霍慧霞文献综述资料

1、文 献 综 述 题 目： OFDM基带数据通信系统 的仿真及性能分析 学 院： 电气信息工程学院 专业班级：电子信息工程10-1 1 前言随着通信技术的不断进步，通信网络正快速地向包括数据、语音、图像的综合宽带多媒体方向发展，人们对通信质量、通信速度和通信内容也都提出了新的要求。进入新的世纪，通信技术有了突飞猛进的发展，伴随着人们对宽带业务和多媒体业务需求的增加，第三代移动通信成为了研究的重点。虽然第三代移动通信比以前的传输速率快上千倍，但其数据传输速率也仅有2Mbit/s，第四代移动通信系统计划已经开始研究。第四代移动通信以正交频分复用(Orthogonal Frequency Divisi

2、on Multiplexing,OFDM)为核心技术。较之第三代移动通信系统，采用多种新技术的OFDM具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去。对于OFDM技术的研究可以使我们能够更好的掌控未来通信技术的发展方向，为通信提供更有效的解决方案。2 OFDM的发展历史及应用正交频分复用技术(OFDM)是一种多载波数字调制技术，虽然OFDM的概念己经存在了很长时间，但是直到最近随着多媒体业务的发展，它才被人们认识到是一种实现高速双向无线数据通信的良好方法。2.

3、1 OFDM的发展历史60年代，OFDM的基本原理被提出。但由于当时没有功能强大的集成计算芯片，所以未能有效的实现这些想法。最初是采用的正交滤波器来实现正交调制。1966年，R.W.Chang发表Tsynthesis of band-limited orthogonal signals for multichannel data transmission一文。文中叙述了在线性带限信道中，无ISI和无ICI的同时传输信息的原理。1971年，Weinstei和Ebert对OFDM的发展做出了重大贡献。他们提出了一种高效的实现OFDM的方法:利用离散傅立叶变换(DFT)实现了OFDM的基带调制、解调

4、。为了解决151和ICI，他们在时域上插入符号间保护间隔以及加窗的方法。 另一个重要贡献是Peled和Ruiz在1980年做出的。他们引入了循环前缀(cyclic prefix，CP)这一概念，解决了正交性的问题。高速数字信号处理芯片(DSP)的发展，使得OFDM优越性更突出。DSP与FFT技术的结合，使得OFDM开始迅速发展并被广泛应用。傅立叶变换/反变换、QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用。2.2 OFDM的应用近年来，OFDM以其优异的性能而受到人们的青睐，并在移动通信、数字电视、数字广

5、播等领域得到应用，并已取得许多可喜的成果。这预示着OFDM良好的发展前景。（1）OFDM在计算机网络领域近年来，Internet以惊人的速度发展，Internet的用户众多，分布广泛，但现有的用户网所能提供的用户接入速率太低，宽带技术开始兴起，OFDM则以其良好性能在该领域得到很好的应用。如己经进入千家万户的ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Loop，非对称数字用户环路)和正在不断升温的VDSL(Very High Bit Rate Digital Subscriber Line，甚高速数字用户线路)。VDSL不对称工作时，上行速率为1.6到2.3 Mbps

6、，下行速率可高达52 Mbps；对称工作时，上下行速率均可高达26 Mbps。ADSL采用不对称工作方式，下行速率8Mbit/s，远高于ISDN速率；而且上行速率也有1 Mbit/s，传输距离则达到3000m5000m。（2）OFDM在移动通信领域OFDM技术的数据传输速度相当于当前GSM(Global System for MobileCommunications，全球移动通信系统)和CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址)技术标准的10倍。但问题是其成本和兼容性等问题与当前技术相比是否具有竞争力。近来，OFDM开始与CDMA技术结合，产生了MC-CD

7、MA，该技术除了继承了DS-CDMA的优点外，还具有灵活、高系统容量、强抗干扰、无需复杂的均衡等优点。（3）OFDM在数字传播领域OFDM在数字广播领域也有杰出的表现。DAB(Digital Audio Broadcasting,数字语音广播)/DMB(Digital Multimedia Broadcasting，数字多媒体广播)具有音质好(CD质量)、可实现多媒体接收、可加密、并可利用卫星大幅度提高广播的覆盖率等优点，是广播事业发展中一个新的里程碑。采用OFDM技术后，发射功率减小、可高速移动接收、频谱利用率高、有很强的抗干扰和在恶劣环境下接收的能力，有效的实现了数据高速可靠的传输。3 O

