（通信与信息系统专业论文）基于ofdm技术的wlan+ieee80211a仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着社会信息化进程的加快，人们对移动多媒体业务产生了更高的期望， 迫切需要一种能为用户提供高速数据传输能力的无线通信技术，以实现任何 人在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换。 为了实现无线个人通信，全世界许多机构都在研究和制订下一代的无线 宽带多媒体通信系统( w i d e b a n dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， w b m c s ) 。o f d m 支持高速率的无线传输，频谱利用率高，硬件实现简单， 近年来获得了广泛的应用，尤其在宽带无线数据接入技术w l a n 中的应用愈来 愈受到人们的关注。同时m u l t ii n p u tm u l t io u t p m ( m i m o ) 弓l a 多天线技术提 供了分集增益和复用增益，分集增益提高了系统的功率效率，复用增益提高 了系统的频率效率，而结合o f d m 的m i m o 技术被认为是4 g 的核心技术。 本文的仿真研究主要针对o f d m 的关键技术、0 f 【 m 技术在无线局域网 i e e e s 0 2 1 l a 系统中的具体应用、o f d m 技术和多输入多输出( m l m o ) 技术的 结合。具体表现在： 1 ) 研究o f d m 的关健技术并建立0 f d m 基带系统动态仿真平台。在熟悉 和研究o f d m 系统，了解和掌握基于f f r 和i f f t 的技术实现o f d m 系统的 基础上，通过对o f d m 系统的基带框图模型分析，逐步建立一个m a t l a b 平台下的o f d m 基带系统动态仿真模型，为实际系统的应用提供有价值的理 论参考和研究平台。 2 ) o f d m 技术在w l a n 系统具体应用的仿真研究。将o f d m 技术应用于 w l a n 系统物理层时，可采用多种编码和调制方式，支持多速率的传输模式， 具有较高的传输速率和频谱利用率及良好的系统性能。以1 e e e8 0 2 1 l a w l a n 为例，讨论了具体的系统结构模型。通过具体系统的建模与仿真，进 一步验证了o f d m 技术的特点。 3 ) 收发分集o f d m 技术用于w l a n 的仿真研究。o f d m 和收发分集相结 合的m i m o o f d m 技术，在增加系统容量和系统可靠性方面具有很大的优越 性。研究具体的m i m o o f d m 系统结构，从空问分集方面对m i m oo f d m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 技术用于w l a ni e e e 8 0 2 1 l a 进行了仿真研究，并对空间分集技术用于 i e e e 8 0 2 1 l a 的系统中进行了仿真分析，仿真结果表明m i m o o f d m 在提高 系统可靠性方面具有很大的优越性，非常适合于无线局域网的高速化、宽带 化以及快速移动化的发展要求。 关键词：正交频分复用；无线局域网；i f f t f f f ；m i m o o f d m 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i n go fs o c i e t yi n f o r m a t i o n i z e ，p e o p l eh a v em o r ee x p e c t a t i o nt o w i r e l e s sm u l t i - m e d i ac o m m u n i c a t i o n s w e u r g e n t l y n e e do n ek i n do fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt h a tp r o v i d eh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o na b i l i t y r e a l i z e a n y b o d yc a r r y i n go u ta n y k i n di n f o r m a t i o ne x c h a n g ei na n yt i m e ，a n yp l a c ea n da n y b o d y t or e a l i z ew i r e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n ，n e x tg e n e r a t i o nw i d e - b a n dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( w b m c s ) a r eb e e ni n v e s t i g a t e db yal o to fo r g a n i z a t i o ni nt h e w h o l ew o r l d 。