通信工程能力拓展训练正交频分复用.docx
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通信工程能力拓展训练正交频分复用.docx
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通信工程能力拓展训练正交频分复用
《能力拓展训练》报告
题目:
正交频分复用技术
专业班级:
通信08
学生姓名:
指导教师:
武汉理工大学信息工程学院
2011年7月5日
能力拓展训练任务书
学生姓名:
专业班级:
通信08
指导教师:
工作单位:
信息工程学院
题目:
正交频分复用技术
能力拓展训练目的
1开展专题调研、探索、研究和设计;
2培养学生综合应用所学知识分析问题、解决问题的能力;
3掌握基本的文献检索和文献阅读的方法;
4提高正确地撰写论文的基本能力。
训练内容和要求
1学习理解正交频分复用技术
2研究正交频分复用技术的应用
3提高查阅整理资料的能力
初始条件
1指导书
2仿真软件
时间安排:
第21周,安排任务(鉴3-204,7月4日)
第21周,仿真设计(鉴主13楼计算机实验室)
第21周,完成(答辩,提交报告,演示)
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要I
AbstractII
1正交频分复用1
1.1频分复用的概念1
1.2正交频分复用的概念1
1.3正交频分复用的思想1
1.4正交频分复用OFDM的原理1
2.正交频分复用技术OFDM的应用5
2.1多载波调制5
2.1.1子载波选取方法6
2.2OFDM信号分析7
2.2.1OFDM信号的特征与性能10
3心得体会14
4参考文献15
摘要
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术,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,提高了抗多径衰落的性能。
传统的频分复用方法波器和接受滤波器,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。
Abstract
OFDMisawirelessundertheenvironmentofhighspeedtransmissiontechnology,thistechnologywillbethebasicprincipleofhigh-speedserialdatatransformismorethanawayofrelativelylowspeedparalleldataandthedifferentcarrierformodulation.Theparalleltransmissionsystemgreatlyexpandedthesymbolsofthepulsewidthandimprovetheresistanceofthemultipathfadingperformance.Thetraditionalfrequencydivisionmultiplexingmethodandacceptthewavefilter,thusgreatlyincreasedthecomplexityofthesystemandcost.Atthesametime,inordertoreduceallsub-carrierofmutualcrosstalk,betweenthesub-carrierhavetokeepenoughfrequencyinterval,thiswillreducethefrequencyofthesystemefficiency.AndmodernOFDMsystemsusingdigitalsignalprocessingtechnology,thesubcarriergenerationandreceivealldigitalsignalprocessingalgorithmbycomplete,greatlysimplifiesthestructureofthesystem.
1正交频分复用
1.1频分复用的概念
系统把整个可用信道频带B划分为N个带宽为的子信道。
把N个串行码元变换为N个并行的码元,分别调制这N个子信道载波进行同步传输,这就是频分复用。
1.2正交频分复用的概念
OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术。
这种技术是HPA联盟(HomePlugPowerlineAlliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。
由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
1.3正交频分复用的思想
其主要思想是:
将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。
