【文章內(nèi)容簡介】 擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。造成碼間干 擾的原因有很多，實際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會造成一定的碼間干擾。 OFDM 由于采用了循環(huán)前綴，對抗碼間干擾的能力很強。 OFDM 技術(shù)的不足之處包括： （ 1） .對頻偏和相位噪聲比較敏感 OFDM 技術(shù)區(qū)分各個子信道的方法是利用各個子載波之間嚴格的正交性。頻偏和相位噪聲會使各個子載波之間的正交特性惡化，僅僅 1%的頻偏就會造成信噪比下降 30db。因此， OFDM 系統(tǒng)對頻偏和相位噪聲比較敏感。 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 1 （ 2） .峰均值比大導(dǎo)致射頻放大器功率效率低 與單載波系統(tǒng)相比，由于 OFDM 信號是由多個獨立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號相 加而成的，這樣的合成信號就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就會帶來較大的峰值功率與均值功率之比，簡稱峰均值比（ PAPR）。對于包含Ｎ個子信道的OFDM 來說，當(dāng) N 個子信道都以相同的相位求和時，所得到的峰值功率就是均值功率的 Ｎ 倍 ，因而基帶信號的峰均值比為： PAPR=10lgN 例如，在 N=256 的情況下， OFDM 系統(tǒng)的 PAPR=。當(dāng)然，這是一種非常極端的情況，通常 OFDM 系統(tǒng)內(nèi)的峰值不會達到這樣高的程度。高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導(dǎo)致射頻信號放大器的功率效率降低 [4]。 本文研究內(nèi)容 本文對 OFDM 通信系統(tǒng)進行了較為全面的仿真分析。主要包括： １．對采用 Simulink 搭建的仿真系統(tǒng)及主要模塊進行了說明； ２．對分別采用 QPSK， 16QAM， 64QAM 的 OFDM 系統(tǒng)的性能進行了比較和分析： ３．對采用 RS 編碼和未采用編碼的 OFDM 系統(tǒng)的性能進行了比較； ４．對采用 COST207多徑信道模型及不同多普勒頻移的 OFDM 系統(tǒng)進行了仿真，深入全面研究了瑞利衰落信道對 OFDM 通信系統(tǒng)性能的影響； ５．對采用塊狀導(dǎo)頻的 OFDM 通信系統(tǒng)進行了仿真分析，對采用不同導(dǎo)頻比及不同多普勒頻移的系統(tǒng)性能進行 了比較和分析，得出了仿真模型下適用的多普勒頻移的變化范圍及相應(yīng)的導(dǎo)頻比的選擇； ６．對采用梳狀導(dǎo)頻的 OFDM 通信系統(tǒng)進行了仿真分析，對采用不同導(dǎo)頻比及不同多普勒頻移的系統(tǒng)性能進行了比較和分析，根據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)了梳狀導(dǎo)頻的適用情況，對 OFDM 系統(tǒng)的導(dǎo)頻選擇進行了分析和總結(jié) 。 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 1 本章小結(jié) 正交頻分復(fù)用（ OFDM）是 一 種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，它的基本思想是將高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，變成在若干個正交的窄帶子信道上并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流。 OFDM 技術(shù)將傳送的數(shù)據(jù)信息分散到每個子載波上，使得符號周期加長并 大于多徑時延，從而有效地對抗多徑衰落； OFDM 技術(shù)利用信號的時頻正交性，允許子信道頻譜有部分重疊，使得頻譜利用率提高近一倍。 正交頻分復(fù)用技術(shù)其概念最早出現(xiàn)于 20 世紀 50 年代中期。 60 年代形成了并行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用的思想。離散傅立葉變換（ DFT）的引入使實際應(yīng)用中可以依靠更為方便的快速傅立葉變換（ 從 F1 至 FT）來完成 OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)功能。 80 年代，人們對多載波調(diào)制在高速 MODEM、數(shù)字移動通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了較為深入的研究。 90 年代，數(shù)字信號處理技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展為 OFDM 技術(shù)的 實現(xiàn)掃除了障礙。 DSP 與 FFT 技術(shù)的結(jié)合，使得 OFDM開始迅速發(fā)展并被廣泛應(yīng)用。隨著成熟技術(shù)的逐步引入，人們開始集中越來越多的精力開發(fā) OFDM 技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用。