t h eo r h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y ( o f d m ) s u p p o r t sh i g hr a t ed a t aw i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dh a sh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y , a n dt h e h a r d w a r er e a l i z a t i o ni se a s y r e c e n t l yy e a r s ，o f d mh a sb e e na p p f i c a t e di nv a r i o u sf i l e d s ， e s p e c i a l l yi nt h ef i e l d so fw i d e - b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yw i r e l e s sl o c a ln e t w o r k , h i g hr a t ed a t aw i r l e s sc o m m u n i c a t i o na n dm u l t ii n p u tm u l t io u t p u t - m 1 m ot e c h n o l o g y t h a ti n t r o d u c e st h em u l t i - a n t e n n at e c h n o l o g yw h i c hp r o v i d e st h ed i v e r s i t yg a i na n dt h e m u l t i p l y i n gg a i n s i n c et h ed i v e r s i t yg a i nc a ne n h a n c et h es y s t e mp o w e re f f i c i e n c y , t h e m u l t i p l y i n gg a i n c a l le n h a n c et h es y s t e mf r e q u e n c ye f f i c i e n c y t h em i m o o f d m t e c h n o l o g yw a sc o n s i d e r e dc o r et e c h n o l o g i e si nt h e4 g i nt h i st h e s i s , a ni n t r o d u c t i o nt ot h ec o n c e p t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) a n dm u l t i - c f i r r i e r st e c h n o l o g yi sg i v e na tf i r s t t h ee m p h a s e s a r ep u to nt h er e s e a r c h e so nt h ek e yt e c h n o l o g yo fr e a l i z i n go f d m ，t h ea p p l i c a t i o ni n w l a ns y s t e ma n dt h ec o m b i n a t i o no fo f d ma n dm i m o t h em a i nr e s e a r c h e sa n d r e s u l t sf i r es h o w nf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ek e yt e c h n o l o g yo fr e a l i z i n go f d m i sr e s e r c h e da n dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n p l a t f o r mf o rb a s e b a n do f d mh a sb e e ne s t a b l i s h e db ym a t l a b f i r s t ，s t u d i e sa n d r e s e a r c h e so nt h ep r i n c i p l e so fo f d ma n dt h et h e o r yh o wt or e a l i z eo f d ms y s t e m su s i n g f f u i f v ft e c h n o l o g y t h e nr e s e a r c h e sa n da n a l y s i st h eo f d ms y s t e m sf r a m em o d e l ， r e s e a r c h e so nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o no fo f d mw i t ht h es