毕业论文(4)

燕山大学本科生毕业设计（论文)

1.3 本论文的主要任务

熟悉并掌握OFDM的基本原理和技术，并对其调制解调过程进行MATLAB仿真，编写其中的各种实现模块的程序，描述出各种信号波形，以及不同的信道条件对误码率的影响。

首先，要了解OFDM调制解调的基本原理及其框图，对OFDM系统的传输环境进行分析。而后在搭建整个OFDM系统结构框图的基础上对OFDM系统进行MATLAB仿真，形象具体地研究OFDM系统实现过程和工作原理。完成(信号生成、噪声生成、循环前缀、调制、解调等设计)，最后对系统的关键技术进行讨论。

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第2章 OFDM基本原理

正交频分复用(OFDM)的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰(151)。而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰(ICI)。

2.1 多载波调制理论简介

单载波系统如图2-1所示。其中g(t)是匹配滤波器，单载波系统在传输信息速率不是太大，多径效应干扰不是很严重时，可通过在接收端使用合适的均衡器以使系统正常工作。但是对于宽带业务来说，由于数据传输的速率较高，时延扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生了符号之间的串扰(ISI)，这对均衡提出了更高的要求，需要引入复杂的均衡算法，还要考虑到算法的可实现性和收敛速度。从另一个角度去看，当信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落，使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，这是我们不希望看到的。因此多载波传输技术的运用就是必然的趋势[10]。

正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制(MCM)技术。其主要思想是将信道在频域上划分为多个子信道，使每一个子信道的频谱特性都近似平坦，使用多个互相独立的子信道传输信号并在接收机中予以合并，实现信号的频率分集。

ejw0te?jw0t 输入数据g(t)乘法器信道乘法器g(t)* 输出数据

图2-1 单载波系统基本结构

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eg?t?j?0te?j?0t?ej?1t??+信道e?j?N?1tg*??t?g?t??ej?N?1tg*??t??g?t??g*??t???图2-2 多载波系统基本机构图

图2-2中给出多载波系统的基本结构示意图[11]。在数据传输速率很高的情况下，在传输信道上有频率选择性衰落或多径衰落，多径时延扩展容易导致ISI。多载波传输把数据流分解为若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统，可以有效地抑制这些干扰。在单载波系统中，一次深度衰落或者干扰就可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道会受到深衰落的影响。多载波传输技术有多种提法，如正交频分复用(OFDM)、离散多音调制(DMT)和多载波调制(MCM)或者多路副载波调制(MSM)，这几种提法在一般情况下是等同的，只是在OFDM中各个子载波保持正交，而在MCM/MSM中这一条并不总能成立。

传统的频分复用(FDM)系统将整个频带划分为若干个互不重叠的子信道来并行传输数据，为避免子信道之间的相互干扰，予信道之间要留有保护频带。在接收端用带通滤波器组对数据信息进行分离和提取。这种方法的优点是简单，而最大的缺点就是频谱的利用率低，且多个滤波器的实现也有不少困难。

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OFDM系统的每个子载波之间相互正交，各子载波之间有1/2重叠，即每个子载波的频点和相邻载波的零点相互重叠。在接收端可以通过相关解调技术分离出来，避免使用带通滤波器组，同时使频谱效率提高近一倍。

2.2 OFDM系统的基本模型

OFDM系统的基本原理见图2-3所示：

设基带调制信号的带宽为B，码元调制速率为R，码元周期为ts，且信道的最大迟延扩展?m?ts。OFDM的基本原理是将原信号分割为N个子信号，分割后码元速率为R/N，周期为Ts?Nts，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。当调制信号通过陆地无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不能保持良好的正交状态。因而，发送前就在码元间插入保护时间。如果保护间隔?大于最大时延扩展?m，则所有时延小于?占的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，因而有效地消除了码间串扰[12]。

在发射端，发射数据经过常规QAM调制形成速率为R的基带信号。这里要求码元波形是受限的，并且数据要成块处理。然后经过串并变换成为N个子信号，再去调制相互正交的N个子载波，最后相加形成OFDM发射信号。

在接收端，输入信号分为N个支路，分别用N个子载波混频和积分，恢复出子信号，再经过并串变换和常规QAM解调就可以恢复出数据。由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效地分离各个子信道。

d?0?串行数据流?ej?0t??e?j?0t'积d0分串d?1?D?t?信并??道变?j?t换d?N?1?e1?ej?N?1t?e?j?1t积分积分?de并串变'换dN?1d1'串行数据流'N?1?j?N?1t图2-3 OFDM系统基本原理模型

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2.3 OFDM系统调制解调的FFT实现

OFDM系统的一个重要优点就是可以利用离散傅里叶变换(DFT)实现调制和解调，从而避免了直接生成N个载波时由于频率偏移而产生的交调，而且采用快速傅里叶变换(FFT)技术实现，可以大大简化系统实现的复杂度，且便于利用VLSI技术。本节将简述其原理。

多载波信号S?t?可以写为如下复数形式：

N?1i?0S?t???di?t??ej?it (2-1)

其中?t??o?i??为第i个载波频率，dt?t?为第i个载波上的复数信号，若设定在一个符号周期内di?t?为定值(即非滚降QAM)，有

di?t??di (2-2)

设信号采样频率为1/T，则有

j??i??kTs?kT???dt?e?0? (2-3)

i?0N?1一个符号周期?内含有N个采样值，即有

??NT (2-4) 不失一般性，令?0?0，则

N?1j2?i?f?kTi???kT?s?kT???di?e??di?e? (2-5)

i?0i?0N?1若取?f?1??1，则有 NTs?kT???di?ei?0N?1j2?ikN (2-6)

将其与IDFT形式(系数忽略)

g?kT???G?i?0N?1?i?j2?ikN (2-7) ?e??NT?进行比较，可以看出两式等价。

由此可知，若选择载波频率间隔为1?，则OFDM信号不但保持了正交性，而且可以用DTF来定义。

由于OFDM采用的基带调制为离散傅里叶变换，所以我们可以认为数

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