【正文】 無(wú)線通信，再到現(xiàn)在的光纖通信 [2]。 分析研究表明，在信噪比較小時(shí)， RS 編碼對(duì) OFDM 系統(tǒng)的差錯(cuò)性能有明顯改善，但當(dāng)信噪比達(dá)到一定值時(shí)，經(jīng)過(guò) RS 編碼后的系統(tǒng)性能急劇下降，說(shuō)明 RS 編碼對(duì)系統(tǒng)誤碼性能的改善程度是有限的；另外，當(dāng)信噪比 相同時(shí)，隨著多普勒頻移的不斷增大，OFDM 系統(tǒng)的誤碼率也不斷變大，說(shuō)明多普勒頻移對(duì)系統(tǒng)的差錯(cuò)性能有一定的負(fù)面影響。 OFDM技術(shù)能夠有效地抵抗多徑衰落、抑制噪聲和干擾，并且能夠大幅度地提高無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸速率和信道容量，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。 本文主要介紹了 OFDM 系統(tǒng)的基本原理以及 其優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)闡述了 RS 編碼技術(shù)，并簡(jiǎn)單敘述了各種關(guān)鍵技術(shù)。 此外，簡(jiǎn)要分析了 OFDM 系統(tǒng)的差錯(cuò)性能的影響因素以及仿真曲線出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)的原因。到目前為止，移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)了三個(gè)主要發(fā)展階段，每個(gè)階段的發(fā)展都是技術(shù)的突破和觀念的創(chuàng)新，不僅集中了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的許多成就；也集中了有線通信、無(wú)線通信的最新技術(shù)成果。T)成功研制 了第一代蜂窩通信系統(tǒng)，即先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng) (Advantage Mobile Phone System,AMPS),并組建了蜂窩狀模擬移動(dòng)通信網(wǎng)，使系統(tǒng)容量大大提高了，此時(shí)，蜂窩式公共移動(dòng)通信網(wǎng)也已逐漸在一些發(fā)達(dá)國(guó)家出現(xiàn)。在這個(gè)階段，歐洲率先提出了全球移動(dòng)通信系統(tǒng) (Global System for Mobile， GSM)，而窄帶碼分多址 (CodeDivision Multiple Access,CDMA)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)緊隨其后由美國(guó)高通公司提出，這是移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展中的具有重要意義的事件。 OFDM 技術(shù)作為一種具有較高頻譜利用率且可以有效對(duì)抗子載波間干擾的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，引起了世界各國(guó)通信界的高度重視，并在數(shù)字廣播、數(shù)字通信、移動(dòng)通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是一種強(qiáng)有力的數(shù)字調(diào)制方式，由于這些突出的優(yōu)點(diǎn)以及優(yōu)異的性能使其受到人們的青睞，并成為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)為廣闊的發(fā)展前景。首次提出了 OFDM 理論，并在 1970 年成功獲得專利。 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(kuò)展取代了傳統(tǒng)的保護(hù)間隔，從而解決了正交性的問(wèn)題。 19 世紀(jì) 90年代末 通過(guò)了一個(gè)5GHz 的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中它的物理層標(biāo)準(zhǔn)采用的是 OFDM 技術(shù) 。伴隨著 BRANHyperLAN/2和 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用在局域網(wǎng)中， OFDM 技術(shù)將會(huì)在無(wú)線數(shù)據(jù)本地環(huán)路的廣域網(wǎng)領(lǐng)域貢獻(xiàn)更多力量。目前常用的仿真技術(shù)主要有： (1)Matlab 仿真平臺(tái)。使用Simulink 可以更加方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模，并進(jìn)行基于時(shí)間流的系統(tǒng)仿真，使得系統(tǒng)仿真建模與工程中的方框圖結(jié)合起來(lái)。