i m u l i n kt o o l b o xo fm a t l a b s o f t w a r e ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h eb a s eb a n do f d ms y s t e m sf i r eb u i l t t h es i m u l a t i o n p l a t e f o r mp r o v i d e sa v a l u a b l et o o lf o rm o r ei n v e s t i g a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1v 页 ( 2 ) t h es i m u l a t i o nr e s e a r c h0 1 1o f d ma p p l i c a t e di nw i _ a ns y s t e m s a p p l y i n gt o w l a np h y s i c a ll a y e r ，t h e r ea r em a n yk i n d so fe n c o d i n ga n dm o d u l a t i n gm o d e s s u c h s y s t e m sc a ns u p p o r tm u l t i - s p e e dt r a n s m i s s i o nm o d e ，h i g h e rt r a n s f e rs p e e d ，s p e c t r u m e f f i c i e n c ya n dh a v eb e t t e rs y s t e mp e r f o r m a n c e a s a l le x a m p l e ，t h es y s t e ms t r u c t u r eo f 皿e8 0 2 1 l a w l a ni sd i s c u s s e d ( 3 ) t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho nm 1 m o - o f d mt e c h n o l o g y i nw l a ns y s t e m s c o m b i n i n gm i m ow i t ho f d m ，t h em i m o - o f d mt e c h n o l o g y h a ss u p e r i o r i 哆i n i n c r e a s i n gs y s t e mc a p a c i t ya n dr e t i a b i l i t y t h ea p p l i c a t i o no fm i m o - o f d m i nw l a n i e e e s 0 2 1 l as y s t e m sf o rt w oi n p u tt w oo u t p u ts p a c ed i v e r s i t yf a c t sh a sb e e na n a l y s i s e d ， t h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e l ls h o w nt h a tt h es p a c ed i v e r s i t yt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o ni ni e e e 8 0 2 1 l as y s t e m sh a ss u p e r i o r i t yi ni n c r e a s i n gs y s t e mc a p a c i t ya n d r e l i a b i l i t y , a n dm i m o - o f d mt e c h n o l o g yi sv e r ys u i t a b l ef o rh i g hr a t ed a t at r a n s m i s s i o n a n dw i d e - b a n dm o b i l es y s t e mi nw l a n k e yw o r d s ：o f d m ：w l a n ；n 叮下t ；m i m o - o f d m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景与国内外研究现状 人类社会已经进入了崭新的信息时代，在所有的通信方式中，个人通信 ( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n ) 是人们追求的终极目标“1 ，个人通信系统的研究 和应用包括两个大的方面：一个是骨干网络，另一个是网络接入系统。无线 局域网( w l a n ) 是实现个人通信接入系统的重要方式，也是实现移动计算 机接入网络的重要关键技术之一，它实现移动计算机网络中移动站的物理层 和链路层的功能，为移动计算机网络提供必要的物理层接口。无线局域网既 有有线局域网较高的数据传输能力，又有无线网络的移动连接能力，随着信 息时代的到来，越来越多的人要求随时随地地接收各种信息，因而对于移动 端访问局域网的要求就更加迫切。