA)的“决定性优势”。3、抗多径衰落由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽(如20MHz)。4、频谱资源灵活分配OFDM系统可以通过灵活的选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。5、实现MIMO技术较简单由于每个OFDM子载波内的信道可看作水平衰落信道，多天线(MIMO)系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平(随天线数量呈线性增加)。相反，单载波MIMO系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于MIMO技术的应用。6、适合高速数据传输OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。7、抗码间干扰（ISI）能力强码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。四OFDM技术的不足之处包括以下方面1、对频偏和相位噪声比较敏感OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1％的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。2、功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。当然这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。3、负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度每小时高于30公里时，自适应调制技术就不是很适合了我们小组本次实验主要研究的是卷积编码技术及其在OFDM系统中的应用。在分析OFDM系统的关键技术和优缺点的基础上，分析了信道编码在OFDM系统中的误码率性能;并结合其他编码方法，研究了OFDM系统中卷积编码的重要作用。五OFDM系统的关键技术同步技术OFDM系统中，Ｎ个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏离它真确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差坏子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时，就可以用内插滤波器来控制真确的时间进行采样。相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响，其次也会引人一定量的信道间干扰（ICI），因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/Ｔ了。载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加，它们之间的正交性有严格的要求。无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移，多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。多普勒展宽会导致频率发生弥散，引起信号发生畸变。从频域上看，信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此对于要求子载波严格同步的OFDM系统来说，载波的频率偏移所带来的影响会更加严重，如果不采取措施对这种信道间干扰（ICI）加以克服，系统的性能很难得到改善。OFDM中的同步通常包括3方面的内容：（1）帧检测；（2）载波频率偏差及校正；（3）采样偏差及校正。由于同步是OFDM技术中的一个难点，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法，其中ESPRIT算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而ML算法利用OFDM信号的循环前缀，可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与ESPRIT算法相比，其计算量要小得多。对OFDM技术的同步算法研究得比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。OFDM系统对定时频偏的要求是小于OFDM符号间隔的4%，对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的1%~2%，系统产生的-3dB相位噪声带宽大约为子载波间隔的0.01%~0.1%。PARP的解决由于OFDM信号是有一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成较大的PAPR。大的OFDMPAPR信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内失真。但是由于大的PARP的概率并不大，可以把大的PAPR值的OFDM信号去掉。但是把大的PAPR值的OFDM信号去掉会影响信号的性能，所以采用的技术必须保证这样的影响尽量小。一般通过以下几种技术解决：（1）信号失真技术。采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。（2）编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的PAPR的OFDM符号去除。（3）扰码技术。采用扰码技术，使生成的OFDM的互相关性尽量为0，从而使OFDM的PAPR减少。这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置，典型的有PTS和SLM训练序列/导频及信道估计技术接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。在系统采用相干检测时，信道估计是必须的。此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。在OFDM系统中，导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽，在时域上，导频的间隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小于相干带宽。实际应用中，导频的