【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 艱苦的融合，終于在 2021年 12 月選定了 LTE 的基本傳輸技術(shù)，即下行 OFDM，上行第 1章 緒論 5 SC(單載波 )FDMA。 OFDM 由于技術(shù)的成熟性，被選用為下行標(biāo)準(zhǔn)很快就達(dá)成共識(shí)。而上行技術(shù)的選擇上，由于 OFDM的高峰均比 (PAPR)使得一些設(shè)備 商認(rèn)為會(huì)增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時(shí)間，一些則認(rèn)為可以通過(guò)濾波，削峰等方法限制峰均比。不過(guò)經(jīng)過(guò)討論后，最后上行還是采用了 SCFDMA 方式。擁有我國(guó) 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) 的 3G 標(biāo)準(zhǔn) —— TDSCDMA 在 LTE 演 進(jìn) 計(jì) 劃 中 也 提 出 了TDCDMOFDM 的方案 B3G/4G 是 ITU 提出的目標(biāo)，并希望在 2021 年予以實(shí)現(xiàn)。 B3G/4G 的目標(biāo)是在高速移動(dòng)環(huán)境下支持高達(dá) 100Mb/S 的下行 數(shù)據(jù)傳輸速率 ，在室內(nèi)和靜止環(huán)境下支持高達(dá) 1Gb/S 的下行數(shù)據(jù)傳輸速率。而 OFDM 技術(shù)首當(dāng)其沖將扮演重要的角色 [1] 。 多天線處理備受矚目。隨著業(yè)務(wù)量的增加，頻譜資源的日趨減少，運(yùn)營(yíng)商投資成本日益升高，擴(kuò)大蜂窩系統(tǒng)的容量、提高頻譜效率已經(jīng)是 無(wú)線系統(tǒng)的首要問(wèn)題。傳統(tǒng)的小區(qū)分裂的方式，增加了基站的建設(shè)成本，是不經(jīng)濟(jì)的做法。多天線技術(shù)，利用空 /時(shí)處理，或者改善用戶傳輸信道質(zhì)量，或者增加分集增益，能大大提高頻譜效率，雖然對(duì)于單個(gè)站點(diǎn)會(huì)增加設(shè)備成本，但是由于覆蓋和容量的改善，將降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，從而大大減少投資。由于 OFDM 本身對(duì)物理層處理的要求較低，因而使得多天線技術(shù)可以結(jié)合起來(lái)，對(duì)系統(tǒng)總的復(fù)雜度影響不大。這種多天線處理結(jié)合 OFDM 的應(yīng)用，也將成為新興無(wú)線通信技術(shù)的必然模式。特別是自今年中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商先后拿到 4G牌照，而且對(duì)于 5G 的研究也開始提上 日程，在未來(lái)幾年的通信行業(yè)必是 OFDM 技術(shù)的大勢(shì)時(shí)期。 可行分析性 MATLAB可以方便的在語(yǔ)言與圖形結(jié)合的環(huán)境下設(shè)計(jì)OFDM接收系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的基本參數(shù)可以在 MATLAB程序開燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 始時(shí)設(shè)定。 可以先按照要求設(shè)定出經(jīng) OFDM調(diào)制過(guò)的信號(hào)，用高斯白噪聲來(lái)模擬信道噪聲，即用 AWGN信道作為信道模型，在接收系統(tǒng)部分完成串并變換、去 CP、 FFT、并串變換、信號(hào)的解調(diào)，這些部分的設(shè)計(jì)均可以在 MATLAB環(huán)境下簡(jiǎn)單的仿真實(shí)現(xiàn)。 編寫 MATLAB程序，實(shí)現(xiàn)通過(guò) AWGN信道的 OFDM信號(hào)的解調(diào)，也即完成了一個(gè) OFDM接 收系統(tǒng)解調(diào)信號(hào)的功能。 通過(guò)閱讀大量有關(guān) OFDM系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)方法和仿真軟件MATLAB的書籍，在老師的指導(dǎo)下，我相信定能完成本課題。 本文主要研究工作和內(nèi)容安排 本文主要研究了 OFDM 的基本原理及對(duì) OFDM 接收系統(tǒng)的MATLAB 仿真與分析，并將其與單載波和 FDM 傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，重點(diǎn)放在了 OFDM 接收機(jī)系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)與仿真，最后用 MATLAB 代碼編寫了整個(gè) OFDM 基帶系統(tǒng)仿真平臺(tái)，設(shè)置好仿真參數(shù)，對(duì)該基帶系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，最終得到誤碼率（ BER）與信噪比（ SNR）的關(guān)系圖。 