8、FDM的基本原理3.1 频分复用(FDM)原理频分复用是指将信道划分成N个子信道，利用N个不同频率的子载波并行的在子信道上传输N路数据。假设待传的N个具有相同带宽2f的信号为f1(t)，f2(t)，fN(t)，分别通过一个低通滤波器，以保证其带宽不超过2f，因为这些信号占有同一频带，如果直接加于同一信道上，接收端将无法进行区分。所以要对它们的频谱进行搬移，使其在频率轴上互不重叠。因此，各路信号先要用子载波进行调制从而实现频谱搬移。用一组有相同频率间隔的正弦波作为子载波，相应的频率称为子载频。为了限制各路子载波所占频带，在相加器前，每一路设一个带通滤波器。多路信号仍属于基带信号，可以直接用导线传

9、输。信号此时在频带上是互不重叠的，因此可以用相加器将N路信号和在一起传输。频分多路信号可表示为:为了实现无线传输，还需将合成的信号对射频载波进行一次调制，称为主载波调制或二次调制。在接受端，解调过程是一个相反的变换。首先，对射频信号进行主载波解调，恢复出的多路信号加到各个分路带通滤波器上，各个带通滤波器的中心频率分别对应该路带宽和子载波频率，只允许本路信号通过，从而实现了频域的分割。分离后的信后进行子载波解调，就可得到各路信息。3.2 正交频分复用(OFDM)原理OFDM是在FDM的原理的基础上，子载波集采用两两正交的正弦或余弦函数集。函数集、的正交性是指在区间内，有OFDM的基本原理就是把串

10、行的数据流分解成若干个数据速率低得多的并行子数据流，每个子数据流再去调制相应各个正交的子载波，最后把各个子载波上的信号叠加合成一起输出。OFDM的发送端的就是把输入数据经过串并变换成N路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据，经过并串变换便输出原始数据。由于采用的原理不一样，FDM中接收端需要频率分割，因而需要较宽的保护间隔。OFDM系统的接收端利用正交性解调，相邻子信道频谱在一定程度上是可以重叠的。4 OFDM系统设计与分析4.1 连续系统模型设计 发送端 信道 接收端. 图1 基带连续OFDM系统模型如上图（图1）

11、是连续OFDM基带系统模型。实际上，第一个OFDM系统并非采用数字调制解调技术的。只是随着集成芯片技术的飞速发展，数字系统的优势越来越明显，为了方便计算芯片处理数据，才有了离散系统。下面我们将对连续系统模型进行分析。l 发送端假设系统有N个子信道，带宽，一个OFDM符号长度为T秒， 为循环前缀的长度，符号采用矩形脉冲成型，表达式为：（式中）。当t在循环前缀0，内时，。，是一组复信号，这一组复信号是二进制数据流经过QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）星座图映射出来的。连续的OFDM信号就组成发送端的输出信号，所以输出信号的表达式如下:l 物理信道

12、信道是信息传输系统中必不可少的组成部分。当信号通过时，必然受到其内外的干扰和噪声的影响，因此，需要对信道进行建模。假设信道为AWGN(Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声)信道。信道的脉冲响应时间长度只在范围内。也就是说，信道的脉冲响应时间比循环前缀的时间短。接收到的信号可表达为:其中为加性、白色、复高斯信道噪声。l 接收端接受端首先要去掉循环前缀。去掉循环前缀的同时，也就去掉了前面符号对当前符号的码间干扰(ISI）。因为信道的延时短于循环前缀的长度，循环前缀包含了所有的前面的符号造成的ISI干扰。这样，滤波器的输出就是没有干扰的符号。不过有一点需要考虑的

