【正文】 可以表示為： 其中，φ n 是受調(diào)相位，可以 有 M 種不同的取值。 本文用 Matlab 軟件對(duì) QPSK 通信系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了模擬仿真 ,并對(duì)各模塊進(jìn)行了頻譜分析。 卷積碼的最大似然譯碼 — 維特比算法： （ 1）用數(shù)組描述網(wǎng)格圖結(jié)構(gòu)： 1 4 3 2 000 101 111 001 110 011 010 100 p(1,1)=1， c(1,1)=000， p(1,2)=2，c(1,2)=001 p(2,1)=3， c(2,1)=011， p(2,2)=4，c(2,2)=010 p(3,1)=1， c(3,1)=111， p(3,2)=2，c(3,2)=110 p(4,1)=3， c(4,1)=100， p(4,2)=4，c(4,2)=101 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 (2) 計(jì)算 L 時(shí)刻接收碼 Rl 相對(duì)于各碼字的相似度，稱為分支量度。比如門限譯碼，它以分組碼理論為基礎(chǔ)，其主要特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是它的誤碼性能要比概率譯碼差。由樹狀圖，已知輸入信息序列就可以得到輸出序列，當(dāng)輸入碼元是 0 時(shí)，則由節(jié)點(diǎn)出 發(fā)走上支路；當(dāng)輸入碼元是 1 時(shí)，則由節(jié)點(diǎn)出發(fā)走下支路。 以（ 2， 1， 3）卷積碼編碼器為例來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程。 1963 年 Massey 提出了 一種性能稍差，但比較實(shí)用的門限譯碼方法。卷積碼的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并串變換 串并變換 )(tx 反 OFDM OFDM IFFT OR IDFT 并行串行變換 串行并行變換 去除保護(hù)間隔 插入保護(hù)間隔 數(shù)模轉(zhuǎn)換 多徑傳播 ),(th? FFT OR DFT )(ty )(tn 模數(shù)轉(zhuǎn)換 第 2章 OFDM基本原理 15 但 n 和 k 的值相對(duì)于分組碼來(lái)說(shuō)比較小。 1 , 1( ) , 1 , , 11( ) , 0 ,1 , 1{GGx N n nGx n n NNNx ? ? ? ? ? ?????? ?? ?????? ?? （ 22） 接收端將接收的信號(hào)進(jìn)行處理，完成定時(shí)同步和載波同步。 圖 符號(hào)包括四個(gè)載波 OFDM 符號(hào)的每個(gè)子載波相互之間都是正交的，可以用式(23)來(lái)解釋，此式在時(shí)域可以用圖 的內(nèi)容來(lái)直觀表現(xiàn)，由圖可得，在一個(gè) OFDM 符號(hào)周期內(nèi)各子載波均包含了整數(shù)個(gè)周期，并且各相鄰子載波之間相差 1 個(gè)周期。 OFDM 系統(tǒng)的基本原理見(jiàn)圖 23 所示： 串并變換???? 0jte ? ? ?tD? ?0d ? ?1d1jte ?? ?1dN ?N1jte ? ????積分 0jte ??1jte ??1Njte ? ??并串變換39。當(dāng)調(diào)制信號(hào)通過(guò)陸地?zé)o線信道到達(dá)接收端時(shí)，由于信道多徑效應(yīng)帶來(lái)的碼間串?dāng)_的作用，子載波之間不能保持良好的正交狀態(tài)。 傳統(tǒng)的頻分復(fù)用 (FDM)系統(tǒng)將整個(gè)頻帶劃分為若干個(gè)互不重疊的子信道來(lái)并行傳輸數(shù)據(jù)，為避免子信道之間的相互干擾，予信道之間要留有保護(hù)頻帶。因此多載波傳輸技術(shù)的運(yùn)用就是必然的趨勢(shì) [10]。 第 2 章 OFDM 基本原理 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。 