正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰。
而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。
1.4正交频分复用OFDM的原理
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术,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,提高了抗多径衰落的性能。
传统的频分复用方法波器和接受滤波器,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,就如图所示,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。
图1-4-1正交频分复用信号的频谱示意图
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。
只要多径时延不超过保护间隔,子载波间的正交性就不会被破坏。
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1-4-2所示。
图1-4-2OFDM解调器
为了降低OFDM系统的复杂度和成本,我们考虑用离散傅立叶变换(DFT)和反变换(IDFT)来实现上述功能。
如果在发送端对D(m)做IDFT,把结果经信道发送到接收端,然后对接收到的信号再做DFT,取其实部,则可以不失真地恢复出原始信号D(m)。
这样可以利用离散傅立叶变换来实现OFDM信号的调制和解调。
实现框图如图1-4-3和图1-4-4所示。
用DFT和IDFT实现的OFDM系统,大大降低了系统的复杂度,减小了系统成本,为OFDM的广泛应用奠定了基础。
图1-4-3用离散傅立叶变换实现OFDM的调制器
图1-4-4用离散傅立叶变换实现OFDM的解调器
OFDM子载波可以按两种方式排列:
集中式(Locolized)和分布式(Distributed)。
集中式即将若干连续子载波分配给一个用户,这种方式下系统可以通过频域调度(Scheduling)选择较优的子载波组(用户)进行传输,从而获得多用户分集增益。
另外,集中方式也可以降低信道估计的难度。
但这种方式获得的频率分集增益较小,用户平均性能略差。
分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽,从而获得频率分集增益。
但这种方式下信道估计较为复杂,也无法采用频域调度。
设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。
2.正交频分复用技术OFDM的应用
由于OFDM在技术上存在相当大的优势,除频谱利用率高和较强的带宽扩展性外,由于其采用了子载波传输,使其在抗多径衰落性能方面的优势非常明显,另外,OFDM系统可灵活选择各子载波进行传输,使其具有灵活分配频谱资源的性能,所以它越来越得到人们的重视,各项产业化工作也在不断开展中。
在实际的应用中,OFDM系统可以自动测试子载波的传输质量,据此及时调整子信道的发射功率和发射比特数,使每个子信道的传输速率达到最佳的状态。
OFDM在有线信道或无线信道的高速数据传输得到广泛的应用,例如在数字用户环路上的ADSL,无线局域网的IEEE802.11a和HIPERLAN-2,数字广播,高清晰度电视等。
OFDM存在发射信号的峰值功率和平均功率比值(PAR)过大的问题和由于多谱勒频谱扩展破坏子载波正交的问题。
2.1多载波调制
多载波传输首先把一个高速的数据流分解为若干个低速的子数据流(这样每个子数据流将具有低得多的比特速率),然后,对每个子数据流进行调制(符号匹配)和滤波(波形形成),再用这样的子数据流的已调符号去调制相应的子载波,从而构成多个并行的已调信号,经过合成后进行传输。
在单载波系统中,一次衰落或者干扰就可以导致整个传输链路失效,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或干扰的影响,因此多载波系统具有较高的传输能力以及抗衰落和干扰能力。
其基本结构如图2-1-1所示。
图2-1-1多载波系统的基本结构
2.1.1子载波选取方法
在多载波传输技术中,对每一路载波频率(子载波)的选取可以有多种方法,它们的不同选取将决定最终已调信号的频谱宽度和形状。
第1种方法是:
各子载波间的间隔足够大,从而使各路子载波上的已调信号的频谱不相重叠,如图2-1-2(a)所示。
该方案就是传统的频分复用方式,即将整个频带划分成N个不重叠的子带,每个子带传输一路子载波信号,在接收端可用滤波器组进行分离。
这种方法的优点是实现简单、直接;缺点是频谱的利用率低,子信道之间要留有保护频带,而且多个滤波器的实现也有不少困难。
第2种方法是:
各子载波间的间隔选取,使得已调信号的频谱部分重叠,使复合谱是平坦的,如图2-1-2(b)所示。
重叠的谱的交点在信号功率比峰值功率低3dB处。