內(nèi)容安排如下： 第一部分主要介紹了課題研究的背景及意義，課題的發(fā)展歷程現(xiàn)狀和前景及本文研究的主要工作簡(jiǎn)單介紹。 第二部分主要介紹 OFDM 接受系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)及原理介紹，采用的 QPSK 調(diào)制方式， IFFT 變換，去 CP，串并 /并串變換。最終建立了一個(gè) OFDM 接收系統(tǒng)。 第三部分主要簡(jiǎn)單介紹了 OFDM 仿真的關(guān)鍵技術(shù)，有關(guān)于定時(shí)同步以及信道估計(jì)的內(nèi)容等等。 第四部分為全文的重點(diǎn)，先是對(duì) MATLAB 軟件的一些相關(guān)知識(shí)進(jìn)行介紹，再借此軟件通過(guò) MATLAB 語(yǔ)言，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)及待接收解調(diào)的 OFDM 符號(hào)，對(duì) OFDM 接收系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)第 2章 OFDM基本 原理 7 基帶仿 真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。主要為了通過(guò)改變 OFDM 符號(hào)的信噪比（ SNR），得到仿真的接收系統(tǒng)的不同的誤比特率（ BER），并作出二者的關(guān)系圖。對(duì)全文進(jìn)行了概括性總結(jié)，重申了該論文得出的結(jié)論，并對(duì)以該論文為基礎(chǔ)今后 OFDM 的研究方向進(jìn)行了展望。 第 2 章 OFDM 基本原理 正交頻分復(fù)用 (OFDM)的基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)子信道中進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)子信道中的符號(hào)周期會(huì)相對(duì)增加，因此可以減輕由無(wú)線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的影響。并且還可以在 OFDM 符 號(hào)之間插入保護(hù)間隔，令保護(hù)間隔大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣就可以最大限度地消除由于多徑而帶來(lái)的符號(hào)間干擾 (151)。而且，一般都采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，從而可以避免由多徑帶來(lái)的信道間干擾 (ICI)。 多載波調(diào)制理論簡(jiǎn)介 單載波系統(tǒng)如圖 21所示。其中 g(t)是匹配濾波器，單載波系統(tǒng)在傳輸信息速率不是太大，多徑效應(yīng)干擾不是很嚴(yán)重時(shí)，可通過(guò)在接收端使用合適的均衡器以使系統(tǒng)正常工作。但是對(duì)于寬帶業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾瘦^高，時(shí)延擴(kuò)展造成數(shù)據(jù)符號(hào)之間的相互交疊，從而產(chǎn)生了符號(hào)之間的串?dāng)_ (ISI)，這對(duì)均衡提出了更高的要求，需要引入復(fù)雜的均衡算法，還要考慮到算法的可實(shí)現(xiàn)性和收斂速度。從另一個(gè)角度去看，當(dāng)信號(hào)的帶寬超過(guò)和接近信道的相干帶寬時(shí)，信道的時(shí)間彌散將會(huì)造成頻率選擇性衰落，使得同一個(gè)信號(hào)中不同的頻率成分體現(xiàn)出不同的衰落特性，這是我們不希望看到的。因此多載波傳輸技術(shù)的運(yùn)用就是必然的趨勢(shì) [10]。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 正交頻分復(fù)用 (OFDM)是一種多載波調(diào)制 (MCM)技術(shù)。其主要思想是將信道在頻域上劃分為多個(gè)子信道，使每一個(gè)子信道的頻譜特性都近似平坦，使用多個(gè)互相獨(dú)立的子信道傳輸信號(hào)并在接收機(jī)中予以合并，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻率 分集。 乘 法 器 信 道()gt * ()gt乘 法 器 輸 出 數(shù) 據(jù) 輸 入 數(shù) 據(jù)0jw te 0jw te ? 