因此无线局域网的发展将更具有重要的意 义。 世界上第一个试验性的无线局域网是1 9 8 7 年建立的，随后在医疗，零售， 机场，交通等地方相继应用，但当时各厂商的无线局域网不能互连，于是1 9 9 0 年1 1 月i e e e 成立委员会，着手制定无线局域网标准，并于1 9 9 7 年6 月制定 出全球第一个无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 ，从而使不同厂商的无线局域网产 品具有了互操作性。接着，i e e e 小组又相继推出了新的高速标准8 0 2 1 l a 和 8 0 2 1 1 b ，2 0 0 3 上半年又推出了相当于前两者的混合标准8 0 2 1 1 9 。在欧洲是 由欧洲标准委员会制定的相当于i e e e 8 0 2 1 l a 的h i p e r i a n 2 标准。目前，大 多数无线局域网的物理层都采用了0 f d m 技术o 】。 o f d m 技术也是一种无线环境下的高速传输技术，它是未来无线宽带接 入系统的基本实现技术之一。由于它有很好的抗多径衰落能力，目前己被采 纳为欧洲的数字音频广播系统( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g , d a b ) 和地面数字 视频广播系统( t e r r e s t r i a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b t ) 的标准。无线局域网 ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 标准i e e e 8 0 2 1 l a ，也把它作为物理 层的传输手段，用于5 g h z 频段内支持6 m h z s 到5 4 m h z s 的高速无线传输。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综 合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。同时现代数字信号处理技术和超 大规模专用集成电路( v l s l ) 的发展也使得快速傅立叶变换的实现变的更加容 易，o f i ，m 被选择作为重要系统分集的物理层标准，其理论、算法和应用技 术是当前一个很值得研究的课题。 正交频分复用技术是一种新型高效的多载波调制技术，它是由多载波发 展来的，能够有效的对抗多径传播，使受到干扰的信号能够可靠的信号能够 可靠的接收。它在三十多年前第一次由c h a n g 1 提出 o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道， 在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。这样， 尽管总的信道是非平坦的，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信 道上进行的是窄带传输，信号速率相对较低，从而可以大大消除信号波形间 的干扰。 w e i n s t e i n 嘲成功地将d p t 用到并行传输系统中作为调制解调的手段。这 样一来，不但可以去掉频分复用所需要的予载波震荡器组、解调用的带通滤 波器组，并且可以利用快速傅立叶变换专用器件来实现全数字化的调制解调 过程。 在过去的2 0 年中，离散多音频( d i s c r e t em u l t i t o n e ，d m t ) 。1 技术，已 经得到广泛的应用。曾经制造出多种o f d m 语音m o d e m 。在以后的发展中， o f 【) m 得到了更加深入的研究，其应用范围更加广泛。在八十年代，o f d m 的研究已经发展到高速调制解调器、数字移动通信等方面。九十年代，o f d m 的研究开发推广到了无线f m 信道上的带宽通信“、数字用户环路( x d s l ) “、数字音频广播( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) “”“、高清晰度电视 ( h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) “5 ”3 、无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) “。国内的研究在理论分析和计算机仿真模拟阶段有了一 定的成果，在数字用户环路、有线电视网( c 触v ) “”方面有了一些具体的应 用。当前国际上全数字高清晰度电视传输技术计划采用c o f d m ( c o d e d o f 【 m 一编码o f d m ) “”技术。它具有很高的频谱利用率和很高的抗干扰能 力，满足电视系统的传输要求。 1 9 9 9 年1 2 月，包括e r i c s s o n 、n o k i a 和w il a n 在内的7 家公司发起了 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 国际o f d m 论坛，致力于策划一个基于o f d m 技术的全球单一标准。