【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，對(duì)本文的安排做出規(guī)劃。 第二章介紹了 OFDM 的發(fā)展史，單載波和多載波體制， OFDM 的基本原理和系統(tǒng)模型 ， OFDM 的優(yōu)勢(shì)，以及 OFDM 的 關(guān)鍵問(wèn)題。 第三章研究了 OFDM 系統(tǒng)中的峰均比問(wèn)題，介紹了抑制峰均比的常用方法，研究了 SLM 算法的基本原理，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。 第四章 研究了 SLM 的一種改進(jìn)算法 —— MSR 算法，介紹了 MSR 算法兩種實(shí)現(xiàn)方案的基本原理，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。 最后是結(jié)論部分，總結(jié)了本文的研究成果，指出了尚存在的問(wèn)題。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 OFDM 原理 OFDM 概述 正交頻分復(fù)用 (OFDM)是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作是一種復(fù)用技術(shù)。 OFDM 具有抗頻率選擇性衰落和頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)， 目前已成功應(yīng)用于接入網(wǎng)中的高速數(shù)字環(huán)路 (HDSL)、非對(duì)稱數(shù)字環(huán)路(ADSL)、高清晰度電視 (HDTV)的地面廣播系統(tǒng)等， 是未來(lái)無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一 。 OFDM 的歷史要追溯到 20 世紀(jì) 60 年代中期，當(dāng)時(shí) 發(fā)表了關(guān)于帶限信號(hào)多信道傳輸合成的論文 [26]。他描述了發(fā)送信息可同時(shí)經(jīng)過(guò)一個(gè)線性帶限信道而不受信道問(wèn)干擾 (ICI)和符號(hào)間干擾 (ISI)的原理。此后不久， Saltzberg 完成了性能分析。他提出 設(shè)計(jì)一個(gè)有效并行系統(tǒng)的策略應(yīng)該是集中在減少相鄰信道的交叉干擾 (crosstalk)而不是完成單個(gè)信道，因?yàn)榍罢叩挠绊懯菦Q定性的。 1970 年 1 月 ， 有關(guān) OFDM 的專利 首次公開(kāi) 發(fā)表，其基本思想就是通過(guò)采用允許子信道頻譜重疊，但又相互間不影響的頻分復(fù)用 (FDM)的方法來(lái)并行傳送數(shù)據(jù)，不僅無(wú)需高速均衡器，有很高的頻譜利用率，而且有較強(qiáng)的抗脈沖噪聲及多徑衰落的能力。OFDM 早期的應(yīng)用有 ANIGSC1O(KATHRYN)高頻可變速率數(shù)傳調(diào)制解調(diào)器(Modem)。該 Modem 利用 34 路子信道并行傳送 34 路低速數(shù)據(jù)，每個(gè)子信道采用相移鍵控 (PSK)調(diào)制，且各子信道載波相互正交，間隔為 84Hz。但是在早期的 OFDM系統(tǒng)中，發(fā)信機(jī)和相關(guān)接收機(jī)所需的副載波陣列是由正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的，且在相關(guān) 接收時(shí)各副載波需要準(zhǔn)確地同步，因此當(dāng)子信道數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)就顯得非常復(fù)雜和昂貴。 對(duì) OFDM 做主要貢獻(xiàn)的是 Weinstein 和 Ebert 在 1971 年的論文， Weinstein和 Ebert提出使用離散傅里葉變換 (Discrete Fourier Transform, DFT)，實(shí)現(xiàn) OFDM 系統(tǒng)中的全部調(diào)制和解調(diào)功能的建議。因而簡(jiǎn)化了振蕩器陣列以及相關(guān)接收機(jī)中本地載波之間的嚴(yán)格同步的問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn) OFDM 的全數(shù)字化方案作了理論上的準(zhǔn)備。用離散傅里葉變換 (DFT)完成基帶調(diào)制和解調(diào)，這項(xiàng)工作不是集中在單個(gè)信道，而是旨在引入消除子載波間干擾的處理方法。為了抗 ISI 和 ICI，他們?cè)跁r(shí)域的符號(hào)和升余弦窗之間用了保護(hù)時(shí)間，但在一個(gè)時(shí)間彌散信道上的子載波間不能保證良好的正交性。 另一個(gè)主要貢獻(xiàn)是 Peled 和 Ruiz 在 1980 年的論文，他引入了循環(huán)前綴 (Cyclic 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 Prefix, CP)的概念，解決了正交性的問(wèn)題。