【文章內(nèi)容簡介】 50多個(gè)成員，其中有如 Breeze、 startup BeamReach Networks 和 Nokia 等參加，主要是協(xié)調(diào)提交到 IEEE 的 OFDM 提案。而寬帶 Inter 論壇(BWIF)則是在 Cisco 倡導(dǎo)下，由 IEEE 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)組織 IEEEISTO 成立的，其主要目標(biāo)是提供低成本寬帶無線接入技術(shù)，號召采用基于 VOFDM 的標(biāo)準(zhǔn)作為解決方案。 OFDM 的優(yōu)勢與不足 [5][15] OFDM 的優(yōu)勢 OFDM 存在很多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在 3G、 4G 中被運(yùn)用，作為通信方面其有很多優(yōu)勢 : (1) 在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。 OFDM 技術(shù)能同時(shí)分開至少 1000 個(gè)數(shù)字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運(yùn)行的能力將直接威脅到目前市場上已經(jīng)開始流行的 CDMA 技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大，正是由于具有了這種特殊的信號 “穿透能力 ”使得OFDM 技術(shù)深受歐洲 通信營運(yùn)商以及手機(jī)生產(chǎn)商的喜愛和歡迎，例如加利福尼亞 Cisco系統(tǒng)公司、紐約 Flarion工學(xué)院以及朗訊工學(xué)院等開始使用，在加拿大 WiLAN 工學(xué)院也開始使用這項(xiàng)技術(shù)。 (2) OFDM 技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會隨時(shí)間發(fā)生變化，所以 OFDM 能動態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信。 (3) 該技術(shù)可以自動地檢測到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信。 (4) OFDM 技術(shù)特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號散播的地區(qū)。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語音廣播都希望降低多徑效應(yīng)對信號的影響。 (5) OFDM 技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)鏈路通信失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅僅有很小一部分載波會受到干擾。對這些子信道還可以采用糾錯(cuò)碼來進(jìn)行糾錯(cuò)。 (6) 可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，只有落在頻帶凹陷處的 子載波以及 5 其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。 (7) 通過各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。 OFDM 技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒有必要再加時(shí)域均衡器。通過將各個(gè)信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。 (8) OFDM 技術(shù)抗窄帶干擾性很強(qiáng)，因?yàn)檫@些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。 (9) 可以選用基于 IFFT/FFT 的 OFDM 實(shí)現(xiàn)方法。 (10) 信道利用率很高，這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí)， 系統(tǒng)的頻譜利用率趨于 2 Baud/Hz。 (Baud 即波特； 1 Baud = log2M (bit/s) ，其中 M 是信號的編碼級數(shù)。） OFDM 的不足 [5] 雖然 OFDM 有上述優(yōu)點(diǎn)，但是同樣其信號調(diào)制機(jī)制也使得 OFDM 信號在傳輸過程中存在著一些劣勢： (1) 對相位噪聲和載波頻偏十分敏感 這是 OFDM 技術(shù)一個(gè)非常致命的缺點(diǎn)，整個(gè) OFDM 系統(tǒng)對各個(gè)子載波之間的正交性要求格外嚴(yán)格，任何一點(diǎn)小的載波頻偏都會破壞子載波之間的正交性，引起 ICI(載波間干擾 ) 。同樣，相位噪聲也會導(dǎo)致碼元 星座 點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)、擴(kuò)散，從而形成 ICI。