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组提议采用o f d m 技术作为 i e e e 8 0 2 1 6 3 的局域网的物理层( p h y ) 标准。2 0 0 2 年7 月该论坛宣布辟出 5 8 g i - i z 频段，作为无线局域网、无线宽带、蓝牙设备。”和交通无线电台等共 同使用的频段”“。可见o f d m 在无线通信的应用已引起国内外通信界的重视。 随着i e e e 8 0 2 1 l a 和b r a nh i p e r l a n 2 两个标准在局域网的普及应用， o f d m 技术将会进一步在无线应用领域作出重大贡献。 近年来，世界范围内无线通信的容量需求迅速增长，但是无线频谱资源 是有限的。因此提高频谱利用率是当前通信研究的热点。在利用t u r b o 、l p d c 等先进编码技术后的信道容量已逼近香农极限。自从f o s e h i n i 和t e l a t a r 等关 于空间多径散射信道容量的经典论文发表之后“”，多输入多输出技术便吸引 了人们越来越多的关注。 在m i m o 系统的研究中，目前主要侧重于两方面的应用研究。一是分集 增益，即多天线系统除了利用传统的频率分集和时间分集，还利用了多个天 线独立发送接收而产生的空间分集。分集增益可以提高系统的功率效率，即 在接收端相同误码率的情况下，减少发送功率：或者在相同发送功率的情况 下，降低误码率，提高系统的传输性能。再一个是复用增益，即利用发端不 同的天线同时发送几路不同的数据，接收端采用特定的信号处理算法来恢复 发送数据。这就相当于收发两端有几个并行的信道在同时工作，有效的提高 了频谱效率。提供分集增益的m i m o 系统主要有空时块码( s t b c ) 和空时格码 ( s r r c ) ，提供复用增益的m i m o 系统典型代表为v b l a s t ，此外，还有同时 追求分集增益和复用增益的m i m o 系统设计。目前有关m i m o 技术的研究主 要集中在两个方面，一个方面是关于两种增益先进编解码理论算法的研究， 另一方面是关于两种增益在具体系统应用中的研究。本文就是结合 m i m o - o f d m 技术在无线局域网i e e e 8 0 2 1 l a 中的应用进行仿真研究。 无线局域网是计算机网络和无线通信技术相结合的产物，是非常便利的 数据传输系统。由于w l a n 具有安装便携，使用灵活，经济节约，易于扩展， 应用范围广泛的特点，因而使得无线局域网得到迅速发展“1 。 目前比较流行的无线接入技术有i e e e 8 0 2 1 1 标准。1 ，b l u e t o o t h ( 蓝牙) ， h o m e r f ( h o m er a d i of r e q u e n c y ) 和红外数据传输标准( i n f r a r e dd a t a 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 a s s o c i a t i o ni r d a ) 作为无线局域网协议簇中最为成熟的i e e e 8 0 2 1 l b “1 主要工 作在2 4 g h z 频段，频段范围是2 4 g h z 2 4 8 3 g h z ，物理层的调制方式是c c k ( 补码键控) 的d s s s 。8 0 2 1 l b 是动态多种速率进行传输，多速率的m a c ( 媒 体接入控制) 确保当工作站之间的距离过长、干扰太大或信噪比低于某个门 限时，传输速率能够从l l m b p s 自动降到5 5 m b p s ，或者根据直接序列扩频技 术调整到2 m b p s 和1 m b p s 。 i e e e s 0 2 1 l a 扩展了标准的物理层0 1 。规定该层使用5 g h z 的频段，频段 范围为：5 1 5 5 2 5 、5 2 5 5 3 5 及5 7 2 5 5 8 2 5 g t t z ，采用o f d m 技术来传 输数据，其物理层的传输速率分别为：6 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b p s 。高 端的5 8 g h z 频段，由于输出功率高，适合于建筑物之间或室外的无线应用； 低端的5 2 g h z 频段和中段的5 3 g h z 频段特别适合于室内环境的无线传输应 用，对于5 2 g h z 频段设备必须使用集成天线。 目前尚处在研究试验中的i e e e 8 0 2 1 1 9 ，采用的调制方式有两种，一种 是i e e e 8 0 2 1 l a 采用的0 f d m 调制技术，另一种是i e e e 8 0 2 1 1 b 采用的c c k ( 补码键控) 技术。其实i e e e 8 0 2 1 l g 是一种混合的标准，既能适应传统的 8 0 2 1 1 b 标准在2 4 g h z 频段提供11 m b p s 的数据传输，也能适应8 0 2 1l a 标 准在5 g h z 频段下提供5 4 m b p s 数据传输。 我国早期研究出的无线局域网产品接入速率低而且不支持8 0 2 1 1 协议， 所以也基本上没有什么市场。现在，国内的一些比较有名的i t 企业如联想、 中兴、华为、上海贝尔等也纷纷推出了其o e m 无线局域网产品( 主要是无 线网卡和a p ) ，但这些企业只是购买成套的解决方案( 电路图的g e r b e r 文件 和驱动程序) ，既没有消化这项技术，也没有进行自主跟踪研究。