本文主要研究工作和內(nèi)容安排 本文主要研究了 OFDM 的基本原理及對(duì) OFDM 接收系統(tǒng)的MATLAB 仿真與分析，并將其與單載波和 FDM 傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，重點(diǎn)放在了 OFDM 接收機(jī)系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)與仿真，最后用 MATLAB 代碼編寫了整個(gè) OFDM 基帶系統(tǒng)仿真平臺(tái)，設(shè)置好仿真參數(shù)，對(duì)該基帶系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，最終得到誤碼率（ BER）與信噪比（ SNR）的關(guān)系圖。多天線技術(shù)，利用空 /時(shí)處理，或者改善用戶傳輸信道質(zhì)量，或者增加分集增益，能大大提高頻譜效率，雖然對(duì)于單個(gè)站點(diǎn)會(huì)增加設(shè)備成本，但是由于覆蓋和容量的改善，將降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，從而大大減少投資。而上行技術(shù)的選擇上，由于 OFDM的高峰均比 (PAPR)使得一些設(shè)備 商認(rèn)為會(huì)增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時(shí)間，一些則認(rèn)為可以通過(guò)濾波，削峰等方法限制峰均比。同時(shí)，在發(fā)射端，放大器 的最大輸出功率 就限制了信號(hào)的峰值，這會(huì)在OFDM 頻段內(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生干擾。 8） OFDM 采用 IFFT 和 FFT 來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)， 降低系統(tǒng)復(fù)雜程度 ； 易于 DSP 實(shí)現(xiàn) 。 2） 由于通信路徑 上 傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間 的變化而 發(fā)生變化， 而 OFDM 技術(shù)能夠持續(xù)不斷地 監(jiān)視 傳輸 媒質(zhì) 上通信特性第 1章 緒論 3 的突 發(fā) 變化，所以 OFDM 能動(dòng)態(tài)地與之相 協(xié)調(diào) ，并且接通和切斷相應(yīng)的載波 來(lái) 保證通信持續(xù) 精確 地進(jìn)行； 3） 該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測(cè) 在 傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在 較 高的信號(hào)衰減或干擾脈沖， 并能 采取合適的調(diào)制措施使指定頻率下的載波通信成功； 4） 該技術(shù)能提供隊(duì)列服務(wù) ，克服傳輸介質(zhì)中外界信號(hào)的干擾， 因此 OFDM 技術(shù)適合在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號(hào)散播的地區(qū) 使用 ?，F(xiàn)在 OFDM 已有許多版本已通過(guò)測(cè)試， Sprint Nextel 及其合作伙伴 Clearwire 的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)均可支持這種技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)最初主要用于軍事通信系統(tǒng)。然后簡(jiǎn)單描述了 OFDM 的原理和 OFDM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型及 MATLAB 軟件，并且以此作為系統(tǒng)仿真的理論基礎(chǔ)。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)首先簡(jiǎn)單介紹了 OFDM 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，分析了 OFDM系 統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展前景。 在國(guó)外， 1970 年，美國(guó)發(fā)明和申請(qǐng)了一個(gè)專利，其思想是采用平行的數(shù) 據(jù)和子信道相互重疊的頻分復(fù)用來(lái)消除對(duì)高速均衡的依賴，用于抵制沖激噪聲 和多徑失真，而能充分利用帶寬。