圖 21 單載波系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 圖 22中給出多載波系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖 [11] 。在數(shù)據(jù)傳輸速率很高的情況下，在傳輸信道上有頻率選擇性衰落或多徑衰落，多徑時(shí)延擴(kuò)展容易導(dǎo)致 ISI。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)子比特流，這樣每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號(hào)再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，?+?? ???? ?gt? ?gt? ?gt0jte?1jte?1Njte??信道? ?*gt ?? ?*gt ?? ?*gt ?0jte??1Njte???第 2章 OFDM基本原理 9 從而構(gòu)成多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)，可以有效地抑制這些干擾。在單載波系統(tǒng)中， 一次深度衰落或者干擾就可以導(dǎo)致整個(gè)鏈路失效，但是在多載波系統(tǒng)中，某一時(shí)刻只會(huì)有少部分的子信道會(huì)受到深衰落的影響。多載波傳輸技術(shù)有多種提法，如正交頻分復(fù)用 (OFDM)、離散多音調(diào)制 (DMT)和多載波調(diào)制 (MCM)或者多路副載波調(diào)制 (MSM)，這幾種提法在一般情況下是等同的，只是在 OFDM中各個(gè)子載波保持正交，而在 MCM/MSM中這一條并不總能成立。 傳統(tǒng)的頻分復(fù)用 (FDM)系統(tǒng)將整個(gè)頻帶劃分為若干個(gè)互不重疊的子信道來(lái)并行傳輸數(shù)據(jù)，為避免子信道之間的相互干擾，予信道之間要留有保護(hù)頻帶。在接收端用帶通濾波器組對(duì)數(shù) 據(jù)信息進(jìn)行分離和提取。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，而最大的缺點(diǎn)就是頻譜的利用率低，且多個(gè)濾波器的實(shí)現(xiàn)也有不少困難。 OFDM系統(tǒng)的每個(gè)子載波之間相互正交，各子載波之間有 1/2重疊，即每個(gè)子載波的頻點(diǎn)和相鄰載波的零點(diǎn)相互重疊。在接收端可以通過(guò)相關(guān)解調(diào)技術(shù)分離出來(lái)，避免使用帶通濾波器組，同時(shí)使頻譜效率提高近一倍。 OFDM 系統(tǒng)的基本模型 設(shè)基帶調(diào)制信號(hào)的帶寬為 B，碼元調(diào)制速率為 R，碼元周期為 st ，且信道的最大遲延擴(kuò)展 m st? 。 OFDM 的基本原理是將原信號(hào)分割為 N 個(gè)子信號(hào)，分割后碼元速率為 R/N，周期為 ssT Nt? ，然后用 N 個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制 N 個(gè)相互正交的子載波。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。當(dāng)調(diào)制信號(hào)通過(guò)陸地?zé)o線信道到達(dá)接收端時(shí)，由于信道多徑效應(yīng)帶來(lái)的碼間串?dāng)_的作用，子載波之間不能保持良好的正交狀態(tài)。因而，發(fā)送前就在碼元間插入保護(hù)時(shí)間。如果保護(hù)間隔 ? 大于最大時(shí)延擴(kuò)展 m ，則所有時(shí)延小于 ? 占的多徑信號(hào)將不會(huì)延伸到下一個(gè)碼元期間，因而有效地消除了燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 碼間串?dāng)_ [12]。 在發(fā)射端，發(fā)射數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)常規(guī) QPSK 或 16QAM 調(diào)制形成速率為 R 的基帶信號(hào)。這里要求碼元波形是受限的，并且數(shù)據(jù)要成塊處理。然后經(jīng)過(guò)串并變換成為 N 個(gè)子信號(hào)，再去調(diào)制相互正交的 N 個(gè)子載波，最后相加形成 OFDM 發(fā)射信號(hào)。 在接收端，輸入信號(hào)分為 N 個(gè)支路，分別用 N 個(gè)子載波混頻和積分，恢復(fù)出子信號(hào)，再經(jīng)過(guò)并串變換和常規(guī) QAM 解調(diào)就可以恢復(fù)出數(shù)據(jù)。由于子載波的 正交性，混頻和積分電路可以有效地分離各個(gè)子信道。 