13、是:当接收到的有用信号保持不变时，发送所消耗的能量随着循环前缀长度的增加而增加。接受端由于截去了循环前缀部分，所以必然造成信噪比损失SNRLoss。其表达式如下：其中，表示循环前缀的相对长度。循环前缀越长，越大。通常，循环前缀相对长度比较小，主要是ICI，ISI产生的。(小于ldB当<0.2)。4.2 离散系统模型设计数据的调制实际上是对原来串行的数据的一个傅立叶变换，相关解调实际上就是一个傅立叶反变换。这种观点提出了一种基于快速傅立叶变换(FFT)专用芯片的数字调制解调的技术。后来又对利用离散傅立叶变换实现频分复用的数据传输系统进行了进一步的研究。近年来，随着高速数字处理芯片的快速发展

14、，FFT使得调制解调变得简单，因此这种技术、被广泛应用和深入研究。现在，基于IFFT的OFDM技术作为一种先进的技术在高速、宽带通信网中的应用成为了研究的热点，并在进一步发展。离散基带OFDM系统模型如图2： 发送端 信道 接收端图2 基带离散OFDM系统模型.并串转换IDFFT.DFFT串并转换去CP加CP与连续的系统模型相比，调制和解调分别被反离散傅立叶变换IDFT和DFT所代替，信道是一个离散的卷积。循环前缀在本系统中起相同的作用，并以相同的方式加循环前缀(CP)和去循环前缀。从接收端的角度来看，整个OFDM系统可以表示为: 其中:代表卷积，包含N个接收到的数据点，是被发送出的N个由星座

15、图映射而来的点，g表示信道的脉冲响应(当长度不足N时，在尾部补零直到长度为N)，代表信道噪声。因为假设信道是加性白高斯信道(AWGC)，所以代表不相关的高斯噪声。是信道的频率响应。唯一的不同是信道的脉冲响应是由离散时间信道的N点DFT而来的。5 OFDM系统仿真及结果分析5.1 仿真流程调制串并转换信道编码信源编码待传数据数据恢复信源解码信道解码并串转换解调 FFT去除CP信道 加CP IFFT5.2 OFDM系统性能仿真结果分析5.2.1 比特率比特率是指二元数字码流的信息传输速率，单位是bit/s，表示每秒可传输多少个二元比特。系统传输的比特率计算公式为：比特率OFDM符号速率×

16、子载波数×每个载波的比特数×卷积码码率(在此仿真中卷积码码率为1/2，对于QPSK调制每个载波的比特数为2，对于16QAM调制每个载波的比特数为4。)对于QPSK调制：250000×52×2×1/213Mbit/s对于16QAM调制：250000×52×4×1/2=26Mbit/s5.2.2 频谱效率通信系统的有效性是以信号的频谱效率来描述的。频谱效率的单位是bit/s/Hz，代表每赫兹(Hz)带宽的传输频道上可以传输比特率为多高的数字信息。频谱效率主要用于衡量各种数字调制技术的效率，在数量上等效于每个调制符号所映

17、射的比特数。频谱效率越高，在相同的带宽、相同的时间内可以传输的数字信息就越多。5.2.3 误比特率数字通信系统的可靠性能是用误码率来表示的。误码率是指在经过通信系统的传输后，送给用户的接收数字码流与信源发送出的原始码流相比，发生错误的码字数占信源发送出的总码字数的比例。对于二元数字信号，由于传输的是二元比特，因此误码率称为误比特率。结论本文首先分析了早期的OFDM系统模型，并对早期模型进行了改进，同时建立了仿真所采用的系统模型，并分析了其优势所在：提高了系统的效率，也简化了系统。然后基于该模型，设计了一个基带OFDM系统，并进行了计算机仿真，同时详细分析了仿真结果。参考文献1 曹志刚,钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社,1991:58592方波，赵力.新兴的OFDM技术.通讯世界.2001，第5期:12153蒋学俭,乐光新.无线衰弱信道中的正交频分复用.无线通信技术.2000,第4期:80834方华,宫丰奎.第四代通信技术简介.电子科技.2001,第7期:215王慕昆等.通信原理.第二版.哈尔滨工业大学出版社,1995:30336李丰林.用FFT实现OFDM的调制解调.淮海工学院学报.2001，第3期:547钱静，孙广增.移动通信系统从1G到4G演进.江苏通信技术.2001，第6期:23248樊昌信，张甫栩，王建国.通信原理.国