通信原理报告

《通信原理》课外学习报告基于OFDM技术的的理论研究-1-1.1OFDM技术简介OFDM技术是一种多载波调制技术，最初用于军事通信，由于采用DFT实现多载波调制，同时LSI的发展解决了IFFT/FFT的实现问题以及其他关键技术的突破，OFDM开始向诸多领域的实际应用转化，现在成为一种很有发展前途的调制技术。OFDM是一种高速数据传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落等恶劣传输条件的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时，为了减小各个子载波间的相互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利用率。而现代OFDM系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠，但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为解决这个问题，在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展得到的。只要多径时延超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。1.2OFDM技术特点OFDM尽管还是一种频分复用(FDM)，但已完全不同于过去的FDM,OFDM的接收机实际上是通过FFT来实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响。OFDM的数据速率也与子载波的数量有关。OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK,QPSK,8PSK,16QAM,64QAM等，以取得频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。无线多径信道的频率选择性衰落会导致接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比满足要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。OFDM技术使用了自适应调制，可以根据信道条件来选择使用不同的调制方式。比如在终-2-端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK(频谱效率1bit/(s.Hz)转换成16～64QAM(频谱效率4～6bit/(s.Hz)，整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的改善。自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必需包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。终端还须定期更新调制信息，这也会增加开销比特。OFDM还采用了功率控制与自适应调制相协调的工作方式。信道条件好的时候，发射功率不变就可以采用高调制方式(如64QAM)，或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。如果在差的信道上使用较高的调制方式，就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和准确的了解，OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏，发送一个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。实现OFDM的关键技术包括：同步技术、降低PAPR（功率峰均值比）技术、信道估计与均衡、信道编码与交织等。2.OFDM技术的发展及现状正交频分复用是一种把高速率的串行数据通过频分复用来实现并行传输的多载波传输技术，其思想早在20世纪60年代就己经提出了，但由于并行传输系统需要基带成形捧波器阵列，正弦波载波发生器阵列及相干解调阵列，采用传统的模拟的方法实现是相当复杂的、昂贵的，因而早期并没有得到实际应用。1971年，Weistein和Ebert提出了用离散傅立叶变换(DFT)来实现多载波调制，人们开始研究并行传输的多载波系统的数字化实现方法，将DFT运用到OFDM的调制解调中，为OFDM的实用化奠定了基础，大大简化了多载波技术的实现。运用DFT实现的OFDM系统的发送端不需要多套的正弦发生器，而接收端也不需要用多个带通滤波器来检测各路子载波，但由于当时的数字信号处理技术的限制，OFDM技术并没有得到广泛应用。80年代，人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，L.J.Cimini首先分析了OFDM在移动通信中应用中存在的问题和解决方法，从此以后，OFDM在无线移动通信领域中的应用得到了迅猛的发展。近年来，由于数字信号处理技术(DigitalSignalProcessing,DSP)和大规模集成电路CPLD技术的飞速发展，使得当载波数目高达几千时也可以通过专用芯片来实现其DFT变换，大大推动了OFDM技术在无线通信环境中的实用化，OFDM技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注。OFDM已经成功的应用于数字音频广播系统(DigitalAudioBroadcasting,DAB)、数字视频广播系统(DigitalVideoBroadcasting,DVB)、无线电局域网-3-(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)，非对称数字用户环路ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)等系统中。1995年，欧洲电信标准协会(ETSI)首次提出DAB标准，这是第一个采用OFDM的标准[5]。1999年12月，IEEE802.lla一个工作在5GHz的无线局域网标准，其中采用了OFDM调制技术作为其物理层(PRY)标准，欧洲电信标准协会的宽带射频接入网(BroadRadioAccessNetwork,BRAN)的局域网标准也采用OFDM技术。在我国，信息产业部无线电管理局也于2001年8月31日批准了中国网通开展OFDM固定无线接入系统CelerFlex的试验，该系统目前己经开通，并进行了必要的测试和业务演示。目前，人们开始集中精力研究和开发OFDM在无线移动通信领域的应用，并将OFDM技术与多种多址技术相结合。此外，OFDM技术还易于结合空时编码以及智能天线等技术，最大程度提高物理层信息传输的可靠性。正因为OFDM系统具有如此美好的前景和下一代移动通信的要求，所以，研究OFDM系统中的同步、信道估计和峰平比(PAPR)等关键技术就显得非常重要。3.1OFDM基本原理简介在高速移动环境中，由于发射机和接收机两端振荡器器件的不稳定和多普勒效应导致了载波频率发生偏移;同时由于多径现象以及各种噪声干扰等导致了定时偏移。因此，需要进行时间同步和频率同步，以实现系统的良好性能。OFDM是一种高速数据传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落等恶劣传输条件的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时，为了减小各个子载波间的相互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利用率。而现代OFDM系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠（如图1所示），但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波-4-上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为解决这个问题，在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展得到的。只要多径时延超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。3.2OFDM的算法理论与基本系统结构由上面的原理分析可知，若要实现OFDM，需要利用一组正交的信号作为子载波。我们再以码元周期为T的不归零方波作为基带码型，经调制器调制后送入信道传输。OFDM调制器如图2所示。要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了M个复数序列，此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为T的M路并行码，码型选用不归零方波。用这M路并行码调制M个子载波来实现频分复用。在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调，恢复出原始信号。OFDM解调器如图3所示。-5-由于DSP技术的发展，在OFDM系统调制解调的实际应用中可以采用快速算法IFFT/FFT实现IDFT/DFT的理论计算，这为OFDM技术的推广创造了极为有利的条件。另外，为消除码间干扰（ISI），在实际OFDM系统中采用插入循环前缀（CP）的方法，即将OFDM符号尾部的一部分复制后放到符号前面，CP使所传输的符号表现出周期性，当CP的持续时间比信号在信道传输延迟时间大时，码间干扰仅仅会干扰OFDM符号体前面的CP从而消除ISI[6]。根据上面所述，OFDM的系统框图如图（4）3.3OFDM技术特点OFDM尽管还是一种频分复用(FDM)，但已完全不同于过去的FDM,OFDM的接收机实际上是通过FFT来实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响。OFDM的数据速率也与子载波的数量有关。OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK,QPSK,8PSK,16QAM,64QAM等，以取得频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。无线多径信道的频率选择性衰落会导致接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比满足要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。OFDM技术使用了自适应调制，可以根据信道条件来选择使用不同的调制方式。比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK(频谱效率1bit/(s.Hz)转换成16～64QAM(频谱效率4～6bit/(s.Hz)，整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的改善。自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必需包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。终端还须定期更新调制信息，这也会增加开销比特。-6-OFDM还采用了功率控制与自适应调制相协调的工作方式。信道条件好的时候，发射功率不变就可以采用高调制方式(如64QAM)，或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。如果在差的信道上使用较高的调制方式，就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和准确的了解，OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏，发送一个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。实现OFDM的关键技术包括：同步技术、降低PAPR（功率峰均值比）技术、信道估计与均衡、信道编码与交织等。4.1OFDM的技术优点首先，抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声（ImpulseNoise）和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。其次，频率利用率高。OFDM允