OFDM系统的基本介绍5

第二章OFDM系统的基本介绍...........................................................................52.1OFDM的基本原理.....................................................................................................................52.1.1OFDM的产生和发展............................................................................................................62.1.2DFT的实现............................................................................................................................72.1.3保护间隔、循环前缀和子载波数的选择............................................................................82.1.4子载波调制与解调.............................................................................................................102.2OFDM系统的优缺点...............................................................................................................112.3OFDM系统的关键技术...........................................................................................................11第三章OFDM系统仿真实现...............................................................................133.1OFDM信号的时域及频域波形..........................................................................................133.2带外功率辐射以及加窗技术..............................................................................................153.3在不同信道环境和系统不同实现方式下的仿真..............................................................183.3.1调制与解调.........................................................................................................................183.3.2不同信道环境下的系统仿真实现......................................................................................203.3.3系统不同实现方式的仿真实现..........................................................................................22第四章OFDM系统的仿真结果及性能分析........................................234.1不同信道环境下的误码特性.............................................................................................234.2不同系统实现方式下的误码特性.........................................................................................OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注第二：对传统的频分复用（FDM）系统而言，传播的信号需要在两个信道之间存在较大的频率间隔即保护带宽来防止干扰，这降低了全部的频谱利用率；然而应用OFDM的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽，提高了频谱利用率。如图2-1。在早期时候，正交频分复用（OFDM）系统中，各子载波采用正交滤波器将信道分成多个子信道，但要用很多的滤波器，尤其是当路数增多的时候。1971年，Weinstein及Ebert等将DFT应用在多载波传输系统中，从而很方便地实现了多路信号的复合和分解。OFDM系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调，从而大大简化系统实现的复杂度。图2-1FDM与OFDM带宽利用率的比较接收端进行发送端相反的操作，将RF信号与基带信号进行混频处理，并用FFT变换分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。IFFT和FFT互为反变换，选择适当的变换将信号接收或发送。当信号独立于系统时，FFT变换和IFFT变换可以被交替使用。交织编码数字调制插入导频串并变换解码解交织数字解调信道校正并串变换IFFTFFT并/串串/并插入循环前缀和加窗去除循环前缀RFTXDACRFRXADC定时和频率同步图2-2OFDM收发机框图2.1.2DFT的实现对于N比较大的系统来说，OFDM复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变换（IDFT）方法来实现。为了叙述的简洁，对于信号)(ts以NT的速率进行抽样，即令NkTt)1,,1,0(Nk，则得到:NikjdNkTssNiik2exp1010Nk(2-1)可以看到ks等效为对id进行IDFT运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号id，可以对ks进行逆变换，即DFT得到：)2exp(10NikjsdNkki10Ni(2-2)根据以上分析可以看到，OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT和DFT来代替。通过N点的IDFT运算，把频域数据符号id变换为时域数据符号ks,经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每个IDFT输出的数据符号ks都是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。2.1.3保护间隔、循环前缀和子载波数的选择图2-3加入保护间隔的OFDM符号符号的总长度为sT=gT＋FFTT其中sT为OFDM符号的总长度，gT为采样的保护间隔长度，FFTT为FFT变换产生的无保护间隔的OFDM符号长度，则在接收端采样开始的时刻Tx应该满足下式：gxTTmax(2-7)而如果相邻OFDM符号之间的保护间隔gT满足gT≧max的要求，则可以完全克服ISI的影响。同时，由于OFDM延时副本内所包含的子载波的周期个数也为整数，时延信号就不会在解调过程中产生ICI。OFDM系统加入保护间隔之后，会带来功率和信息速率的损失，其中功率损失可以定义为)1(log1010FFTGguardTTv(2-9)从上式可以看到，当保护间隔占到20％时，功率损失也不到1dB。但是带来的信息速率损失达20％。而在传统的单载波系统中，由于升余弦滤波也会带来信息速率（带宽）的损失，这个损失与滚降系数有关。但由于插入保护间隔可以消除ISI和多径所造成的ICI的影响，因此这个代价是值得的。2.1.4子载波调制与解调（1）调制OFDM采用四种调制方式，分别为BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。调制方式的选择根据SIGNAL中的RATE及速率来决定。6Mbits和9Mbits用BPSK,12Mbits和18Mbits用QPSK,24Mbits和36Mbits用16QAM,48Mbits和54Mbits用64QAM。调制方法如下：首先，把输入的二进制序列分成长度为n＝1，2，4，6的组，分别对应BPSK,QPSK,16QAM和64QAM。接下来，把这些二进制序列组分别映射为星座图中对应的点的复数表示，其实是一种查表的方法。为了所有的映射点有相同的平均功率，输出要进行归一化，所以对应BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，分别乘以归一化系数1，21,101,421.输出的复数序列即为映射后的调制结果。2.3OFDM系统的关键技术①时域和频域同步②信道估计在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。③信道编码和交织为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。OFDM系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。降低峰均功率比由于OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比（PeaktoAveragePowerRatio,PAPR）的OFDM信号，发送端对高功率放大器（HPA）的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。④均衡在一般的衰落环境下，OFDM系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，OFDM系统就不必再做均衡了。在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀CP（CyclicPrefix）的长度必须很长，才能够使ISI尽量不出现。但是，CP长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。第三章OFDM系统的仿真实现3.1OFDM信号的时域及频域波形为了提高系统的性能，大多数系统采用数据加扰作为串并转换工作的一部分。这可以通过把每个连续的数据比特随机地分配到各个子载波上来实现。这种将比特错误位置的随机化可以提高前向纠错编码FEC的性能，并且系统的总的性能也得到改进。一个OFDM符号之内包含多个经过相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM）的子载波。其中，N表示子载波的个数，T表示OFDM符号的持续时间（周期），id(1,,2,1,0Ni)是分配给每个子信道的数据符号，if是第i个子载波的载波频率，2,1)(Tttretc,则从stt开始的OFDM符号可以表示为：)(2exp2Re)(10siNisittfjTttretcdts(为什么取实部)Ttttss(