目前已經(jīng)被燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)，主要應(yīng)用包括 ADSL、 ETSI 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播（ DAB）、數(shù)字視頻廣播（ DVB）、高清晰度電 視（ HDTV）、無(wú)線局域網(wǎng)（ WLAN）、寬帶無(wú)線接入（ BWA）等。 而且 OFDM 技術(shù)能 同時(shí) 分開至少 1000 個(gè)數(shù)字信號(hào)， 碼間干擾非常小，并且 OFDM信號(hào) 間 的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率 非常 接近 奈奎斯特 極限。通過(guò)將各個(gè)信道聯(lián)合編碼， 就可以使系統(tǒng)性能得到提高。而峰均 功率 比過(guò)大，將會(huì)增加A/D 和 D/A 的復(fù)雜性，而且會(huì)降低射頻功率放 大器的效率。 OFDM 由于技術(shù)的成熟性，被選用為下行標(biāo)準(zhǔn)很快就達(dá)成共識(shí)。傳統(tǒng)的小區(qū)分裂的方式，增加了基站的建設(shè)成本，是不經(jīng)濟(jì)的做法。 通過(guò)閱讀大量有關(guān) OFDM系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)方法和仿真軟件MATLAB的書籍，在老師的指導(dǎo)下，我相信定能完成本課題。對(duì)全文進(jìn)行了概括性總結(jié)，重申了該論文得出的結(jié)論，并對(duì)以該論文為基礎(chǔ)今后 OFDM 的研究方向進(jìn)行了展望。從另一個(gè)角度去看，當(dāng)信號(hào)的帶寬超過(guò)和接近信道的相干帶寬時(shí)，信道的時(shí)間彌散將會(huì)造成頻率選擇性衰落，使得同一個(gè)信號(hào)中不同的頻率成分體現(xiàn)出不同的衰落特性，這是我們不希望看到的。多載波傳輸技術(shù)有多種提法，如正交頻分復(fù)用 (OFDM)、離散多音調(diào)制 (DMT)和多載波調(diào)制 (MCM)或者多路副載波調(diào)制 (MSM)，這幾種提法在一般情況下是等同的，只是在 OFDM中各個(gè)子載波保持正交，而在 MCM/MSM中這一條并不總能成立。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。由于子載波的 正交性，混頻和積分電路可以有效地分離各個(gè)子信道。在很多文獻(xiàn)中，通常 采用復(fù)等效基帶信號(hào)形式來(lái)描述 OFDM 信號(hào)，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)。加保護(hù)間隔后的信號(hào)可表示為式 (2)，最后信號(hào)經(jīng)并／串變換及 D／ A 轉(zhuǎn)換，由發(fā)送天線發(fā)送出去 。而卷積碼的每一組不僅與本組的 k 位信息位有關(guān)，還和這以前各組的信息位有關(guān)。 卷積碼是 1955 年 Elias 最早提出， 1957 年 Wozencraft 提出了序列譯碼。稱 ? ?10 ?? mnnc 為編碼約束長(zhǎng)度，說(shuō)明編碼過(guò)程中互相約束的碼元個(gè)數(shù)。 圖 給出了卷積碼的樹狀圖。 代數(shù)譯碼利用編碼本身得代數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解碼，并不考慮信道的統(tǒng)計(jì)特性。目前維特比譯碼已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。 QPSK 數(shù)字解調(diào)包括：模數(shù)轉(zhuǎn)換、 抽取 或插值、匹配 濾波 、 時(shí)鐘 和 載波 恢復(fù)等。設(shè)k 比特碼元的持續(xù)時(shí)間是 Ts，則它可以表示 M 種不同的相位狀態(tài)， M= 。 表 常見(jiàn)的數(shù)字調(diào)制方式的性能 調(diào)制方式 頻帶利用率 實(shí)現(xiàn) 復(fù)雜度 抗非線性能力 BPSK 最簡(jiǎn)單 較差 QPSK 簡(jiǎn)單 一般 OQPSK 復(fù)雜 較好 MSK 最復(fù)雜 最好 QPSK 中，每種載波相位代表兩個(gè)比特信息，故每個(gè)四進(jìn)制碼元又稱為雙比特碼元。 1 1 180176。 圖 QPSK 解調(diào)過(guò)程圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 QPSK 信號(hào)的解調(diào)方式有相干法解調(diào)和差分法。 