他們不用空保護(hù)間隔，而是用 OFDM 符號(hào)的循環(huán)擴(kuò)展來(lái)填充，這可有效地模擬一個(gè)信道完成循環(huán)卷積，這意味著當(dāng) CP 大于信道的脈沖響應(yīng)時(shí)就能保證子載波間的正交性 。 隨著 VLSI 的迅速發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了高速大階數(shù)的 FFT 專用芯片及可用軟件快速實(shí)現(xiàn) FFT 的數(shù)字信號(hào)處理 (DSP)的通用芯片，且價(jià)格低廉，使利用 FFT 來(lái)實(shí)現(xiàn) OFDM的技術(shù)成為可能。 1981年 Hirosaki用 DFT完成的 OFDM調(diào)制技術(shù)，試驗(yàn)成功了 16QAM多路并行傳送 kb/s 的電話線 Modem。而在無(wú)線移動(dòng)信道中，盡管存在著多徑傳播及多普勒頻移所引起的頻率選擇性衰落和瑞利衰落，但 OFDM 調(diào)制還是能夠減輕瑞利衰落的影響。這是因?yàn)樵诟咚俅袀魉痛a元時(shí)，深衰落會(huì)導(dǎo)致鄰近的一串碼元被嚴(yán)重破壞，造成突發(fā)性 誤碼。而與串行方式不同， OFDM 能將高速串行碼流轉(zhuǎn)變成許多低速的碼流進(jìn)行并行傳送，使得碼元周期很長(zhǎng)，即遠(yuǎn)大于深衰落的持續(xù)時(shí)間，因而當(dāng)出現(xiàn)深衰落時(shí)，并行的碼元只是輕微的受損，經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)就可以恢復(fù)。另外對(duì)于多徑傳播引起的碼間串?dāng)_問(wèn)題，其解決的方案是在碼元間插入保護(hù)間隙，只要保護(hù)間隙大于最大的傳播時(shí)延時(shí)間，碼間串?dāng)_就可以完全避免。 正基于此， 1984 年， Cimini 提出了一種適于無(wú)線信道傳送數(shù)據(jù)的 OFDM 方案。其特點(diǎn)是調(diào)制器發(fā)送的子信道副載波調(diào)制的碼型是方波，并在碼元間插入了保護(hù)間隙。雖然各子信道的頻譜為 sinx/x 形，但由于碼元周期很長(zhǎng)，單路子信道所占的頻帶很窄，因而位于信道頻率邊緣的子信道的拖尾，對(duì)整個(gè)信道帶寬影響不大，可以避免多徑傳播引起的碼間串?dāng)_。同時(shí)由于省去了升余弦濾波器，使實(shí)現(xiàn)的方案非常簡(jiǎn)單，因此后來(lái)的大多數(shù) OFDM 方案都是以此為原形實(shí)現(xiàn)的。 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)， OFDM 技術(shù)逐漸開(kāi)始在數(shù)字音頻廣播 (DAB)，數(shù)字視頻廣播 (DVB)，高速數(shù)字用戶環(huán)路 (HDSL)得到應(yīng)用以及各種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)中得到廣泛應(yīng)用。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ETSI)在 1995 年制定了基于 OFDM 技術(shù)的 DAB 標(biāo)準(zhǔn)，接著在 1997年制定了基于 OFDM 技術(shù)的 DVB 標(biāo)準(zhǔn)； 1998 年 IEEE902． 11 標(biāo)準(zhǔn)組選擇 OFDM 為WLAN 的物理層接入方案，這也是 OFDM 第一次用到分組業(yè)務(wù)通信中； 1999 年IEEE802． 11a 的一個(gè) 5GHz 的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)采用 OFDM 技術(shù)作為物理層標(biāo)準(zhǔn)； 20xx年開(kāi)始制定的 IEEES02． 20 移動(dòng)寬帶接入 (MBWA)標(biāo)準(zhǔn)主要采用 OFDM 技術(shù)；城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) IEEE802． 16 和第三代移動(dòng)通信長(zhǎng)期演進(jìn) (Long Term Evolution, LTE)的提案中，OFDM 也是作為不可或缺的物理層關(guān)鍵技術(shù)。 OFDM 系統(tǒng)具有 頻譜利用率高、抗多江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 徑衰落能力強(qiáng)和硬件實(shí)現(xiàn)容易等諸多優(yōu)勢(shì)，是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng) （ Beyond 3G或 4G）的關(guān)鍵技術(shù)之一，加之人們對(duì)無(wú)線通信寬帶化、 個(gè)人化和移動(dòng)化的需求， OFDM 技術(shù)必將得到進(jìn)一步的發(fā)展和更加廣泛的運(yùn)用。 單載波與多載波 通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，在傳輸信息的年代，人們憑借聰慧的大腦發(fā)明了一個(gè)又系統(tǒng)?