人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個人化和移動化的需求日益增長， OFDM 技術(shù)在綜合無線接入領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。此外，還由于其具有高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，而被看作是第四代移動通信的核心技術(shù)之一。 OFDM 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域有移動通信領(lǐng)域、數(shù)字傳輸領(lǐng)域、計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域和電力線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。 OFDM 技術(shù)主要有如下幾個優(yōu)點：抗衰落能力強、頻率利用率高 、適合高速數(shù)據(jù)傳輸和抗碼間干擾能力強。 OFDM 技術(shù)的不足之處包括：對頻偏和相位噪聲比較敏感、峰均值比大導(dǎo)致射頻放大器功率效率低、加載算法和自適應(yīng)調(diào)制會增加系統(tǒng)復(fù)雜度。 在本章的最后，對本文研究內(nèi)容進行了說明。 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 1 第 2 章 OFDM 原理與性能 OFDM 由大量在頻率上等間隔的子載波構(gòu)成（設(shè)共有 N 個 載波），各載波可用同一種數(shù)字調(diào)制方法，或不同的載波使用不同的調(diào)制方法，將高速串行數(shù)據(jù)分成多路并行的低速數(shù)據(jù)加以調(diào)制。所以 OFDM 實際上是一種并行調(diào)制方案，將符號周期延長 N 倍 ，從而提高了抗多徑衰落的抵抗能力。在傳統(tǒng)的頻 分復(fù)用中．備載波的信號頻譜互不重疊，頻帶利用率較低。在 OFDM 系統(tǒng)中，各于載波在整個符號周期上是正交的．即加于符號周期上的任何兩個載被的乘積等于零，因此各于載波信號頻譜可以互相重疊，大大提高了頻帶利用率。由于 OFDM 系統(tǒng)中的載波數(shù)量多達幾百上千，所以在實際應(yīng)用中不可能使用幾百個振蕩器和鎖相環(huán)進 行調(diào)制。因此， Weinstein 提出了用離散傅里葉變換 DFT）實現(xiàn) OFDM 的方法。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)（ DSP）的飛速發(fā)展，采用快速傅里葉變換㈣，利用現(xiàn)有的高速數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn) OFDM 的調(diào)制與解調(diào)，非常方便，又可大 大降低系統(tǒng)成本。 OFDM 的基本原理模型 OFDM 的基本原理就是把串行的數(shù)據(jù)流分解成若干個數(shù)據(jù)速率低得多的并行子數(shù)據(jù)流，每個子數(shù)據(jù)流再去調(diào)制相應(yīng)各個正交的子載波，最后把各個子載波上的信號疊加合成一起輸出。 OFDM 系統(tǒng)的基本原理如 圖 所示： 圖 OFDM 系統(tǒng)基本原理模型 從上圖可以看出： OFDM 的發(fā)送端的基本原理就是把輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 1 成 N 路子信道數(shù)據(jù)，然后分別調(diào)制相應(yīng)各個正交的子載波后疊加合成一起輸出。而在接收端則用各個子載波分別混頻和積分得到各路數(shù)據(jù)，經(jīng)過并串變換便輸出原始數(shù)據(jù)。 從上面對 OFDM 基本原理的論述可以看出：其實現(xiàn)的根本思想是通過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，實現(xiàn)的關(guān)鍵點是保證各個子載波之間的正交性 [5][6]。串并變換是很容易實現(xiàn)的，而正交性是如何實現(xiàn)的呢？下面先看看 OFDM 信號的表達式。 一個 OFDM 符號之內(nèi)包括多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號，其中每個子載波信號都可以進行相移鍵控（ PSK）或者正交幅度 調(diào)制 （ QAM）。如果 N 表示子信道的個數(shù)， T 表示一個 OFDM 符號的時間寬度， id (i=0,1,i? N1)為每個子信道的數(shù)據(jù)符號， fc是第 0 個子載波的載波頻率，則 tts?。開始的一個已經(jīng)調(diào)制的OFDM 符號可表示為： ed ttftssc TjNi i))(1(210Re)(?? ????? Tttt ss ??? (21) 然而在多數(shù)的文獻中，通常采用復(fù)等效基帶信號來表示 OFDM 的輸出信號，如式 (22)所示。其中實部和虛部分別對應(yīng)于 OFDM 符號的同相和正交分量，在實際中可以分別與相應(yīng)的子載波的 COS 分量和 SIN 分量相乘，再疊加成 OFDM 信號。 ed tttssTijNi i)(210)(?????? Tttt ss ??? （ 22） 從式 ()和式 （ ） 都可以看出， OFDM 信號相鄰子載波間的間隔為 OFDM的碼元速率即 1/T，這樣就有： dtTdtT eeee tTmjT tTnjT tjwtjw mn ?? 202011 ?? ? dtT e Tmnj? ?? ? ?021 （ 23） ={10 mnmn?? 