【正文】 ............................................................................. 9 對 于 OFDM 調(diào)制過程的理解 ...................................................................................... 10 第四章 仿真平臺的搭建 .................................................................. 11 仿真模型和鏈路參數(shù)設(shè)置 ............................................................................................ 11 編碼 ................................................................................................................................ 14 子載波的調(diào)制與解調(diào) .................................................................................................... 16 天線分集 ........................................................................................................................ 23 信道模型 ........................................................................................................................ 26 同步 ................................................................................................................................ 28 第五章 總結(jié) ................................................................................................... 35 參 考 文 獻 ................................................................................................... 36 致 謝 ......................................................................................................... 37 1 第 一 章 緒論 無線通信發(fā)展及意義 目前，無線通信及其應(yīng)用已成為當(dāng)今信息科學(xué)技術(shù)最活躍的研究領(lǐng)域之一。 無線通信技術(shù)按照傳輸距離大致可以分為以下四種技術(shù)，即基于 的無線個域網(wǎng)（ WPAN） 、基于 的無線局域網(wǎng) （ WLAN） 、基于 的無線城域網(wǎng) （ WMAN） 及基于 的無線廣域網(wǎng) （ WWAN） 。按照移動性又可以分為移動接入和固定接入。按照帶寬則又可分為窄帶無線接入和寬帶無線接入。 從技術(shù)發(fā)展的趨勢可以看出，以 OFDM+MIMO 為核心的無線通信技術(shù)將成為未來無線通信發(fā)展的主流方向。多用于軍用無線戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)通信、衛(wèi)星通信鏈路以及無人高速、大容量的通信鏈路中。通信 系統(tǒng)的效率，說到底就是頻譜利用率和功率利用率。由于空間可用頻譜資源是有限的，而無線應(yīng)用卻越來越多，使得無線頻譜的使用受到各國政府的嚴(yán)格管理并統(tǒng)一規(guī)劃。 OFDM 是目前已知的頻譜利用率最高的一種通信系統(tǒng)，它將數(shù)字調(diào)制、數(shù)字信號處理、多載波傳輸?shù)燃夹g(shù)有機結(jié)合在一起，使得它在系統(tǒng)的頻譜利用率、功率利用率、系統(tǒng)復(fù)雜性方面綜合起來有很強的競爭力，是支持未來移動通信特別是移動多媒體通信的主要技 術(shù)之一。由于使用無干擾正交載波技術(shù)，單個載波間無需保護頻帶。另外， OFDM 技術(shù)可動態(tài)分配在子信道上的數(shù)據(jù)。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。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。因此，基于不同的信道模型，對 OFDM 系統(tǒng)的同步實現(xiàn)、降低 PAPR 一直是研究的核心課題。本論文主要是對 協(xié)議的研究，用仿真工具 Matlab對此協(xié)議進行物理層仿真平臺的搭建，并對仿真結(jié)果進行分析。 