即得到圖 所示的四相 移相信號(hào)。 可以看出，具體到電路設(shè)計(jì)時(shí)，確切的表達(dá)式應(yīng)該是 : S(t)=I(t)coswct+ Q(t)sinwct。 kc 經(jīng)過(guò)并 /串變換之后，通過(guò)時(shí)鐘速率 (2 ) /ssf N J T??的 D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器輸出基帶信號(hào)。而 FFT和 IFFT可以顯著的降低運(yùn)算復(fù)雜度。例如在 64點(diǎn)的 FFT中，需要計(jì)算 96次復(fù)數(shù)乘法和 384次復(fù)數(shù)加法，換句話說(shuō)，計(jì)算每個(gè)樣值所需要的乘法和加法次數(shù)分別為 6次。 循環(huán)前綴 我們假設(shè)滿足奈奎斯特抽樣定理 [5]的離散信道模型如圖。同理，當(dāng)接收機(jī)解調(diào)1,210 ,......, ??? NNmN xxxxx N 點(diǎn)數(shù)據(jù)塊 0， 0， … 0 1,210 ,......, ??? NNmN xxxxx 保護(hù)間隔 共 M 個(gè) 0 N+M 個(gè)數(shù)據(jù) 塊 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 第二個(gè)載波時(shí)，第一個(gè)子載波會(huì)對(duì)第二個(gè)子載波造成干擾。第一種就是加入保護(hù)間隔，即在每 N點(diǎn)數(shù)據(jù)塊前加入 M個(gè) 0，這樣就得到了一個(gè) M+N點(diǎn)數(shù)據(jù)塊，如圖 。這種過(guò)采樣的實(shí)施也可以通過(guò)利用 IFFT/FFT 的方法實(shí)現(xiàn)，實(shí)施 IFFT 運(yùn)算時(shí)，需要在原始的 N 個(gè)輸入值中間添加 (p1)N 個(gè)零，而實(shí)施 FFT 運(yùn)算時(shí)，需要在原始的 N 個(gè)輸入值后面添加 (p1)N 個(gè)零。 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 FFT算法。若不考慮噪聲和干擾的影響，且假設(shè)滿足正交條件，那么在接收端采用類似方法就可以得到接收的信號(hào)。 5） 兩路信息并串轉(zhuǎn)換即的得到解調(diào)信息 第 2章 OFDM基本原理 23 圖 QPSK 的相干法解調(diào)（上）與差分法解調(diào)框圖（下） 使用快速傅立葉變換調(diào)制解調(diào) 以下是數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)。 3） 由 I(t)對(duì)載波 sinwc t 進(jìn)行平衡 調(diào)制， Q(t)對(duì) coswc t調(diào)制。差分檢測(cè)的框圖如圖 14 所示，與相干法相比，只在相干載波的構(gòu)造上有所區(qū)別。 圖 QPSK 的星座圖 QPSK 信號(hào)可以看作兩個(gè)載波正交 2PSK 信號(hào)的合成，下圖表示 QPSK 正交調(diào)制器。 表 QPSK 的相 位 雙比特碼元 載波相位 a b A 方式 B 方式 0 0 0176。由上式可以看出，多相調(diào)制的波形可以看做是兩個(gè)正交載波進(jìn)行多電平雙邊帶調(diào)制所得信號(hào)之和。第 2章 OFDM基本原理 19 該算法允許本地載波由獨(dú)立的固定頻率振蕩器產(chǎn)生，不需要鎖相的反饋控制，而相 干檢測(cè)的所有其它功能均由數(shù)字信號(hào)處理模塊完成。 QPSK 的介紹 QPSK 的定義 QPSK 是英文 QuadraturePhaseShiftKeying 的縮略語(yǔ)簡(jiǎn)稱，意為正交相移鍵控，是一種數(shù)字 調(diào)制 方式。維特比譯碼是目前用得較多的一種譯碼方法。 1957 年伍成克拉夫 (Wozencraft)提出了一種有效的譯碼方法，即序列譯碼。當(dāng)輸入第二比特 時(shí)，第一比特右移一位，此時(shí)的輸出比特顯然與當(dāng)前輸入比特和前一輸入比特有關(guān)。 卷積碼 卷積碼，又稱連環(huán)碼，由埃里亞斯 (Elias)于 1955 年最早提出，它是一種非分組碼。k，稱參數(shù) K 為卷積碼的約束長(zhǎng)度，每 k 個(gè)比特輸入，得到