，F(xiàn)在的移動(dòng)通信技術(shù)已趨于高科技化，從幾十年前的單載波系統(tǒng)到如今的多載波調(diào)制系統(tǒng)，為我們的生活增添了不少方便。 所謂的單載波調(diào)制，是在傳輸過(guò)程中，采用一個(gè)信號(hào)載波來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。單載波調(diào)制也有很多種方法，如 正交幅度調(diào)制 (QAM)，脈沖編碼調(diào)制 (PCM)，自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制，增量調(diào)制等。 QAM 前面的數(shù)字表示在調(diào)制過(guò)程中映射都星座圖上的模數(shù)。如圖 21， 圖 22， 圖 23。 圖 21 16QAM 星座圖 圖 22 64QAM 星座圖 圖 23 256QAM 星座圖 由于單載波調(diào)制所要達(dá)到的速率不能滿足現(xiàn)在的通信，所以我們正朝著另一個(gè)方向發(fā)展 —— 多載波調(diào)制技術(shù)。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 多載波調(diào)制簡(jiǎn)稱 MCM，其英文全名為 MultiCarrierModulation。多載波調(diào)制就是在傳輸過(guò)程中，將高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換等技術(shù)，變成為很多路低速的數(shù)據(jù)流，而每一路數(shù)據(jù)流則在各自的信道上傳輸。這樣的情況下，數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)不會(huì)相互干擾，那么就可以看成是在自己的平坦信道上傳輸，可以有效減小 ISI（ 符號(hào)間干擾 ） 和 ICI（ 載波間干擾 ） 。 其實(shí)，多載波調(diào)制技術(shù)也不是一個(gè)很新的技術(shù)，早在 20 世紀(jì) 50 年代，就由美國(guó)軍方研制出了第一個(gè)多載波技術(shù)，只是由于在快速傅立葉變換的到來(lái)之前不易實(shí)現(xiàn)，所以，才有最近幾十年的快速發(fā)展。 多載波系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：第一，能夠把一個(gè)頻率選擇性衰落的影響分散到許多個(gè)符號(hào)上，有效地使衰落或脈沖引起的衰落隨機(jī)化，這樣就不是幾個(gè)相鄰的符號(hào)遭到破壞，而是許多個(gè)符號(hào)都有輕微的失真，從而可以用前向糾錯(cuò)使其恢復(fù)。第二，由于把整個(gè)可利用的帶寬劃分成許多個(gè)窄帶子信道，因此單個(gè)子信道上的頻率響應(yīng)變得相對(duì)平坦了許多，所需的均衡要比串行系統(tǒng)簡(jiǎn)單，若采用差分編碼甚至可以不用均衡。第三，并行調(diào)制可使符號(hào)的速率下降，延長(zhǎng)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，使系統(tǒng)可以很好地對(duì)抗時(shí)延擴(kuò)展。另外，多載波系統(tǒng)可提供比串行方式更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有較高的頻 譜利用率，這些使它在寬帶通信中得到廣泛的應(yīng)用。多載波調(diào)制可以認(rèn)為是一種頻域技術(shù)，而傳統(tǒng) HF 通信的單載波調(diào)制則是一種時(shí)域技術(shù)。多載波調(diào)制抵抗時(shí)域脈沖干擾能力較強(qiáng)，但它容易受到頻域脈沖的干擾，可以通過(guò)關(guān)閉相應(yīng)的子信道來(lái)消除其影響，單載波調(diào)制抵抗頻域和時(shí)域干擾的能力則正相反。兩者的另一種時(shí)頻對(duì)偶特性是，為了消除 ISI， 單載波調(diào)制需要保留一部分頻譜用于波形形成 （ 頻域 ） ，而多載波調(diào)制需要插入一定的保護(hù)間隔 （ 時(shí)域 ） 。另外，對(duì)于多徑衰落信道，單載波調(diào)制可以插入一個(gè)訓(xùn)練序列用于自適應(yīng)均衡器收斂和系統(tǒng)同步，多載波調(diào)制通常則是發(fā)送一個(gè)導(dǎo)頻以獲取頻域均衡和信道譯碼所需要的信道狀態(tài)信息。 OFDM 是多載波調(diào)制的一種，并且 各個(gè)子載波需要保持正交性 [21]，在 MCM 中這一條件不總是成立。 設(shè)在一個(gè)子信道中，子載波的頻率為 kf ， 碼元持續(xù)時(shí)間為 sT ，則此碼元的波形和其頻譜密度畫(huà)出如 圖 24： 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 24 單個(gè)子載波碼元波形和頻譜密度 在 OFDM 中，各相鄰子載波的頻率間隔等于最小容許間隔 ， 故各子載波合成后的頻譜密度曲線如下圖 ： 圖 25 各子載波合成后的頻譜密度 雖然由圖 25，各路子載波有 頻譜重疊，但是實(shí)際上在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)它們是正交的。