【文章內(nèi)容簡介】 3。 53 江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 從 1G 到 3G:移動通信發(fā)展歷程 概述 在當(dāng)今的人類社會，信息和通信兩個(gè)詞匯越來越多的出現(xiàn)在人們的生活當(dāng)中。信息是一種希望傳送、交換、存儲的，具有一定意義的抽象內(nèi)容，而通信則是信息的存儲、傳遞和交換。在 20 世紀(jì) 90 年代，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及人們對多媒體業(yè)務(wù)需求的增加，移動通信從第一代的模擬通信發(fā)展到了第二代的數(shù)字通信。 進(jìn) 入新的世紀(jì)，通信技術(shù)又有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，伴隨著人們對寬帶業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)需求的增加，第三代移動通信成為了研究的重點(diǎn)。雖然第三代移動通信的傳輸速率相比第二代有了很大的提高但其數(shù)據(jù)傳輸速率也僅有 2Mbit/s。而第四代移動通信是以正交頻分復(fù)用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)為核心技術(shù)。較之第三代移動通信系統(tǒng)，采用多種新技術(shù)的 OFDM 具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，它不僅僅可以增加系統(tǒng)容量，更重要的是它能更好的滿足多媒體通信要求，將 包括語音、數(shù)據(jù)、影像 等大量信息在內(nèi)的多媒體業(yè)務(wù)通過寬頻信道高品質(zhì)的傳送出去 [1]。 移動通信發(fā)展歷程 （ 1） 第一代移動通信技術(shù) (1G) 主要采用的是模擬技術(shù)和頻分多址 (FDMA)技術(shù)。由于受到傳輸帶寬的限制，不能進(jìn)行移動通信的長途 漫 游，只能是一種區(qū)域性的移動通信系統(tǒng)。第一代移動通信有多種制式，我國主要采用的是 TACS。第一代移動通信有很多不足之處，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通話質(zhì)量不高、不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、不能提供自動漫游等。 （ 2） 第二代移動通信技術(shù) (2G) 主要采用的是數(shù)字的 時(shí)分多址 (TDMA)技術(shù)和碼分多址 (CDMA)技術(shù)。全球主要有 GSM 和 CDMA 兩種體制。 GSM 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是歐洲提出的，目前全球絕大多數(shù)國家使用這一標(biāo)準(zhǔn)。我國移動通信也主要是 GSM 體制，比如中國移動的 135到 139 手機(jī)，中國聯(lián)通的 130 到 132 都是 GSM 手機(jī)。目前使用 GSM 的用戶占國內(nèi)市場的 97％。 CDMA 是美國高通公司提出的標(biāo)準(zhǔn)，目前 主要 在美國、韓國等國家使用。 我國也已經(jīng)開始發(fā)展。其 主要業(yè)務(wù)是語音，主 要 特性是提供數(shù)字化的話音業(yè)務(wù)及低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它克服了模擬移動通信系統(tǒng)的弱點(diǎn)，話音質(zhì)量、保密性能 等都 得到 了很 大的 提高，并可進(jìn)行省內(nèi)、省際自動漫游。第二代移動通信替代 第一代移動通信系統(tǒng)完成模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變，但由于第二代采用不江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 同的制式，移 動通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，用戶只能在同一制式覆蓋的范圍內(nèi)進(jìn)行漫游，因而無法進(jìn)行全球漫游， 且 由于第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)帶寬有限，限制了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，也無法實(shí)現(xiàn)高速率的業(yè)務(wù) ， 如移動的多媒體業(yè)務(wù)。 OFDM 系統(tǒng)簡介 什么是 OFDM OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù) [2]。實(shí)際上 OFDM 是 MCM MultiCarrierModulation，多 載波 調(diào)制的一種。其主要思想是：將 信道 分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相 互干擾 ICI 。每個(gè)子信道上的信號 帶寬 小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原 信道帶寬 的一小部分， 因而使得 信道均衡 變得相對容易 。 OFDM 發(fā)展 歷史 正交頻分復(fù)用 (OFDM)是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種復(fù)用技術(shù)。選擇 OFDM 的一個(gè)主要原因在于該系統(tǒng)能夠很好地對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾。正交頻分復(fù)用 (OFDM)最早起源于20 世紀(jì) 50 年代中期，在 60 年代就已經(jīng)形成了使用并行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用的概念。 1970 年 1 月首次公開發(fā)表了有關(guān) OFDM 的專利。 在傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，整個(gè)信號 頻段被劃分為 N 個(gè)相互不重疊的頻率子信道。每個(gè)子信道傳輸獨(dú)立的調(diào)制符號，然后再將 N 個(gè)子信道進(jìn)行頻率復(fù)用。這種避免信道頻譜重疊看起來有利于消除信道間的干擾，但是這樣又不能有效利用寶貴的頻譜資源。為了解決這種低效利用頻譜資源的問題，在 20 世紀(jì)60 年代提出一種思想，即使用子信道頻譜相互覆蓋的并行數(shù)據(jù)傳輸信號，其中每個(gè)子信道內(nèi)承載的信號傳輸速率為 b，而且要求各個(gè)子信道在頻域距離也是 b，從而可以避免使用高速均衡，并且可以對抗窄帶脈沖噪聲和多徑衰落，而且還可以充分利用可用的頻譜資源。 OFDM 的發(fā)展現(xiàn)狀 OFDM的提出已有近 40年的歷史，第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是軍用的無限高頻通信鏈路。但這種多載波傳輸技術(shù)在雙向無線數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用卻是近 10年來的新趨勢。經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)在廣播方式下的音頻和視頻領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。近年來，由于數(shù)字信號處理（ DSP）技術(shù)的飛速發(fā)展， OFDM技術(shù)作為一種可以有效對抗 ISI的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛的關(guān)注。 OFDM技術(shù)已經(jīng)成功地江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 應(yīng)用于非對稱數(shù)字用戶環(huán)路 (ADSL)、無線本地環(huán)路（ WLL）、數(shù)字音頻廣播（ DAB）、高清晰度電視（ HDTV）、無線局域網(wǎng)（ WLAN）等系統(tǒng)中，它可以有效的消 除多徑傳播造成的碼間干擾，因此在移動通信中的運(yùn)用也是大勢所趨。1999年 5GHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中采用了 OFDM的調(diào)制技術(shù)并將其作為它的物理層標(biāo)準(zhǔn)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ ETSI）的寬帶射頻接入網(wǎng)（ BRAN）的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也把 OFDM定為它的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制技術(shù)。 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(gè)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(gè)子載波上，使 得符號周期加長并大于多徑時(shí)延，從而有效地對抗多徑衰落。 OFDM技術(shù)利用信號的時(shí)頻正交性，允許子信道頻譜有部分重疊，使得頻譜利用效率提高近一倍。 正交頻分復(fù)用技術(shù)其概念最早出現(xiàn)于 20世紀(jì) 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(shí)際應(yīng)用中可以依靠更為方便的快速傅立葉變換 (FFT)來完成 OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)功能。 80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(jìn)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(shí)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(gè)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，還由于其具有較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。 目前 OFDM技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域有移動通信領(lǐng)域、數(shù)字傳輸領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域和電力線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域等。 OFDM技 術(shù)主要有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：抗衰落能力強(qiáng)、頻帶利用率高、適合高速 數(shù)據(jù)傳輸和抗碼間干擾能力強(qiáng)。 OFDM技術(shù)的不足之處包括： 對相位噪聲和載波頻偏十分敏感 、峰均值比大導(dǎo)致射頻放大器功率效率低、 所需線性范圍寬 、 加載算法和自適應(yīng)調(diào)制會增加系統(tǒng)復(fù)雜度等。 江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 OFDM 基本原理 無線信道衰落的特征及模型 無線通信系統(tǒng)的性能主要受到無線信道的制約，當(dāng)信號通過無線信道傳時(shí)，其衰落類型決定于發(fā)送信號特性及信道特性。