IEEE為無線網(wǎng)絡(luò)專門制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)， 這方面的標(biāo)準(zhǔn)。 無線局域網(wǎng)（ WLAN）對在一個小的范圍內(nèi)（比如辦公室內(nèi)）聯(lián)入 Inter給予了極大的方便，只要你處于 支持 WLAN的區(qū)域，再外加一個無線網(wǎng)卡，就可以輕松地接入網(wǎng)絡(luò)?？梢哉f，正是筆記本電腦上網(wǎng)的問題促進了 WLAN的發(fā)展，并使得 WLAN變成了一個熱門的技術(shù)。 標(biāo)準(zhǔn)的制定開始于 1997 年，被設(shè)計成為一個支持 1M 至 2Mbps 速率的系統(tǒng)。 1999 年 標(biāo)準(zhǔn)通過，它應(yīng)用于 5GHz的頻段，并且最高支持 54Mbps 的速率。 OFDM 的幀結(jié)構(gòu) 關(guān)于無線局域網(wǎng)的規(guī)定中，其物理層匯聚協(xié)議（ PLCP， Physical Layer Convergence Protocol）采用的是 OFDM 調(diào)制的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 圖 PPDU 幀結(jié) 構(gòu) 其中，報頭包括速率（ Rate）位，保留（ Reserved）位、長度（ Length）位、奇偶校驗（ Parity）位、尾比特和業(yè)務(wù)（ Service）位。信號段采用的是BPSK 調(diào)制， 1/2 的編碼速率。其中，信號段的速率位以及長度位決定著數(shù)據(jù)的比特率，進而決定其調(diào)制方式，編碼速率等一系列參數(shù)值。前導(dǎo)訓(xùn)練序列用來做系統(tǒng)的同步、信道估計、頻偏估計、自適應(yīng)控制（ ACC）等。 圖 OFDM的符號結(jié)構(gòu) OFDM 的編程過程 對物理層的 PPDU編碼過程給出了詳細(xì)的規(guī)定，編碼過程包括以下步驟： (1) 產(chǎn)生 PLCP 序列。 10 個短訓(xùn)練序列用來進行收端的自動增益集中控制、分集選擇、定時捕獲以及完成頻率的粗同步。 (2) 根據(jù)發(fā)端的速率位、長度位和業(yè)務(wù)位，在添加適當(dāng)?shù)谋忍氐玫?PLCP 頭。為了能及時地檢測到 Rate 和 Length，采取在 PLCP頭插入 6 個‘ 0’。Signal 部分不需要擾碼。編碼速率（ R），每個 OFDM 子載波中的比特數(shù)（ NBPSC），以及每個 OFDM 符號中經(jīng)過編碼的比特數(shù)（ NCBPS）。并在尾部補‘ 0’比特使數(shù)據(jù)段的長度達到 5 NDBPS 的整數(shù)倍。 (5) 用非零初值產(chǎn)生的偽隨機序列形成擾碼，然后與調(diào)整后的信息比特做異或邏輯運算。 (7) 接下來對數(shù)據(jù)進行 1/2 速率的卷積編碼，然后再根據(jù)編碼速率的需要進行打孔(Puncture)。 (9) 編碼，交織完成后輸出的數(shù)據(jù)流以 NCBPS 為長度單位分成若干組，再選擇合適的調(diào)制方法，如 BPSK 或者 QAM 等進行調(diào)制。一組中的符號映射到編號為 26~2 20~ 6~ 1~ 8~ 22~26 的 OFDM子載波上。代表中心頻率的 0 號子載波可以忽略，所以置為零。 (12) 每一組從編號為 26~26 的子載波經(jīng)過逆傅立葉變換轉(zhuǎn)為時域信號。 (13) 以含有 Rate和 Length信息的 Signal 開始的 OFDM符號流一個接一個地進入信道傳輸。 的系統(tǒng)參數(shù) 表 為 中規(guī) 定的系統(tǒng)主要參數(shù) [1]。表 為由 Rate 決定的參數(shù)。 OFDM 系統(tǒng)有許多非常引人注目的優(yōu)點。普通的 FDM 系統(tǒng)為了分離開各子信道的信號，需要在相鄰的信道間設(shè)置一定的保護間隔（頻帶），以便接收端能用帶通濾波器分離出相應(yīng)子信道的信號，造成了頻譜資源的浪費。另外， OFDM 的個子信道上還可以采用多進制調(diào)制（如頻譜效率很高的 QAM），進一步提高了 OFDM 系統(tǒng)的頻譜效率。當(dāng)子信道上采用 QAM或 MPSK 調(diào)制方式時，調(diào)制過程可以用 IFFT 完成，解調(diào)過程可以用 FFT 完成，既不用多組振蕩源，又不用帶通濾波器組分離信號。由于一般的 OFDM 系統(tǒng)均采用循環(huán)前綴（ Cyclic Prefix， CP）方式，使得它在一定條件下可以完全消除信號的多徑傳播造成的碼間干擾，完全消除多徑傳播對載波間正交性的破壞，因此 OFDM 系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾能力。 OFDM 的結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù) OFDM 的原理，可以畫出大致的結(jié)構(gòu)框圖。如下圖所示。經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)會依次進行星座映射， FFT 變換，插入循環(huán)前綴后再采用無線數(shù)字通信的方式發(fā)射出去。