【文章內(nèi)容簡介】 少的步驟是插入循環(huán)前綴。盡管OFDM通過串并變換已經(jīng)將數(shù)據(jù)分散到了n個子載波，速率已經(jīng)降低到了n分之一，但是為了最大限度地消 9 除符號間的干擾（ISI） ，還需要在每個OFDM符號之間插入保護前綴，這樣做可以更好地對抗多徑效率產(chǎn)生的時間延遲的影響。有意思的是，與FDM中的使用頻率保護間隔類似，對于OFDM這樣的頻率使用率高的系統(tǒng)來說，需要在時域上插入保護間隔。如果對時域和頻域相互關(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)前綴本身非常簡單，就是把每個OFDM符號的最后一部分提到符號前，使整個符號加長即可。如下圖所示。圖 插入循環(huán)前綴 對于 OFDM 調(diào)制過程的理解通過上面對于OFDM 調(diào)制過程三個步驟原理的描述，已經(jīng)作了一個初步的介紹。下面再回到OFDM 發(fā)射端的圖，寫一寫我自己對于OFDM調(diào)制過程的理解。 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變換和無線發(fā)射信號以后，在空間中傳播的是模擬信號，在發(fā)射機的系統(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。調(diào)制的過程，其實就是在做一個數(shù)字處理的工作。輸入一串?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)值上的代換后變成另一串?dāng)?shù)據(jù)輸出。整個調(diào)制的過程可以看作一個函數(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OFDM物理層硬件的過程也就是實現(xiàn)OFDM函數(shù)變換的過程。具體來看，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)前綴的插入進一步引入了冗余度，使數(shù)據(jù)擴展得更長。從這個角度上來說，OFDM技術(shù)也可以看成是一種編碼技術(shù)。它將一般數(shù)值的比特流進行OFDM編碼后傳輸。和未經(jīng)過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^程中具有頻帶利用率高，可以對抗多徑效應(yīng)等等的優(yōu)點，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], ... %長訓(xùn)練符號39。ExtraNoiseSamples39。, 500, ... %額外噪聲樣值系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置生產(chǎn)隨機數(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)練符號信道交織 發(fā)射分集空時編碼分組檢測頻偏估計及糾正符號定時FFT 并分離出前導(dǎo)，導(dǎo)頻 和數(shù)據(jù)符號信道估計相位跟 蹤接 收 分 集（MRC）和空 時 解 碼解調(diào)解交織Viterbi譯碼獲取發(fā)送數(shù)據(jù)并計算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)制符號映射到 64 點離散傅立葉逆變換(IDFT)的子載波上，從而形成一個 OFDM符號，注意由于帶寬的限制，只有 48 個子載波可用于調(diào)制，4 個子載波預(yù)留給導(dǎo)頻用，剩下的 12 個子載波沒有使用，用 0 來填充。短訓(xùn)練序列用于對時間及頻率誤差的粗略的和精確的估計，長訓(xùn)練序列用來估計信道脈沖響應(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 個子載波上，即前面所說的載波[12 26 40 54]，載波是經(jīng)過 BPSK 調(diào)制的偽隨機序列，這樣做是為了能夠防止頻譜偏移以及加強自相關(guān)檢測的性能。導(dǎo)頻插入之前，先將復(fù)數(shù)符號的序列以 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)前綴的引入以及時延分析循環(huán)前綴是 OFDM 系統(tǒng)的一個重要特色，它的基本思想是通過引入循環(huán)前綴從而形成保護間隔（GI） ，從而有效的對抗由于多徑時延帶來的 ISI 和 ICI，方法是在時域內(nèi)把 OFDM 符號的后面部分插入到該符號的開始部分，形成循環(huán)前綴。保護間隔的長度 應(yīng)該大于多徑時延擴展的最大值。