此外， OFDM 系統(tǒng)采用的加載算法使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。 (4) 易于和其他多種接入方法結(jié)合使用 OFDM易 于和其他多種接入方法結(jié)合使用 ,構(gòu)成 OFDMA系統(tǒng)，其中包括跳頻 OFDM、多載波碼分多址 MCCDMA 以及 OFDMTDMA 等等，使得多個(gè)用戶可以利用 OFDM技術(shù)同時(shí)進(jìn)行信息的傳輸。 (2)峰值平均功率比較高 由于 OFDM 系統(tǒng)中各子載波相互獨(dú)立，峰值功率與均值功率比相對(duì)較大，且隨子載波數(shù)目的增加而增加。 本文的 主要內(nèi)容 本文的主要內(nèi)容安排如下： 第一章主要介紹了移動(dòng)通信的發(fā)展史以及 OFDM 的發(fā)展現(xiàn)狀，然后介紹了 OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及不足。 第五章為總結(jié)和展望，對(duì)本論文進(jìn)行概括總結(jié) ,并對(duì) OFDM 技術(shù)的未來(lái)發(fā)展作出展望。 正交頻分復(fù)用 (OFDM)的基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中進(jìn)行傳輸。 信號(hào)的表達(dá)式及其正交性 OFDM 的根本思想是通過(guò)串并變換把串行的高速數(shù)據(jù)流變成并行的低速數(shù)據(jù)流，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就在于保證各個(gè)子載波之間的正交性，這也是 OFDM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。其中實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)于 OFDM 符號(hào)的同相分量和正交分量，實(shí)際中可與相應(yīng)的子載波分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的 OFDM 信號(hào)。 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 8頁(yè) 圖 OFDM 基帶傳輸系統(tǒng)的框圖 [6] 比如可以對(duì)式 (22)中的第 j 個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，并在時(shí)間 T 內(nèi)進(jìn)行積分，如式 (24)所示： 1^0101 e xp( 2 ( ) ) e xp( 2 ( ) )1 e xp( 2 ( ) )ssNtTi s i stiNsjijjd j t t d j t t dtT T Tiji t t dt dTT????????? ? ? ??? ? ???? (24) 由此以及積分的知識(shí)可以得出，只有對(duì)第 j 個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)可以恢復(fù)出原始信號(hào)，而對(duì)于其他子載波進(jìn)行解調(diào)積分，結(jié)果 均為零，這是由于由于在積分區(qū)間 T 內(nèi)，頻率差別產(chǎn)生了整數(shù)倍個(gè)周期。當(dāng)接收 端進(jìn)行解調(diào)時(shí)，需要計(jì)算每個(gè)子載波頻譜的最大值，只要保證子載波沒(méi)有發(fā)生頻偏，就可以準(zhǔn)確的解調(diào)出每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù)。通過(guò)離散傅里葉反變換，把頻域數(shù)據(jù)di變成時(shí)域的數(shù)據(jù) S(k)，經(jīng)過(guò)射頻載波調(diào)制后，發(fā)送到無(wú)線信道中。但此時(shí)，子載波間的正交性會(huì)遭到破壞，這是由于多徑傳播的影響，亦即會(huì)產(chǎn)生信道間干擾 （ InterChannelInterference,ICI)，如圖 所示，圖中以兩個(gè)子載波為例，其中第二個(gè)子載波帶有一定的延時(shí)，由圖可知，在這種情況下，第一子載波和第二子載波之間的周期數(shù)之差不在是整數(shù)，也就是不再滿足各子載波間的正交性，因此當(dāng)在接收端解調(diào)第一個(gè)載波的信號(hào)時(shí)，第二個(gè)子載波會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的干擾；同理，當(dāng)在接收端解調(diào)第二 個(gè)子載波的信號(hào)時(shí)，也會(huì)引入第一子載波的干擾 [13]。具體實(shí)現(xiàn)方法是將每個(gè)符號(hào)的后Tg 時(shí)間中的樣點(diǎn)復(fù)制到該 OFDM 符號(hào)的最前面，從而形成前綴，但在交接點(diǎn)處沒(méi)有出現(xiàn)任何間斷。