而單載波系統(tǒng)就沒有這個(gè)問題，相位噪聲和載波頻偏僅僅是降低了接收到的信噪比 SNR，而不會引起碼間的干擾。 (2) 峰均比過大 OFDM 信號由多個(gè)子載波信號組成，這些子載波信號由不同的調(diào)制符號獨(dú)立調(diào)制。同傳統(tǒng)的恒包絡(luò)的調(diào)制方法相比， OFDM 調(diào)制存在一個(gè)很高的峰值因子。因?yàn)?OFDM 信號是很多個(gè)小信號的總和，這些小信號的相位是由要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列決定的。對某些數(shù)據(jù)，這些小 信號可能同相，而在幅度上疊加在一起從而產(chǎn)生很大的瞬時(shí)峰值幅度。而峰均比過大，將會增加 A/D 和 D/A 的復(fù)雜性，而且會降低射頻功率放大器的效率。同時(shí)，在發(fā)射端，放大器的最大輸出功率就限制了信號的峰值，這會在 OFDM 頻段內(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生干擾。 (3) 所需線性范圍寬 由于 OFDM 系統(tǒng)峰值平均功率比 (PAPR)大，對非線性放大更為敏感，故 OFDM 調(diào)制系統(tǒng)比單載波系統(tǒng)對放大器的線性范圍要求更高。 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 6 (1) 研究了在未來通信世界中極具發(fā)展?jié)摿Φ?OFDM 技術(shù)的性能，優(yōu)、缺點(diǎn)及基本通信原理。 (2) 分析 OFDM 系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。 (3) 簡要介紹 Matlab 仿真軟件，并通過該軟件組建 OFDM 仿真平臺。 (4) 在仿真平臺上，對于基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)技術(shù)中的基于 最小乘方誤差 (LS)估計(jì)和基于最小均方誤差 (MMSE)信道估計(jì) 進(jìn)行研究和系統(tǒng)仿真。 論文內(nèi)容安排 (1) 第一章簡要介紹 OFDM 的發(fā)展，應(yīng)用與優(yōu)缺點(diǎn)。 (2) 第二章針對 4G 移動通信系統(tǒng)中最為人關(guān)注的正交頻分復(fù)用 (OFDM)技術(shù)，分析其通信原理、技術(shù)特點(diǎn)，及關(guān)鍵技術(shù)。 (3) 第三章簡要描述 OFDM 仿真平 臺的搭建過程，對其中的關(guān)鍵模塊如交織、信道編碼、信道等部分的功能做了介紹。重點(diǎn)介紹信道部分的特性，常見的信道模型，以及本次設(shè)計(jì)的信道模型。 (4) 第四章是利用已經(jīng)搭建的 OFDM仿真平臺對 OFDM對于基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)技術(shù)中的基于 最小乘方誤差 (LS)信道估計(jì)和基于最小均方誤差 (MMSE)信道估計(jì) 進(jìn)行仿真得出仿真結(jié)果，并對兩種算法性能做出比較。 (5) 最后是論文總結(jié)、致謝、參考文獻(xiàn)與源程序。 7 第二 章 OFDM系統(tǒng)仿真依據(jù) 要解決本次設(shè)計(jì)的問題，我們還是要先對 OFDM 采用的技術(shù) 做一下了解，所以本章先介紹了 OFDM 符號基本原理，基于快速傅里葉變換的 OFDM 系統(tǒng)，接著介紹了 OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并重點(diǎn)介紹其中的循環(huán)前綴與信道估計(jì)技術(shù)，因?yàn)樗鼈兪欠抡嫠玫降淖铌P(guān)鍵的兩個(gè)技術(shù)。 OFDM系統(tǒng)的基本原理 OFDM是一種無線環(huán)境下的高速率傳輸技術(shù)。一般來說，無線信道的頻率響應(yīng)曲線應(yīng)是非平坦的， OFDM技術(shù)的主要思路是把給定信道在頻域范圍內(nèi)劃分成若干正交子信道，而利用子載波在各個(gè)子信道上完成調(diào)制作用，各子載波采用并行傳輸?shù)姆绞健Ｓ捎贠FDM技術(shù)的這種特性，它的子信道的頻率響應(yīng)曲線 是平坦的，在很大程度上消除了波形間干擾。 OFDM系統(tǒng)各子信道上的載波相互具有正交性，且頻譜互相重疊，這種方式減小了子載波間的互相干擾，又在一定程度上使頻譜利用率提高。 OFDM 符號基本模型 OFDM 符號是將多個(gè)并行正交載波完成調(diào)制后的合成信號，各個(gè)子載波上的信號能夠獨(dú)立的且利用不同的調(diào)制方式。例如我們用 id 表示一個(gè)子載波上的調(diào)制數(shù)據(jù)符號，通常子載波采用 PSK 或 QAM 的調(diào)制方式。如果載波頻率用 cf 表 示，符號時(shí)間用 T 表示，子載波數(shù)用 sN 表示，相鄰子載波間隔就是 1/T。 /2ind? 代表第 i 個(gè)子載波的調(diào)制數(shù)據(jù)。那么，一個(gè)起始時(shí)間為 st 的 OFDM 信號我們可以表示為式（ 21） [6]： 12220 . 