即在接收端抽樣開始的時刻 應(yīng)該滿足下式：gT XT （）max?XTg其中 是最大多徑時延擴展，當(dāng)抽樣滿足該式時，由于前一個符號的干擾只會max?存在于[0 ， ]，所以不會產(chǎn)生 ISI。同時，由于 OFDM 延時副本內(nèi)所包含的子載波的周期個數(shù)也為整數(shù)，時延信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生 ICI。主要仿真代碼如下：循環(huán)前綴的長度為 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)前綴長度（保護間隔）為 s（16chip） ，用 Matlab 對多徑時延大?小所造成影響進行仿真（在指數(shù)衰減信道下，以 R1/2 碼率 QPSK 的調(diào)制方式，其它為默認值）：當(dāng)多徑時延大于 s 時則 BER 增大。?圖 42 多徑時延分析 13 加前導(dǎo)訓(xùn)練符號從 1 到 10 為短訓(xùn)練符號，同為 16 取樣長度。C12 為 32 取樣的循環(huán)前綴以保證第二部分長訓(xùn)練符號 1，2 不受短訓(xùn)練符號間干擾的影響。長訓(xùn)練符號為 64 取樣的長OFDM 符號。圖 43 前導(dǎo)第一部分用于同步（信號檢測、AGC、分集選擇、頻偏估計和捕獲定時） ，而第二部分用于信道估計。PLCP 前導(dǎo)，包括 10 個短序列和 2 個長序列。主要仿真代碼如下：短訓(xùn)練符號為 16 取樣長度Strs = short_tr_symbols(1:16)。擴展為 10 個短序列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，擴展到 2 個長訓(xùn)練序列，注意添加了 32 取樣的循環(huán)前綴若使用分集，長訓(xùn)練符號不是在兩個天線處同時傳輸?shù)模ㄏ喔魞蓚€ 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)準就是采用（2，1，7）卷積碼。碼率為 1/2，可以結(jié)合打孔 14 來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間內(nèi)產(chǎn)生的個碼元，不僅決定于這段時間內(nèi)的 個信息位，而且還取決于前 段規(guī)定時間內(nèi)nk 1N?的信息位，這時監(jiān)督位監(jiān)督著這 段時間內(nèi)的信息。這 段時間內(nèi)的碼元數(shù)目 稱Nn為卷積碼的約束長度。在 OFDM 系統(tǒng)中，只對 Data 部分進行卷積編碼，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 來進行卷積編碼。卷積編碼分為上下兩路，兩路采用的生成多項式分別為：g0=133(8),g1=171(8),即用八進制表示。對應(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)打孔的速率來進行打孔。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。在接收機中插入一些比特來取代未傳輸?shù)谋忍?，只需要一對編碼器/解碼器就可生成幾個不同的編碼速率。另外，在發(fā)送端當(dāng)經(jīng)過卷積編碼和打孔后，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 一般說來，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)進行解碼，不考慮信道的統(tǒng)計特性；一種是概率解碼，這種解碼方法在計算時要用到信道的統(tǒng)計特性。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)可以很容易實現(xiàn) Viterbi 算法。但在本鏈路中，Viterbi 譯碼采用的是軟判決，這是因為這種方法所獲得的性能提高不需要浪費任何通信資源。 交織以及其性能仿真交織主要是為了防止在傳輸過程中，發(fā)生用戶信息比特丟失的情況時，不至于丟失某一個用戶所有的信息，而只是會丟失若干個用戶的信息，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，從而達到降低誤碼率的目的。如果系統(tǒng)在一個純粹的 AWGN 環(huán)境下運行，就不需要交織，這是因為通過重新分配位的方法是無法改變誤碼分布的。而 系統(tǒng)通常假定運行于慢衰落信道，故可以交織。OFDM 系統(tǒng)中采用矩陣交織器，根據(jù) OFDM 符號的大小（即 ） ，對卷積編碼CBPSN后的信息進行交織處理，分兩個步驟進行交換：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