OFDM 系統(tǒng)的基本原理見(jiàn)圖 23 所示： 串并變換???? 0jte ? ? ?tD? ?0d ? ?1d1jte ?? ?1dN ?N1jte ? ????積分 0jte ??1jte ??1Njte ? ??并串變換39。0d 39。1d 39。 1Nd ?39。1Nd ?信道串 行 數(shù) 據(jù) 流串 行 數(shù) 據(jù) 流積分積分 圖 23 OFDM 系統(tǒng)基本原理模型 信號(hào)的表達(dá)式及其正交性 OFDM 的根本思想是通過(guò)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，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就在于保證各個(gè)子載波之間的正交性，這也是 OFDM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。 OFDM 符號(hào)由多個(gè)經(jīng)過(guò)不同調(diào)制方式調(diào)制的子載波組成。如果用 T 表示 OFDM 符號(hào)的持續(xù)時(shí)間即符號(hào)周期， N 表示子載波的個(gè)數(shù)，是指第 i 個(gè)子 載波的載波頻率， (i=0,1,2...,N1)表示分第 2章 OFDM基本原理 11 配給信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，矩形函數(shù) rect(t)=1,|t|T/2,則從 t=開始的OFDM 符號(hào)可以表示為式 (21) [1]： s(t)=Re{ 10 ( / 2 ) e x p [ 2 ( ) ]Ni s i si d r e c t t t t j f t t??? ? ? ??} t+T s(t)=0 t 或 tT+ (21) 在將待傳輸?shù)谋忍匦畔⒎峙涞礁鱾€(gè)子載波上后，應(yīng)用某種調(diào)制方法將其映射為子載波的相位和幅度。在很多文獻(xiàn)中，通常 采用復(fù)等效基帶信號(hào)形式來(lái)描述 OFDM 信號(hào)，其中實(shí)部和虛部分別對(duì)應(yīng)于 OFDM 符號(hào)的同相分量和正交分量，實(shí)際中可與相應(yīng)的子載波分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的 OFDM 信號(hào)。 圖 符號(hào)包括四個(gè)載波 OFDM 符號(hào)的每個(gè)子載波相互之間都是正交的，可以用式(23)來(lái)解釋，此式在時(shí)域可以用圖 的內(nèi)容來(lái)直觀表現(xiàn)，由圖可得，在一個(gè) OFDM 符號(hào)周期內(nèi)各子載波均包含了整數(shù)個(gè)周期，并且各相鄰子載波之間相差 1 個(gè)周期。在這個(gè)實(shí)例中，所有的子載波都具有相同的相位和幅值，但在實(shí)際系統(tǒng)中，根據(jù) OFDM燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 數(shù)據(jù)符號(hào)所采用調(diào)制方式不同，不可能所有子載波都具有相同的幅值和相位。 ? 1001 e x p ( ) e x p ( )T nmj t j t d tT ?? ?? mnmn?? OFDM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)過(guò)程 一個(gè)完整的 OFDM 系統(tǒng)原理如 下 圖 所示。 OFDM 的 主要 思想是將串行數(shù)據(jù)并行地調(diào)制在多個(gè)正交的子載波上， 由此 可以降低每個(gè)子載波的碼元 速率，增大碼元的符號(hào)周期 ， 提高系統(tǒng)的抗衰落和 抗 干擾能力， 而且 由于每個(gè)子載波的正交性，大大提高了頻譜的利用率， 因此 非常適合移動(dòng)場(chǎng)合中的高速傳輸 [10]。 圖 2. 系統(tǒng) 符號(hào)定時(shí) 頻偏校正 輸入數(shù)據(jù) 信道編碼 交織 信號(hào) 映射 插入導(dǎo)頻 串 /并交換 IFFT 并 /串變換 插保護(hù)間隔 載波調(diào)制 信道 載波解 調(diào) 去保護(hù)間隔 串 /并 FFT 并 /串 信道估計(jì) 信道逆映射 解交織 信道解碼 輸出數(shù)據(jù) 定時(shí)和頻率同步 頻偏矯正 第 2章 OFDM基本原理 13 在發(fā)送端，輸入的高 速率數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)信道編碼和交織后，再通過(guò) 調(diào)制映射產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，插入導(dǎo)頻信號(hào)后 ， 經(jīng)過(guò)串 /并 變 換變成 N 個(gè) 并行的低速 率 數(shù)據(jù)流， 這樣 每 N 個(gè) 并行