所以我们必 须要真正掌握现在的无线局域网技术，加大自主知识产权产品和技术的开发 力度，在此基础上还必须适时的跟踪该领域的发展动态并积极参与新一代标 准的制定。 1 2 论文的研究内容和组织结构 通过理论和软件仿真进行分析研究，本文结合o f d m 、m i m o 技术在 i e e e 8 0 2 1 l a 中的应用研究，分析研究m i m o o f d m 应用于无线局域网的性 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 能，仿真结果表明m i m o o f d m 改善系统误码率和系统可靠性方面具有很大 的优越性，比较适合无线局域网高速化、宽带化的发展要求。本文各章节内 容组织如下： 第一章介绍了本论文的研究背景和研究现状、研究内容以及组织结构。 第二章概括地介绍了正交频分复用( o f d v 0 系统的基本模型以及与该系 统相关的若干基本原理。然后分析了基于i f f t f f t 实现的o f d m 系统， o f d m 系统的保护间隔和循环前缀原理。最后对o f d m 的调制解调，数学表 示，进行了相关分析。 第三章分析了o f d m 系统模型并使用s i m u i n k 对其建模，设计并实现 了一个基带o f d m 动态仿真系统，模拟了整个o f d m 系统发送和接收功能， 完成了o f d m 基带仿真系统的设计与调试，为实际的系统应用提供有价值的 理论参考和研究平台。 第四章详细分析了i e e e b 0 2 1 l a 协议特别是其物理层的相关技术，然后 用m 棚a b 6 5 软件仿真实现了e e 8 0 2 1 l a 的物理层，通过具体系统的建模 与仿真，进一步验证了o f d m 技术的特点。 第五章首先介绍了m i m o o f d m 技术的主要进展，从空间分集方面对 收发分集o f i ) m 技术用于w l a n 进行了分析介绍，并对空间分集技术用于 i e e e b 0 2 1 l a 的系统中进行了仿真分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章o f d m 基本原理 2 1o f d m 基本概念 为了克服无线多径信道呈现出的频率选择性衰落，就有了多载波调制 ( m c m ，m u l t i c a r r i c rm o d u l a t i o n ) 的基本思想0 2 “，即将信道在频域上划分成多 个子信道，每个子信道的频谱特性都近似平坦，利用多个互相独立的子信道 传输信号并在接收机中进行合并，从而实现信号的频率分集。正交频分复用 ( o f d m ) 技术是一种特殊的多载波传输方案。o f d m 与传统的频分复用( f d m ) 基本原理相同，即把高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若 干个子信道中进行传输：不同的是，在o f d m 中，利用了各子载波之间的正 交性可以大大减小保护带宽，各子载波之间可以相互重叠，从而有效地提高 了频谱利用率，见图2 - 1 。 传统的频分复用( f d m ) 多载波调制技 频率 频率 图2 - 1f d m 与o f d m 频谱利用率的比较 图2 一l 所示为f d m 与o f d m 频谱利用率的比较。由图中不难看出，o f d m 是对多载波调制的一种改进，其特点是各子载波之间相互正交，因此调制后 的频谱可以相互重叠，不但可以减少子载波问的相互干扰，还可以大大提高 频谱利用率。 2 2o f d m 的数学表示 设饥 是一组载波，载波的频率关系为饥 一厂o + l 。k = 0 , 1 , 2 ，n 一1 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 2 一1 ) 式中t 是单个码元的持续时间，f o 是最低使用频率。 作为载波的单元信号组定义为 鬣采乏2 翁 陋刁 lg v ，七j lu ，o 矾e ，1 ，l 册 这种子载波的设定保证了载波间满足式( 2 3 ) ，即相互正交。 ( g ( f ，t i g ( f ，f 知( f ，七) g g ，。弘，：矾。e 一，撕西7e j 专“a t l 6 忙一z ) ( 2 - 3 ) ( g ( f ，2 i g ( f ，。p ( f ，七) 。g g ，。r 7 撕e 撕西。 l 6 忙一2 ) 2 。3 可以得出，o f d m 由系列在频率上等间隔的子载波构成，每个子载波被单 独的数字符号调制，调制的方法可以相同也可以不同，但各个子载波的信号 功率谱形式是相同的，都为s i nf l l 型，它对应于时域的方波。 当以一组取自有限集的复数仁， 表示数字信号对饥) 的调制时，则 。啦薹荟g o - n t , k ) 。磊e o ) ( 2 。4 ) s o ) 即为o f d m 信号。o f d m 合成信号的频谱非常接近于矩形，因此频 带的利用率可趋向香农信息论的理论极限。”。 由于子载波的正交性，可以很方便地提取出信息。 