【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 少的步驟是插入循環(huán)前綴。盡管OFDM通過(guò)串并變換已經(jīng)將數(shù)據(jù)分散到了n個(gè)子載波，速率已經(jīng)降低到了n分之一，但是為了最大限度地消 9 除符號(hào)間的干擾（ISI） ，還需要在每個(gè)OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)前綴，這樣做可以更好地對(duì)抗多徑效率產(chǎn)生的時(shí)間延遲的影響。有意思的是，與FDM中的使用頻率保護(hù)間隔類(lèi)似，對(duì)于OFDM這樣的頻率使用率高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要在時(shí)域上插入保護(hù)間隔。如果對(duì)時(shí)域和頻域相互關(guān)系理解較為深刻的話，也許可以找出其中的內(nèi)在聯(lián)系。插入循環(huán)前綴本身非常簡(jiǎn)單，就是把每個(gè)OFDM符號(hào)的最后一部分提到符號(hào)前，使整個(gè)符號(hào)加長(zhǎng)即可。如下圖所示。圖 插入循環(huán)前綴 對(duì)于 OFDM 調(diào)制過(guò)程的理解通過(guò)上面對(duì)于OFDM 調(diào)制過(guò)程三個(gè)步驟原理的描述，已經(jīng)作了一個(gè)初步的介紹。下面再回到OFDM 發(fā)射端的圖，寫(xiě)一寫(xiě)我自己對(duì)于OFDM調(diào)制過(guò)程的理解。 如果把OFDM技術(shù)發(fā)射端的結(jié)構(gòu)圖分成兩部分：一部分是OFDM數(shù)字調(diào)制部分；另一部分是無(wú)線發(fā)射部分。前一部分是數(shù)字處理的部分，后一部分是發(fā)射模擬波形信號(hào)的部分。如圖所示。圖 OFDM 發(fā)射端組成圖在數(shù)字通信中，除了D/A變換和無(wú)線發(fā)射信號(hào)以后，在空間中傳播的是模擬信號(hào)，在發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)中，也就是上圖所示的OFDM調(diào)制部分，始終都是在傳輸數(shù)字的信號(hào)。調(diào)制的過(guò)程，其實(shí)就是在做一個(gè)數(shù)字處理的工作。輸入一串?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)值上的代換后變成另一串?dāng)?shù)據(jù)輸出。整個(gè)調(diào)制的過(guò)程可以看作一個(gè)函數(shù)：y=f(x)。x是輸入的串行數(shù)據(jù)，f 代表調(diào)制的過(guò)程，y代表輸出的數(shù)據(jù)。所以如果不考慮那些復(fù)雜的理論，那么在OFDM的物理層上的所有工作都是按照一定步驟不斷地做函數(shù)變換，設(shè)計(jì)OFDM物理層硬件的過(guò)程也就是實(shí)現(xiàn)OFDM函數(shù)變換的過(guò)程。具體來(lái)看，星座映射是將比特流在數(shù)值上變換為以星座表示的規(guī)范的數(shù)值，F(xiàn)FT是將一串?dāng)?shù)變成另一串相互間有關(guān)聯(lián)的數(shù)，而循環(huán)前綴的插入進(jìn)一步引入了冗余度，使數(shù)據(jù)擴(kuò)展得更長(zhǎng)。從這個(gè)角度上來(lái)說(shuō)，OFDM技術(shù)也可以看成是一種編碼技術(shù)。它將一般數(shù)值的比特流進(jìn)行OFDM編碼后傳輸。和未經(jīng)過(guò)OFDM編碼的數(shù)據(jù)相比，假定以相同的速率傳輸，以O(shè)FDM編碼的數(shù) 10 據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中具有頻帶利用率高，可以對(duì)抗多徑效應(yīng)等等的優(yōu)點(diǎn)，而且誤碼率也更小。第四章 仿真模型和鏈路參數(shù)設(shè)置仿真鏈路分為三個(gè)模塊：發(fā)送端，信道，接收端。具體鏈路鏈接如圖所示：圖 41 鏈路仿真圖 鏈路仿真參數(shù)SampFreq39。 , 20e6, ... %采樣頻率39。ConvCodeGenPoly39。, [1 0 1 1 0 1 1。1 1 1 1 0 0 1 ], ... %卷積碼生成矩陣39。NumSubc39。, 52, ... %子載波數(shù)目39。UsedSubcIdx39。, [7:32 34:59]39。, ... %使用子載波下標(biāo)39。ShortTrainingSymbols39。, sqrt(13/6)*[0 0 1+j 0 0 0 1j 0 0 0 1+j 0 0 0 1j 0 0 0 1j 0 0 0 1+j 0 0 0 0 0 0 1j 0 0 0 1j 0 0 0 1+j 0 0 0 1+j 0 0 0 1+j 0 0 0 1+j 0 0], ...% 短訓(xùn)練符號(hào)39。LongTrainingSymbols39。, [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1], ... %長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào)39。ExtraNoiseSamples39。, 500, ... %額外噪聲樣值系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置生產(chǎn)隨機(jī)數(shù)據(jù)卷積編碼比特打孔調(diào)制插入導(dǎo)頻IFFT加 CP加前導(dǎo)訓(xùn)練符號(hào)信道交織 發(fā)射分集空時(shí)編碼分組檢測(cè)頻偏估計(jì)及糾正符號(hào)定時(shí)FFT 并分離出前導(dǎo)，導(dǎo)頻 和數(shù)據(jù)符號(hào)信道估計(jì)相位跟 蹤接 收 分 集（MRC）和空 時(shí) 解 碼解調(diào)解交織Viterbi譯碼獲取發(fā)送數(shù)據(jù)并計(jì)算BER、PER發(fā)射模塊接收模塊 11 39。PilotScramble39。, [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1], ... %導(dǎo)頻擾碼序列39。NumDataSubc39。, 48, ... %數(shù)據(jù)子載波數(shù)39。NumPilotSubc39。 , 4, ... %導(dǎo)頻子載波數(shù)39。DataSubcIdx39。, [7:11 13:25 27:32 34:39 41:53 55:59]39。, ... %數(shù)據(jù)子載波位置39。PilotSubcIdx39。, [12 26 40 54]39。, ... %導(dǎo)頻子載波位置39。PilotSubcPatt39。, [6 20 33 47]39。, ...39。DataSubcPatt39。, [1:5 7:19 21:26 27:32 34:46 48:52]39。, ...39。PilotSubcSymbols39。 , [1。1。1。1])。調(diào)制符號(hào)映射到 64 點(diǎn)離散傅立葉逆變換(IDFT)的子載波上，從而形成一個(gè) OFDM符號(hào)，注意由于帶寬的限制，只有 48 個(gè)子載波可用于調(diào)制，4 個(gè)子載波預(yù)留給導(dǎo)頻用，剩下的 12 個(gè)子載波沒(méi)有使用，用 0 來(lái)填充。短訓(xùn)練序列用于對(duì)時(shí)間及頻率誤差的粗略的和精確的估計(jì)，長(zhǎng)訓(xùn)練序列用來(lái)估計(jì)信道脈沖響應(yīng)或信道狀態(tài)信息。 插入導(dǎo)頻在鏈路中，導(dǎo)頻插入到 4 個(gè)子載波上，即前面所說(shuō)的載波[12 26 40 54]，載波是經(jīng)過(guò) BPSK 調(diào)制的偽隨機(jī)序列，這樣做是為了能夠防止頻譜偏移以及加強(qiáng)自相關(guān)檢測(cè)的性能。導(dǎo)頻插入之前，先將復(fù)數(shù)符號(hào)的序列以 48 為單位分成若干組，由于交織前插入比特的處理，接收到的復(fù)數(shù)數(shù)目為 48 的整數(shù)倍。插入導(dǎo)頻代碼：scramble_patt=repmat(,1,ceil(n_ofdm_syms/length(Scramble)))。scramble_patt = scramble_patt(1:n_ofdm_syms)。 % 導(dǎo)引擾碼的格式mod_ofdm_syms = zeros(, n_ofdm_syms)。mod_ofdm_syms(,:)=reshape(mod_syms, n_ofdm_syms)。mod_ofdm_syms(,:)=repmat(scramble_patt,bc,1).*repmat(mbols,1, n_ofdm_syms)。mod_ofdm_syms = mod_ofdm_syms(:).39。 12 循環(huán)前綴的引入以及時(shí)延分析循環(huán)前綴是 OFDM 系統(tǒng)的一個(gè)重要特色，它的基本思想是通過(guò)引入循環(huán)前綴從而形成保護(hù)間隔（GI） ，從而有效的對(duì)抗由于多徑時(shí)延帶來(lái)的 ISI 和 ICI，方法是在時(shí)域內(nèi)把 OFDM 符號(hào)的后面部分插入到該符號(hào)的開(kāi)始部分，形成循環(huán)前綴。保護(hù)間隔的長(zhǎng)度 應(yīng)該大于多徑時(shí)延擴(kuò)展的最大值。即在接收端抽樣開(kāi)始的時(shí)刻 應(yīng)該滿足下式：gT XT （）max?XTg其中 是最大多徑時(shí)延擴(kuò)展，當(dāng)抽樣滿足該式時(shí)，由于前一個(gè)符號(hào)的干擾只會(huì)max?存在于[0 ， ]，所以不會(huì)產(chǎn)生 ISI。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。主要仿真代碼如下：循環(huán)前綴的長(zhǎng)度為 80－64＝16time_signal = zeros(n_antennas, num_symbols*80)。添加循環(huán)前綴tmp_syms = [symbols(49:64,:)。 symbols]。 本鏈路中循環(huán)前綴長(zhǎng)度（保護(hù)間隔）為 s（16chip） ，用 Matlab 對(duì)多徑時(shí)延大?小所造成影響進(jìn)行仿真（在指數(shù)衰減信道下，以 R1/2 碼率 QPSK 的調(diào)制方式，其它為默認(rèn)值）：當(dāng)多徑時(shí)延大于 s 時(shí)則 BER 增大。?圖 42 多徑時(shí)延分析 13 加前導(dǎo)訓(xùn)練符號(hào)從 1 到 10 為短訓(xùn)練符號(hào)，同為 16 取樣長(zhǎng)度。C12 為 32 取樣的循環(huán)前綴以保證第二部分長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào) 1，2 不受短訓(xùn)練符號(hào)間干擾的影響。長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào)為 64 取樣的長(zhǎng)OFDM 符號(hào)。圖 43 前導(dǎo)第一部分用于同步（信號(hào)檢測(cè)、AGC、分集選擇、頻偏估計(jì)和捕獲定時(shí)） ，而第二部分用于信道估計(jì)。PLCP 前導(dǎo)，包括 10 個(gè)短序列和 2 個(gè)長(zhǎng)序列。主要仿真代碼如下：短訓(xùn)練符號(hào)為 16 取樣長(zhǎng)度Strs = short_tr_symbols(1:16)。擴(kuò)展為 10 個(gè)短序列short_trs=[Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs Strs]。short_trs_len=length(short_trs)。若不采用發(fā)射分集，擴(kuò)展到 2 個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列，注意添加了 32 取樣的循環(huán)前綴若使用分集，長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào)不是在兩個(gè)天線處同時(shí)傳輸?shù)模ㄏ喔魞蓚€(gè) zeros(1,80)） ，if ~ long_trs_signal=[long_tr_symbol(642*16+1:64)long_tr_symbol long_tr_symbol]。else long_trs_signal(1,:)=sqrt(2)*[long_tr_symbol(6416+1:64) long_tr_symbol ... zeros(1,80)]。