5( ) Re e x p ( 2 ( ) ( ) ) ,ssSNN c s s siNiiS t d j f t t t t t tT??????? ???? ? ? ? ? ?????? (21) ( ) 0 , ssS t t t t t t? ? ? ? ? (22) 8 圖 OFDM 信號頻譜圖 圖 OFDM 信號時(shí)域圖 (包括四個(gè)正交子載波 ) 由圖 可知， OFDM 各子載波上的信號具有相同的功率譜形式，都是 Sa 函數(shù) ,與時(shí)域的方波是對應(yīng)的。 在諸多的研究資料中， OFDM 信號經(jīng)常用等效復(fù)基帶信號來表示 [7]: 2/22( ) e xp( 2 ( ) ) ,sSsNi N s N sNiiS t d j t t t t t TT???? ? ? ? ?? (23) ( ) 0 , ssS t t t t t T? ? ? ? ? (24) OFDM 信號中的同相、正交分量正是與以上公式中的實(shí)部與虛部分別對應(yīng)，最終的OFDM 信號即為實(shí)、虛部分別與相應(yīng)子載波頻率的余弦分量、正弦分量相乘組成。 圖 為 OFDM 系統(tǒng)基本框架模型圖 [8]： 9 0jte ?1jte ?1Njte ? ? 1Njte ? ??1jte ??S / P+P / S?? ?? ??0d?1d?1Nd??0jte ?? 0d?1d?1d??信 道 積 分積 分積 分… … 圖 OFDM 系統(tǒng)基本框架模型 從圖 可以看到，在一個(gè) OFDM符號周期 T 內(nèi)，每個(gè)子載波都包括整數(shù)倍個(gè)周期，并且相鄰兩個(gè)子載波之間相差 1 個(gè)周期，在這種情況下，各個(gè)子載波間就具有正交性。即對于兩個(gè)角頻域分別為 ωm和 n? 的子載波，滿足 : ? 1,0,01 e x p ( ) . e x p ( )T mnm n m nj t j t d tT ?? ???? (25) 而 OFDM 中的各個(gè)子載波的頻率可以表示為： 0nf f n f? ? ? (26) 其中， f? =1/T 是各子載波間的頻率間隔， T 是符號周期， f? 表示 1/T 的整數(shù)倍， 0 / , 0 , 1 , 2 , . . . . . . , 1nf f n T n N? ? ? ? (27) 其中， T 是單個(gè) OFDM 符號持續(xù)時(shí)間， 0f 是第一個(gè)子載波的頻率。如果每個(gè)子載波正交的話，各個(gè)子載波上的數(shù) 據(jù)符號就能夠在接收端很容易的被解調(diào)出來。如果對第 j個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，然后在時(shí)間長度 T 內(nèi)進(jìn)行積分，即： 101 e x p ( 2 ( ) ) . e x p ( 2 ( ) )st Nti s i ss ijid j t t d j t t d tT T t??? ???? ? ? ??? 101 e xp( 2 ( ) )sN tTissiiijd j t t dtTTd?? ??????? ? (28) 這種正交性還可以從頻域 角度來理解。每個(gè) OFDM 符號在其周期 T 內(nèi)包括多個(gè)非零子載波。因此，我們可以把它的頻譜視為周期是 T 的矩形脈沖頻譜和一組位于各子載波頻 10 率上巧函數(shù)的卷積。矩形脈沖的頻譜幅值為 Sa 函數(shù)，頻率為 1/T 整數(shù)倍的位置會出現(xiàn)函數(shù)的零點(diǎn)。 此現(xiàn)象可見圖 ,該圖中顯示出互相覆蓋的每個(gè)子信道中經(jīng)過矩形波形成而得到的符號的 sin 函數(shù)的頻譜。其他子信道的頻譜值在各子載波頻率最大值處正好為零。在解調(diào)OFDM 符號過程中，需要計(jì)算這些位置上對應(yīng)的各子載波頻率最大值，這樣就能夠把每個(gè)子信道符號從眾多的互相重疊的子信道符號頻譜中提取出來， 避免受到子信道間的干擾。圖 中顯示， OFDM 符號頻譜是滿足奈奎斯特準(zhǔn)則的，就是說出現(xiàn)在頻域中的多個(gè)子信道之間不存在互相干擾。 DFT(或 FFT)的 OFDM 系統(tǒng) 在 OFDM 系統(tǒng)中，如果子載波的數(shù)量較大，在調(diào)制過程中，諸如濾波、調(diào)制、解調(diào)等一系列復(fù)雜的設(shè)備就是必須具備的，如何能夠簡化或者是省略掉這些復(fù)雜的設(shè)備呢，離散傅立葉變換 (DFT)及其反變換 (IDFT)完全可以做到這一點(diǎn)。而且用這樣的調(diào)制和解調(diào)方法更易于用 DSP 實(shí)現(xiàn)。如果再使用快速傅立葉變換 (FFT)及其反變換 (IFFT)就能夠使運(yùn)算過程 更加簡化，達(dá)到提高運(yùn)算效率的目的。 由于 DFT 和 IDFT 在通信系統(tǒng)中的突出優(yōu)勢，該技術(shù)在調(diào)制過程的應(yīng)用已成為必然趨勢。 DFT 和 IDFT 變換對分別為 : 10: ( ) ( ) ( 0 , , .. ., 1 )N nkNnD F T X K x n W k i N??? ? ?? (29) 101: ( )