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 1 式 （ 23） 說明了只要使各個子載波之間的間隔為 1/T 就保證了各個子載波之間的正交性。正是這種正交性使頻譜互相重疊的各個 子載波信號能夠被正確的分離出來。比如要解調(diào)第 j 個子載波，根據(jù)圖 21 及式 (23)有： dttsTs stTsttTjjj ed ?? ? ??? )(2)(1 ? = dtT eed sss ttTjjttTijtTsNi i)(2)(2101 ???? ??? ??? （ 24） = dtdTs stTsttT jijNi i e??? ????)(2101 ? =dj 這種正交性在時域的表現(xiàn)就是每個子載波在 一個 OFDM 符號周期內(nèi)包含整數(shù) 倍個 周期，而且各個相鄰子載波之間相差一個周期 [7]。如圖 所示 圖 OFDM 信號正交性的時域表現(xiàn) 這種正交性也可 以從頻域得到 更直觀的體現(xiàn)。因為每個 OFDM 符號包 含 了多個非零的子載波，因此其頻譜可以看作是周期為 T 的矩形脈沖的頻譜與各個子載波的脈沖響應(yīng)函數(shù) )(t? 的卷積，圖 顯示了 OFDM 信號頻譜中各個子信道頻譜的情況．其中每個子信道的頻譜為 sinc 函數(shù)，它在中心頻率處有最大值，在 1/T的整數(shù)倍頻率上的值為零 [8]。這樣，在每 個子載波的頻譜最大值處所有其他子載波為零，在解調(diào)時，需要計算各個于載波頻譜的最大值，只要保證各個子載波的武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 1 頻率沒有偏移，就可以準確的解調(diào)出每個子信道上的數(shù)據(jù)而不受其他子信道的影響 圖 從各個子信道 頻譜看 OFDM 信號的頻譜 在 OFDM 信號頻譜中，由于各個子信道頻譜相互重疊， OFDM 信號的帶寬是進行一般頻分復(fù)用信號帶寬的一半．即頻譜利用率提高了一倍。這是 OFDM 給我們帶來的最 大 好處之一 [9]。 OFDM 的 IFFT/FFT 實現(xiàn) 圖 21 只是從理論上說明了 OFDM 系統(tǒng)的基本原理，按圖 21 來實現(xiàn) OFDM系統(tǒng)是非常的困難和不可取的。因為當(dāng)子載波數(shù)目多，子載波間隔非常小時，難以實現(xiàn)這么高的頻率分辨率，而且解調(diào)時每一路子載波都要進行積分，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，非常的浪費資源，因此需要尋找一種易于實現(xiàn)的方案 [10]。 在式 （ 22） 中．令，對信號 s(t)以 T/N 的速率進行采樣．即令 NkTt /? (k=0,1,2...N1)，可以得到： 10102 ???? ??? NkdNiNikjik es ? （ 25） 可以看到 sk 可以看作對 di 進行離散傅立葉反變換 IDFT 運算。同樣在接收武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 1 端．為了恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)符號 di，對 sk進行反變換，即進行離散傅立葉變換DFT 得到： 10102 ???? ???? NisNkNikjkj ed ? （ 26） 根據(jù)以上的分析可以看出， OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以分別由 IDFT/DFT完成。通過 N 點 IDFT 運算，把頻域數(shù)據(jù)符號 di變成時域數(shù)據(jù) 符號 sk，經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無線信道中。其中，每一個 IDFT 輸出的數(shù)據(jù)符號 sk都是由所有子載波信號經(jīng)過疊加而生成，即對連續(xù)的多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的疊加信號進行抽樣得到的。這樣通過 DFT 的方法來實現(xiàn) OFDM 有很大的好處，它大大簡化了調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計，使用 IDFT/DFT 便可完成了多路子載波的調(diào)制和解調(diào)，而且 IDFT/DFT 早就有了成熟的快速算法 IFFT/FFT，它 可以方便的在 DSP芯片中實現(xiàn)。使用 IFFT/FFT 的 OFDM 系統(tǒng)基本原理如圖 所示 [11]。 圖 OFDM 基本原理的 IFFT/FFT 實現(xiàn) 添加循環(huán)前綴 應(yīng)用 OFDM 的一個最主要原因是它可以有效的對抗多徑時延擴展。通過把輸入的數(shù)據(jù)流串并變換到 N 個并行的子信道中，使得每個用于去調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)符號周期可以擴大為原始數(shù)據(jù)符號周期的 N 倍，因此時延擴展與符號周期的比值也同樣降低 N 倍。為了最大限度地消除符號間干擾，還可以在每個 OFDM 符號之間插入保護間隔（ guard interval），而且該保 護間隔長度 [12]Tg 一般要大于無線信道的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。在這段保護間隔內(nèi)，可以不插入任何信號，即