故在接收端很容易利用此正交特性將各路子載波分離開(kāi)。采用這樣密集的子載頻，并且在子信道間不需要保護(hù)頻帶間隔，因此能夠充分利用頻帶。這是 OFDM的一大優(yōu)點(diǎn)。 下表 21 列出了單載波與多載波傳輸方式在符號(hào)時(shí)間、速率、頻帶帶寬和對(duì) ISI敏感度等幾方面的比較。其中， N 為子載波個(gè)數(shù)， sT 為一個(gè) OFDM 符號(hào)的持續(xù)時(shí)間。 表 21 單載波與多載波傳輸方式比 系統(tǒng)參數(shù) 單載波 多載波 符號(hào)時(shí)間 sT /N sT 速率 N/ sT 1/ sT 總頻帶帶寬 2N/ sT 2N/ sT +N(2 sT ) ISI 敏感度 較敏感 較不敏感 s1/fT??江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 OFDM 基本原理 OFDM 是多載波調(diào)制的一種。在傳輸過(guò)程中，無(wú)線信道多是不平坦的，而 OFDM是一個(gè)具有很多信息的高速數(shù)據(jù)流，那么就必須采取信道中的不平坦處理，才能有效的把數(shù)據(jù)傳輸出去。 OFDM 的思想是把傳輸中的數(shù)據(jù)流分成多個(gè)部分，把無(wú)線信道分成 N 個(gè)信道，而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流則是分成 N 條數(shù)據(jù)，在 N 個(gè)信道上分別傳輸。雖然總的信道是不平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)信道在自己的信道上傳輸，解決了平坦性。這樣不僅有利于增大在傳輸過(guò)程中的符號(hào)的周期時(shí)間，還可以減少碼間的干擾。最重要的一點(diǎn)是，加入了保護(hù)間隔，可以最大消除符號(hào)間干擾。 OFDM 是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^(guò)串并轉(zhuǎn)換，在多個(gè)子信道上傳輸，不像傳統(tǒng)的調(diào)制在一個(gè)時(shí)刻只能傳輸一個(gè)頻率的信號(hào)， OFDM 可以在正交的頻率上同時(shí)傳送多路信號(hào)，能夠充分的 利用信道的帶寬。在 OFDM 系統(tǒng)中，每個(gè)傳輸符號(hào)速率的大小大約在幾十 bit/s 到幾十 bit/s 之間，必須進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，將輸入的串行比特流轉(zhuǎn)換成可以傳輸?shù)?OFDM 符號(hào)。 因?yàn)檎{(diào)制模式可以自行轉(zhuǎn)換，是可以自適應(yīng)性調(diào)節(jié)的，所以每個(gè)子載波的調(diào)制模式可以變化，故串并變換需要分配給每個(gè)子載波數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度也是不一樣的。在接收端執(zhí)行相反的過(guò)程，從各個(gè)子載波處傳來(lái)的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換回原始的串行數(shù)據(jù)。 當(dāng)一個(gè) OFDM 符號(hào)在多徑無(wú)線信道中傳輸時(shí)，頻率選擇性衰落會(huì)導(dǎo)致某幾組子載波受到相當(dāng)大的衰減，從而引起比特錯(cuò)誤，這些在信道頻率響應(yīng)上的零 點(diǎn)會(huì)造成在鄰近的子載波上發(fā)射的信息受到破壞，導(dǎo)致在每個(gè)信號(hào)中出現(xiàn)一連串的比特錯(cuò)誤。與一大串錯(cuò)誤連續(xù)出現(xiàn)的情況比較相比較，大多數(shù)前向糾錯(cuò)編碼在錯(cuò)誤分布均勻的情況下會(huì)工作得更有效。所以，為了提高系統(tǒng)的性能，大多數(shù)系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)加擾作為串并轉(zhuǎn)換工作的一部分。 正交頻分復(fù)用技術(shù)不需要帶通濾波器來(lái)分割子載波， DSP 技術(shù)的成熟，可以通過(guò)快速傅立葉變換來(lái)選用那些即使混疊也能夠保持正交的波形。 OFDM 系統(tǒng)模型 在 OFDM 中，調(diào)制和解調(diào)是必不可少的。在調(diào)制過(guò)程中，有多路子載波， 如果對(duì)子載波上的信號(hào)進(jìn)行差分相位 鍵控調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱 PSK 調(diào)制方式， 其調(diào)制和解調(diào)江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 原理如下： 串并轉(zhuǎn)換IFFTP S K 調(diào) 制P S K 調(diào) 制P S K 調(diào) 制P S K 調(diào) 制串 并轉(zhuǎn) 換（ 插