r f 一手p o k ( f ，七协一z ，七一0 ，一1 ( 2 5 ) 2 3o f d m 的调制、解调和d i = - i , - 实现 每个o f d m 符号都是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波 的调制方式可以选择多进制相移键控( m p s k ) 或者多进制j 下交幅度调制 ( m q a m ) 。如果用n 表示子信道的个数，t 表示o f d m 符号的宽度， d i ( f o ，a t 一1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，f 。是载波频率，那么从 t - t ，开始的o f d m 符号就可以表示为汹1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 嘲峨蓬d p h 正一竿) ( f - f ，) 】 弘川，+ m 6 ， 为便于理论分析和推导，通常采用下面的等效基带信号来描述o f d m 的 输出信号： 嘲。，t 笺1 吒e 印【，h 弘r ，) 】 弘川， 或枷) 一黔e x p 【，妨手叫 弘+ r 式( 2 7 ) 中的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中 可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号 和合成的o f d m 符号。 o f d m 系统的各子载波信号之间满足正交性，即每个子载波在一个 o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差1 个 周期。从频域角度看，就是在o f d m 信号中各子载波的频谱图中，在每一个 子信道频谱的最大值处，所有其它予信道的频谱值都为零。 ，主 唧 乌+ e j 鼍i , e o 研” 串并 办 +叫郅游习丑 并串 gj 2 x 士 - i e - j z t i - l 珥固一 丽再 图2 - 2o f d m 调制解调框图 图2 2 所示为o f d m 系统的调制解调框图，从图中可以看出，在接收端， 是将接收到的同相和正交分量逆映射成数据信息，从而完成子载波解调。具 体的第k 路子载波信号的解调过程为：将接收信号与第k 路的解调载波 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 斗啦毕r 卜然后将矧的躲在咖m 符号持续帅t 内进 行积分，就可以获得恢复的发送信号以，即 珏十h 毕叫；乳叫，劢弘p 罐- - 曩2 “叫，幼华，) f - d t( 2 8 ) 实际上，式( 2 7 ) 中定义的o f d m 复等效基带信号可以采用离散逆傅立 叶变换( i d p t ) 来实现。令式( 2 7 ) 中的f ，一0 ，t 一七列伍一0 1 ，n 一1 ) 就 可得到： 一s ( 等) z 唧( ，等) o c k s n - 1 陆 f l t 式( 2 - 9 ) 可以看出，s ( k ) 即为d ；的i d f t 运算。在接收端，为了恢复出原 始的数据符号，- f x 十s 进行d f f 变换，从而得到式( 2 1 0 ) ： 如专) e x p ( 一，等) o = i c n - 1 仔- 根据上述的分析可以知道，o f d m 系统的调制和解调- f 以分别通过 i d f t d f t 来实现。具体过程为，通过n 点i d f t 运算，把频域数据符号d ，变 换为时域数据符号s ( k ) 经过载波调制之后，发送到信道中。在接收端，将接 收信号进行相干解调，然后将基带信号进行n 点d f t 运算，就可恢复发送的 数据符号d ；。在实际应用中，一般都是采用更加方便快捷的快速傅立叶变换 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 里需要指出的是，在实际应用中，还必须对o f d m 符号进行过采样嘶1 否则经 过i f f r 变换的信号送入模数( a d ) 转换器，就有可能导致生成伪信号 ( a l i a s i n g ) ，这是系统传输中所不能允许的。使用f f f 的o f d m 调制解调框图 如图2 - 3 ： 图2 - 3 使用f f f 的o f d m 调制解调框图 由傅立叶变换可知，长度为t 的矩形脉冲的频谱为s i n x x 型，即在 ，一k r ，k = ，1 ，1 ，处出现零点，因此经过各载波调制后的子信道和合成信道 的频谱如图2 4 是整个信道的频谱，图2 5 是o f d m 信号频谱。当o f d m 中 不存在传输信道畸变引起的码问干扰和载波间干扰时，能保持子信道的正交 性，接收机用f f f 能将每个子信道彻底分离。 一 一二i 矗i - 。_ 图2 _ 4 0 f d m 频谱图2 - 5o f d m 信号频谱 o f d m 具有抗多径干扰的能力，从时域上看符号的周期比较长，可以大 于多径延时的时间，从频域上看每个符号只占整个带宽的一小部分，因多径 衰落的作用被分散到许多的符号上，其结果不是某些符号完全的被破坏，而 是大量的符号发生轻度的畸变，所以不影响解码，在接收端数据可以被精确 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 恢复。 