long_trs_signal(2,:) = sqrt(2)*[zeros(1,80) ...long_tr_symbol(6416+1:64) long_tr_symbol]。end 編碼 信道編碼 卷積編碼與比特打孔OFDM 系統(tǒng)中采用的是前向糾錯(cuò)法中的卷積編碼。卷積碼是目前最為廣泛應(yīng)用的信道編碼， 標(biāo)準(zhǔn)就是采用（2，1，7）卷積碼。碼率為 1/2，可以結(jié)合打孔 14 來(lái)獲得其他碼率的編碼。卷積碼是一種非分組碼，編碼器在任何一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的個(gè)碼元，不僅決定于這段時(shí)間內(nèi)的 個(gè)信息位，而且還取決于前 段規(guī)定時(shí)間內(nèi)nk 1N?的信息位，這時(shí)監(jiān)督位監(jiān)督著這 段時(shí)間內(nèi)的信息。這 段時(shí)間內(nèi)的碼元數(shù)目 稱(chēng)Nn為卷積碼的約束長(zhǎng)度。在 OFDM 系統(tǒng)中，只對(duì) Data 部分進(jìn)行卷積編碼，Data 中包括 Service、PSDU、尾比特以及插入比特，分別按照要求的速率 R=1/ 2/3 或 3/4 來(lái)進(jìn)行卷積編碼。卷積編碼分為上下兩路，兩路采用的生成多項(xiàng)式分別為：g0=133(8),g1=171(8),即用八進(jìn)制表示。對(duì)應(yīng)的編碼器如圖 44 所示：圖 44 卷積編碼器卷積編碼后的兩條輸出相互合并輸出，再根據(jù)打孔的速率來(lái)進(jìn)行打孔。保留卷積編碼器輸出的一些比特，提高編碼速率，減少碼間自由距離。在接收機(jī)中插入一些比特來(lái)取代未傳輸?shù)谋忍兀恍枰粚?duì)編碼器/解碼器就可生成幾個(gè)不同的編碼速率。另外，在發(fā)送端當(dāng)經(jīng)過(guò)卷積編碼和打孔后，傳輸速率提高，速率提高的倍數(shù)與打孔速率有關(guān)。 Viterbi 譯碼 一般說(shuō)來(lái)，卷積編碼的譯碼有兩種方式：一種是代數(shù)解碼，它利用編碼本身的代數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解碼，不考慮信道的統(tǒng)計(jì)特性；一種是概率解碼，這種解碼方法在計(jì)算時(shí)要用到信道的統(tǒng)計(jì)特性。Viterbi 譯碼屬于概率解碼，它的基本思想是最大似然算法：把接收到的序列與所有可能的發(fā)送序列進(jìn)行比較，選擇一種距離最小的序列作為發(fā)送序列。采用硬判決或者軟判決解調(diào)可以很容易實(shí)現(xiàn) Viterbi 算法。但在本鏈路中，Viterbi 譯碼采用的是軟判決，這是因?yàn)檫@種方法所獲得的性能提高不需要浪費(fèi)任何通信資源。 交織以及其性能仿真交織主要是為了防止在傳輸過(guò)程中，發(fā)生用戶信息比特丟失的情況時(shí)，不至于丟失某一個(gè)用戶所有的信息，而只是會(huì)丟失若干個(gè)用戶的信息，根據(jù)剩下的信息比特依輸入數(shù)據(jù) Tb Tb Tb TbTb Tb支路 1 輸出支路 2 輸出 15 然可以恢復(fù)原始信息，也就是將丟失的比特分散，從而達(dá)到降低誤碼率的目的。如果系統(tǒng)在一個(gè)純粹的 AWGN 環(huán)境下運(yùn)行，就不需要交織，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)重新分配位的方法是無(wú)法改變誤碼分布的。而 系統(tǒng)通常假定運(yùn)行于慢衰落信道，故可以交織。OFDM 系統(tǒng)中采用矩陣交織器，根據(jù) OFDM 符號(hào)的大?。?） ，對(duì)卷積編碼CBPSN后的信息進(jìn)行交織處理，分兩個(gè)步驟進(jìn)行交換：第一步是將相鄰的信息比特分別映射到不相鄰的子載波上；第二步是保證相鄰編碼后的信息比特可選擇地映射到或多或少的一組比特中，從而使回復(fù)的可能性降低。如果用 來(lái)代表第一步交織之前的比特，k代表第一步交織之后、第二步交織之前的信息比特，而用 代表第二步交織之后、調(diào)i j制之前的信息比特