信號參數(shù)與信道參數(shù)決定了不同的發(fā)送信號將經(jīng)歷不同類型的衰落。分析無線信道的特征有助 于我們找出影響無線通信系統(tǒng)性能的因素并制定應(yīng)對措施。 無線信道衰落特征 無 線信道對信號的衰減作用使接收信號的功率減小，它由傳播的路徑長度、直達(dá)信號路徑中的障礙情況決定，任何阻擋在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的障礙都會引起信號功率的衰減。對于無線信道對接收信號造成的影響，我們可以按照大尺度效應(yīng) (LargeScale Effects)和小尺度效應(yīng) (smallScale Effects)從統(tǒng)計(jì)特性上來加以分別討論 [5]。 當(dāng)接收機(jī)處于空間某一位置時(shí)，它在該位置附近接收到的信號功率的本地平均值 (Local Mean)將受到大尺度效應(yīng)的影響，這些影響包括視 (Lineofsight， LOS)路徑損耗、陰影 (Shadowing)衰落等效應(yīng)。 (1) 路徑損耗 當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離在較大尺度上 (數(shù)百米或數(shù)千米 )變化時(shí)，接收信號的平均功率值與信號傳播距離 d的 n次方成反比。 n稱為路徑損耗指數(shù)， n值的大小由具體的傳輸環(huán)境決定。對于自由空間的電波傳播， n取 2。 (2)陰影衰落 電磁波在空間傳播時(shí)受到地形起伏、高大建筑物的阻擋，在這些障礙物后面會產(chǎn)生電磁場的陰影，造成場強(qiáng)中值的變化，從而引 起信號衰減，稱作陰影衰落。陰影衰落是以較大的空間尺度來衡量的，其統(tǒng)計(jì)特性通常符合對數(shù)正態(tài)分布。路徑損耗與陰影損耗合并在一起反映了無線信道在大尺度上對傳輸信號的影響，稱之為大尺度衰落。因?yàn)檫@種衰落對信號的影響反映為信號隨傳播距離的增加而緩 慢起伏變化，所以也稱慢衰落。 小尺度衰落 (smallscale Fading)反映的是傳輸距離在較小的尺度上 (數(shù)個(gè)波長 )變化時(shí)，接收信號電平均值變化趨勢。引起小尺度衰落的原因主要有兩個(gè) : 多徑效應(yīng) (Multipath propagation)和多普勒效應(yīng) (Doppler effect)。 (1)多徑效應(yīng) (Multipath propagation) 在無線傳播環(huán)境中，到達(dá)接收機(jī)天線的信號不是沿單一路徑而來，而是來自不同傳播路徑的信號之和，這就是多徑效應(yīng)。多徑分量到達(dá)時(shí)間、信號相位都不同，多個(gè)分量在接收端疊加，接收信號的幅度會發(fā)生快速變化，即產(chǎn)生衰落，稱為多徑衰落 (Multipath fading)。 江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 (2)多普勒效應(yīng) (Doppler effect) 多普勒效應(yīng) (Doppler effect)是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相對運(yùn)動，或者信道路徑中物體的運(yùn)動 引起的。這種移動性會導(dǎo)致接收信號的頻率發(fā)生偏移，即多普勒頻移 (Doppler shift)，產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展 (頻率色散 )，造成信道的時(shí)變特性 (Time Variance)。 小尺度衰落分析 瑞利衰落分布和萊斯衰落分布都是用于描述小尺度衰落的統(tǒng)計(jì)特性。由于無線移動信道里的多徑現(xiàn)象，使得接收信號的包絡(luò)呈現(xiàn)隨機(jī)性，其包絡(luò)一般服從瑞利 (Rayleigh)衰落分布和萊斯 (Rice)衰落分布。在無線移動信道中，瑞利衰落分布常見的是用于描述平坦衰落信號或獨(dú)立多徑分量接收中包絡(luò)時(shí)變統(tǒng)計(jì)特性的一種衰落類型 。萊斯衰落分布是由于在瑞利衰落分布的基礎(chǔ)上，存在一條直射路徑的影響而造成的。 (1)瑞利衰落分布 瑞利分布是用于描述平坦衰落或獨(dú)立多徑分量情況下接收信號包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性的一種典型分布類型。 典型的陸地移動通信系統(tǒng)都是存在多徑衰落的。如果各條路徑信號的幅值和 到達(dá)接收天線的方位角是隨機(jī)的且是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，則接收信號的包絡(luò)服從瑞利(Rayleigh)分布。 瑞利衰落的幅度 x（ t）概率密度函數(shù)可用公式 （ 21） 表示 （ 21） 式中， x小于零時(shí) p(x)為零， 錯誤 !未找到引用源。 表示包絡(luò)檢波前接收電波電壓信號的有效值， 錯誤 !未找到引用源。 是包絡(luò)檢波前的接收信號包絡(luò)的時(shí)間平 均功率。 其概率分布函數(shù)可用式 （ 22） 表示 （ 22） 因此，瑞利分布的均值為 （ 23） 均方根值為 （ 24）方差為 江西理工大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 錯誤 !未找到引用源。 （ 25） 其中值由式 錯誤 !未找到引用源。 解出。 得 （ 26） 若用中值表示概率分布函數(shù)則有 （ 27） 比較式 （ 26） 、 （ 23） 可以看出瑞利衰落信號均值與中值僅相差 。 相位 錯誤 !未找到引用源。 服從均勻分布，即 （ 28） (2)萊斯衰落分布 萊 斯衰落分布幅度 x(t)概率分布函數(shù)可用式 （ 29） 表示 （ 29） 相位可