由于 OFDM 符號(hào)是由 N 個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波組成，所以其功率譜密度 2()Sf 是由 N 個(gè)子載波上的信號(hào)功率譜密度之和構(gòu)成的，如式 (28)： 2120s in ( ( ) )1() ()N iii if f TS f d T f f TN ?????? ?? (28) OFDM 符號(hào)的功率譜密度存在這樣一個(gè)問(wèn)題，其 帶外輻射的功率比較大 ，即 OFDM符號(hào)的 帶外衰減較慢 ，隨著子載波數(shù)量 N 的不斷增加，這個(gè)現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)，具體表現(xiàn)在OFDM 符號(hào)功率譜密度的下降速度會(huì)逐漸增加，即各個(gè)子載波功率譜密度主瓣和旁瓣會(huì)變窄。然后將 IFFT 輸出的尾部 Tprefix個(gè)樣值插入 OFDM 符 子載波為 256 子載波為 512 子載波為1024 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 14頁(yè) 號(hào)的頭部，將 OFDM 符號(hào)頭部的 Tpostfix個(gè)樣值插入 OFDM 符號(hào)的尾部。雖然增大滾降系數(shù)有利于加快帶外衰減速度，但也帶來(lái)了問(wèn)題，這樣會(huì)使 OFDM 系統(tǒng)的抗多徑時(shí)延的能力下降。所謂同步就是要求首發(fā)雙方在時(shí)間上步調(diào)一致，它是 OFDM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。 因此在接收機(jī)正常工作以前， OFDM 系統(tǒng)要完成以下兩種同步任務(wù)，其一是頻域同步，具體工作是要校正接收信號(hào)的載波偏移和系統(tǒng)估計(jì)；其二是為減小載波干擾和碼間干擾的影響，需要確定符號(hào)定界，并提取最佳的采樣時(shí)鐘，即為時(shí)域同步。符號(hào)同步的具體實(shí)施方法是首先由相關(guān)運(yùn)算獲得同步信號(hào)，然后通過(guò)一定的檢測(cè)方法來(lái)得到符號(hào)的起始位置。 (3)載波同步：載波同步誤差尤為重要，主要是由于 Doppler效應(yīng)以及振蕩器的不穩(wěn) 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 17頁(yè) 定等因素引起的，在接收端收到的信號(hào)載波與發(fā)送端發(fā)送的載波在相位和頻率上有偏差。如果頻率偏差是子載波間隔的整數(shù)倍，即為所謂的整數(shù)部分；而當(dāng)載波偏差不是子載波間隔的整數(shù)倍時(shí)，即所謂的小數(shù)部分，也稱分?jǐn)?shù)頻偏，此時(shí)會(huì)造成子信道間的干擾，而整數(shù)部分僅僅使信息符號(hào)在信道上平移。 (2)符號(hào)定時(shí)偏差對(duì) OFDM 系統(tǒng)的影響 : 由于 OFDM 符號(hào)采用了插入循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔的方法，所以只要 其 定時(shí)同步的起始時(shí)刻在保護(hù)間隔內(nèi)變化，便不會(huì)造成 ICI和 ISI，但會(huì)損失一定的能量。 信道估計(jì)技術(shù) 無(wú)線通信信道 在介紹 OFDM 系統(tǒng)的信道估計(jì)技術(shù)之前，首先要了解 OFDM 系統(tǒng)中信號(hào)傳播信道的性能。其中小尺度衰落的類型取決于信號(hào)參數(shù) (帶寬，符號(hào)速率等 )和信道參數(shù) (多普勒擴(kuò)展和最大延時(shí)擴(kuò)展等 )。 路徑損耗是指當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的距離在較大尺度上發(fā)生變化，此時(shí)所接收到的信號(hào)的平均功率值與信號(hào)傳輸距離的 n 次方具有反比例關(guān)系， n 即 為路徑損耗指數(shù)。這種移動(dòng)性將帶來(lái)一個(gè)負(fù)面影響，即導(dǎo)致接收信號(hào)的頻率發(fā)生偏移，產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展，造成信號(hào)信道的時(shí)變特性。采用差分調(diào)制時(shí)，在接收端可以做非相干解調(diào)，一般適用于較低的數(shù)據(jù)速率；而當(dāng)數(shù)據(jù)速率較高時(shí)，采用相干檢測(cè)需要利用信道信息，所以需要在接收端進(jìn)行信道估計(jì)。 基于訓(xùn)練序列的估計(jì)算法是指接收機(jī)利用已知的信息來(lái)進(jìn)行信道估計(jì)，其缺點(diǎn)是訓(xùn)練序列占用了一定的信息比特，從而降低了信道傳輸?shù)挠行浴? 