2 4o f d m 符号的保护间隔和循环前缀 在时变多径信道上传输极短的脉冲，接收信号会有很长的拖尾，即传输 的信号在时间上被展宽了。在传输的过程中便会使相邻的符号间产生码间干 扰i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。由于多径时延的影响，破坏了各子载波的正 交性，造成了载波之间的干扰i c i ( i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ) 。为了解决干扰的问 题，对每个符号加上一段保护间隔，具体方法见图2 6 一o h 璩l 符号 - - _ 叫 卜一保护阿隔符号gwm 戢 + 采黼弩 图2 - 6o f d m 符号加保护间隔示意图 即保护间隔中的信号和o f d m 符号后部分信号是完全一样的。一般要求 保护间隔的长度大于多径信号在时间上的展宽。加入保护间隔后o f d m 的符 号中有一部分是重复的，使得效率下降，变为t ( t + g ) ，在加入保护间隔后 o f d m 符号表示为： zo)t荤x(k)exp(jzwf,-1 f ) 在任意时刻，o f d m 信号可表示为： s ( f ) 一0 ) g ( f 一掰丁) 其中g o ) 定义为 一g s t j t ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 g ( f ) 。三篇 当信号经过多径信道，接收信号r ( f ) 表示为 r ( f ) ；f s ( f 一办( r ，r 班+ 再( f ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 其中_ i l ( r ，f ) 为信道冲击响应，尼( f ) 为加性高斯白噪声。从2 - 1 4 式得输出信号 l r 吉荐r ( t ) e x p ( 、一j 孳掣卜 叫) 假设信道中衰落的周期远大于符号持续时间，则多径信道的冲击响应可表示 为 | i l 一 。6 ( r ) + 艺五。d ( f 吒) ( 2 - 1 6 ) 其中为主信道的信号的复包络，h m 为第m 径信道的信号复包络，为 第m 径信道的延时，且f 。不超过t ，将信道的传播路径按下式分类 o a t 。s g ，b 一1 ，m 1 ) ( 2 - 1 7 ) g 墨s 丁，m - m 1 + 1 ，m 1 + m 2 ) ( 2 1 8 ) 即m 。为相对时延不超过保护时间的传输路径数目，m ：为相对时延超过保护 时间的传输路径数目。将式( 2 1 6 ) 带入式( 2 1 4 ) 中，由式( 2 1 5 ) 可得 一 。+ 耋ke x p ( 一，掀叫r ) + 蔫? 竿ke q 掀) 卜) 一。m藏r+mn丢-i彳ijg e x 信号映射：信号映射采用q a m 调制方式。仿真中采用通信工具 箱中r e c t a n g u l a rq p s km o d u l a t o rb a s e b a n d 模块组成一组相互独立的信号 映射器。每个模块可以采用不同的映射，如q p s k , 1 6 q a m ，3 2 q w 等。 调制、解调：由数字处理工具箱中的快速傅立叶反变换( 肼哪模 块实现多载波调制，快速傅里叶变换模块实现多载波解调。 信道：根据需要可选用通信工具箱中的各种等效基带信道。 加，去保护间隔：该模块采用s i m u l i n kt 具箱中的s e l e c t o r 模块和 m a t r i xc o n c a t e n a t i o n 模块来共同完成，通常保护间隔小于t 4f r 为周期) 。 误码率统计模块由误码率计数模块( e r r o rr a t ec a l c u l a t i o n ) 和数值显示模块 ( d i s p l a y ) 构成。综上所述，m a t l a b 下o f d m 物理层的仿真模型如图3 3 所 示： 3 1 2o f d n 仿真系统实现 o f l ) m 系统的调s q ( m o d u l a t i o n ) 核心部分如图3 4 所示，整个调制部分如 果选择卷积编码主要包括( c o n v o l u t i o ne n c o d e ) ，打孔( p u n c t u r e ) ，交织 0 n t e r l e a v e r ) 和q p s k 调带t j ( q p s km o d u l a t i o n ) 等。调制部分主要完成如下3 个 功能：本仿真模块采用r s ( 1 5 ，1 1 ) 编码，则不需要打孔和交织的部分。 对信号进行相应的编码处理。 可以对数据交织以增强信号在无线传输时抗干扰的能力。 q p s k 调制 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 磐 杂 辅 互 凸 u _ o 图3 - 3m a t l a bfo f d m 系统仿真结构图 o f d m 仿真模型发送模块 o f d m 系统的t r a n s m i t t e r 子系统如图3 5 所示，主要包括插入导频( p i l o t 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 i n s e n i o n ) ，前导( p r e a m b l e ) ，i f l