下面依次進行介紹。調(diào)制的方式可以有許多種，包括 BPSK、 QPSK、 QAM等。 圖 星座映射的過程 OFDM 中的星座映射，其實 只是一個數(shù)值代換的過程。它為原來單一的串行數(shù)據(jù)引入了虛部，使其變成了復(fù)數(shù)。因為從原來的一串?dāng)?shù)，現(xiàn)在變成了由實部和虛部組成的兩串?dāng)?shù)。通過犧牲效率來換取可靠性在通信上是一種非常經(jīng)典的思想。串并變換之后進行傅立葉變換，在發(fā)射端是 反變換（ IFFT），在接收端是下變換（ FFT）。 其實串并變換和并串變換都是為了 FFT服務(wù)的。假設(shè)是 64點 FFT的話，那么一次輸入 64個串行數(shù)據(jù)，再輸出 64個串行數(shù)據(jù)。而輸出就不同了，經(jīng)過了 FFT 變換，輸出的 64 個數(shù)相互之間有了一定的關(guān)聯(lián) 。從直觀上來看， 64 個數(shù)之間產(chǎn)生了互相間的關(guān)聯(lián)，如果有一個數(shù)據(jù)在傳輸中發(fā)生錯誤的話，就會影響其它的數(shù)據(jù)。 插入循環(huán)前綴 OFDM調(diào)制中還有一個必不可少的步驟是插入循環(huán)前綴。 有意思的是，與 FDM中的使用頻率保護間隔類似，對于 OFDM這樣的頻率使用率高的系統(tǒng)來說，需要在時域上插入保護間隔。插入循環(huán)前綴本身非常簡單，就是把每個 OFDM符號的最后一部分提到符號前，使整個符號加長即可。 圖 插入循環(huán)前綴 對于 OFDM 調(diào)制過程的理解 通過上面對于 OFDM調(diào)制過程三個步驟原理的描述，已經(jīng)作了一個初步的介紹。 如果把 OFDM技術(shù)發(fā)射端的結(jié)構(gòu)圖分成兩部分：一部分是 OFDM數(shù)字 調(diào)制部分；另一部分是無線發(fā)射部分。如圖所示。調(diào)制的過程，其實就是在做一個數(shù)字處理的工作。整個調(diào)制的過程可以看作一個函數(shù)： y=f(x)。所以如果不考慮那些 復(fù)雜的理論，那么在 OFDM的物理層上的所有工作都是按照一定步驟不斷地做函數(shù)變換，設(shè)計 OFDM物理層硬件的過程也就是實現(xiàn) OFDM函數(shù)變換的過程。 從這個角度上來說， OFDM技術(shù)也可以看成是一種編碼技術(shù)。和未經(jīng)過 OFDM編碼的數(shù)據(jù)相比，假定以相同的速率傳輸，以 OFDM編碼的數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中具有頻帶利用率 高，可以對抗多徑效應(yīng)等等的優(yōu)點，而且誤碼率也更小。具體鏈路鏈接如圖所示： 圖 41 鏈路仿真圖 鏈路仿真參數(shù) SampFreq39。ConvCodeGenPoly39。1 1 1 1 0 0 1 ], ... %卷積碼生成矩陣 39。, 52, ... %子載波數(shù)目 39。, [7:32 34:59]39。ShortTrainingSymbols39。LongTrainingSymbols39。ExtraNoiseSamples39。PilotScramble39。NumDataSubc39。NumPilotSubc39。DataSubcIdx39。, ... %數(shù)據(jù)子載波位置 39。, [12 26 40 54]39。PilotSubcPatt39。, ... 39。, [1:5 7:19 21:26 27:32 34:46 48:52]39。PilotSubcSymbols39。1。1])。短訓(xùn)練序列用于對時間及頻率誤差的粗略的和精確的估計，長訓(xùn)練序列用來估計信道脈沖響應(yīng)或信道狀態(tài)信息。導(dǎo)頻插入之前，先將復(fù)數(shù)符號的序列以 48 為單位分成若干組，由于交織前插入比特的處理，接收到的復(fù)數(shù)數(shù)目為 48 的整數(shù)倍。 scramble_patt = scramble_patt(1:n_ofdm_syms)。 mod_ofdm_syms(,:)=reshape(mod_syms, n_ofdm_syms)。 mod_ofdm_syms = mod_ofdm_syms(:).39。保護間隔的長度 gT應(yīng)該大于多徑時延擴展的最大值。同時，由于 OFDM 延時副本內(nèi)所包含的子載波的周期個數(shù)也為整數(shù)，時延信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生 ICI。 添加循環(huán)前綴 tmp_syms = [symbols(49:64,:)。 本鏈路中循環(huán)前綴長度（保護間隔）為 ? s（ 16chip），用 Matlab 對多徑時延大小所造成影響進行仿真（在指數(shù)衰減信道下，以 R1/2 碼率 QPSK 的調(diào)制方式，其它為默認(rèn)值）： 當(dāng)多徑時延大于 ? s 時則 BER 增大。 C12 為 32 取樣的循環(huán)前綴以保證 第二部分 長訓(xùn)練符號 1， 2不受短訓(xùn)練符 號 間干擾的影響。 圖 43 前導(dǎo) 第一部分用于同步（信號檢測、 AGC、分集選擇、