峰均功率比 由于 OFDM 系統(tǒng)采用了正交頻分信道，所以能夠支持高速無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，且不需要復(fù)雜均衡技術(shù)。為了較好解決上述由峰均值功率比過(guò)高帶來(lái)的問(wèn)題，有必要深 入研究峰均功率比，進(jìn)而改善 OFDM 系統(tǒng)性能。根據(jù)時(shí)域相乘等效于頻域卷積的原理可知，經(jīng)過(guò)限幅的 OFDM 符號(hào)的頻譜等于原始信號(hào)頻譜與窗函數(shù)頻譜的卷積，所以其帶外頻譜特性主要由兩者之間頻譜寬度較大的信號(hào)來(lái)決定，即由窗函數(shù)的頻譜決定。將上述方法 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 21頁(yè) 進(jìn)行改進(jìn)，即壓縮擴(kuò)張變換，此方法是將小功率信號(hào)進(jìn)行放大，而將大功率信號(hào)進(jìn)行壓縮，這樣可以基本保證發(fā)射信號(hào)的平均功率保持不變，因此不僅可以減小系統(tǒng)的峰值平均功率比，還可以使得小功率信號(hào)抗干擾能力有所加強(qiáng) [4]。目前所使用的有選擇性映射方法以及部分傳輸序列方法。在 (n,k)RS 碼中，其中 n 為碼字長(zhǎng)度， k 為信息碼元的數(shù)目。本原多項(xiàng)式是指可以除盡 xω+1 的 m 次既約多項(xiàng)式，其中 ω=2m1。其中表中的字母 a 表示伽羅華域中的元素，亦即本原多項(xiàng)式的根。由編碼框圖可得，輸入碼流為由每組 5 個(gè)符號(hào)組成即 B0,B1,B2,B3,B4 。 (其最大可能的最小距離是校驗(yàn)元的個(gè)數(shù) 加 1， 設(shè)計(jì)的距離與實(shí)際距離是 一致的。 在傳輸過(guò)程中，只有一組發(fā)生錯(cuò)誤，比如假設(shè) B1組出現(xiàn)錯(cuò)誤，此時(shí) B1=B1+B1，于是校正方程為： ? 1 0 1 1 2 3 4 0 1 12 3 4 5 6 7 22 0 1 1 2 3 4 0 1 139。S B B B B B B Q Q BS a B a B B a B a B a B a Q a Q a B? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? (310) 從上式可得， S2=a2S1。 交織的作用是將原始數(shù)據(jù)打亂，使交織前后的數(shù)據(jù)序列相關(guān)性很弱，這樣就大大降低了數(shù)據(jù)突發(fā)錯(cuò)誤 的影響。這是因?yàn)?OFDM 技術(shù)本來(lái)已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性，而均衡技術(shù)的作用主要是補(bǔ)償多徑環(huán)境引起的碼間干擾，所以在這種情況下，應(yīng)用均衡技術(shù)改善 OFDM 系統(tǒng)的性能效果并不理想。 貴州大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 第 27頁(yè) 第四章 OFDM 系統(tǒng)的仿真及結(jié)果分析 OFDM 系統(tǒng)的基本原理模型 OFDM 是多載波調(diào)制技術(shù)的一種，它的基本原理就是將待發(fā)送的高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分解成多個(gè)子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流具有低得多的傳輸比特速率，并且用這些子數(shù)據(jù)流并行調(diào)制多個(gè)相互正交的子載波。但當(dāng)循環(huán)前綴長(zhǎng)度很大時(shí)，會(huì)損失大量能量，對(duì)于子載波個(gè)數(shù)不是很大的系統(tǒng)尤為明顯。交織的方法有卷積交織和塊交織。 但如如果 S1,S2均不為零，且不滿足上述關(guān)系，就只能 檢錯(cuò) 2 組。( 39。 RS 碼的糾錯(cuò)原理 RS 碼具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，當(dāng)接收端接收到 RS 碼后，通過(guò)監(jiān)督碼字和信息位構(gòu)成的校正子 (即伴隨多項(xiàng)式 )S1,S2 可 進(jìn)行糾錯(cuò)。 RS 碼的主要特點(diǎn) (1)糾正突發(fā)錯(cuò)誤的能力很強(qiáng)。 RS 編碼的關(guān)鍵步驟是 產(chǎn)生監(jiān)督碼元， 以 RS(7,5)為例，結(jié)合其 編碼框圖，如圖 所示，具體敘述一下監(jiān)督符號(hào)的生成過(guò)程。以 m=3 為例，給出伽羅華域的乘法和加法運(yùn)算，分別如表 和表 所示。如表 為糾正 t 個(gè)符號(hào)錯(cuò)誤的 RS 碼的參數(shù)。本文主