子载波之间的正交性通过交错同相或正交子带的数据得到(即将数据偏移半个码元周期)。
第3种方案是:
各子载波是互相正交的,且各子载波的频谱有1/2的重叠。
如图2-1-2(c)所示。
该调制方式被称为正交频分复用(OFDM)。
此时的系统带宽比FDMA系统的带宽可以节省一半。
图2-1-2(a)传统的频分复用;(b)3dB频分复用;(c)OFDM
2.2OFDM信号分析
在实际运用中,信号的产生和解调都是采用数字信号处理的方法来实现的,此时要对信号进行抽样,形成离散时间信号。
由于OFDM信号的带宽为B=N·Δf,信号必须以Δt=1/B=1/(N·Δf)的时间间隔进行采样。
采样后的信号用sn,i表示,i=0,1,…,N-1,则有
(2-1)
发送信号s(t)经过信道传输后,到达接收端的信号用r(t)表示,其采样后的信号为rn(t)。
只要信道的多径时延小于码元的保护间隔TG,子载波之间的正交性就不会被破坏。
各子载波上传输的信号可以利用各载波之间的正交性来恢复,如下式所示:
(2-2)
与发端相类似,上述相关运算可以通过离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变换(FFT)来实现,即:
(2-3)
利用离散反傅立叶变换(IDFT)或快速反傅立叶变换(IFFT)实现的OFDM基带系统如图2-2-1所示。
图中保护间隔的插入过程如图2-2-2所示。
为了消除码间干扰,将IFFT传输的末尾的样点复制到保护间隔。
图2-2-1OFDM系统的实现框图
图2-2-2保护间隔的插入过程
由式(2-120)可得OFDM信号的功率谱密度为
(2-4)
根据OFDM符号的功率谱密度表达式(2-4),其带外功率谱密度衰减比较慢,即带外辐射功率比较大。
随着子载波数量N的增加,由于每个子载波功率谱密度主瓣、旁瓣幅度下降的陡度增加,所以OFDM符号功率谱密度的旁瓣下降速度会逐渐增加,但是即使在N=256个子载波的情况下,其-40dB带宽仍然会是-3dB带宽的4倍,参见图2—2-3。
图2-2-3OFDM信号的功率谱密度
图2-2-4子载波个数分别为16、64和256的OFDM系统的功率谱密度(PSD)
因此,为了让带宽之外的功率谱密度下降得更快,需要对OFDM符号进行“加窗”处理(Windowing)。
对OFDM符号“加窗”意味着令符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。
通常采用的窗类型就是升余弦函数,其定义如下:
0≤t≤βTs
βTs≤t≤Ts(2-5)
Ts≤t≤(1+β)Ts
其中,β为滚降因子,Ts表示加窗前的符号长度,而加窗后符号的长度应该为(1+β)Ts,从而允许在相邻符号之间存在有相互重叠的区域。
经过加窗处理的OFDM符号见图2-2-5。
图2-2-5经过加窗处理后的OFDM符号示意图
图2-2-68PSK和16QAM调制星座分布图
(a)8PSK的星座分布图;(b)16QAM的星座分布图
2.2.1OFDM信号的特征与性能
1)OFDM信号峰值功率与平均功率比
与单载波系统相比,由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的,这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率(PeakPower),由此会带来较大的峰值平均功率比(Peak-to-AverageRatio),简称峰均比(PAR)。
峰均比可以被定义为
(2-6)
图2-2-74比特码字的OFDM符号包络功率值
图2-2-83比特数据符号(000到111)的包络功率
2)OFDM系统中的同步问题
在单载波系统中,载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的幅度衰减和相位旋转。
而对于多载波系统来说,载波频率的偏移会导致子信道之间产生干扰。
除了要求严格的载波同步外,OFDM系统中还要求样值同步(发送端和接收端的抽样频率一致)和符号同步(IFFT和FFT的起止时刻一致)。
图2-2-9中说明了OFDM系统中的同步要求,并且大概给出各种同步在系统中所处的位置。
图2-2-9OFDM系统内的同步示意图
3)OFDM系统的信道估计
无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约。
无线信道具有很大的随机性,导致接收信号的幅度、相位和频率失真,这些问题对接收机的设计提出了很大的挑战。
而在接收机中,信道估计器是一个很重要的组成部分。
如果我们能够知道无线信道的确切特征,将能很好地恢复接收信号,改善系统的性能。
信道估计可以定义为描述物理信道对输入信号的影响而进行定性研究的过程。
如果信道是线性的话,那么信道估计就是对系统冲激响应进行估计。
需要强调的是,所谓信道估计,就是信道对输入信号影响的一种数学表示。
而“好”的信道估计就是使得某种估计误差最小化的估计算法。
如图2-79所示.
图2-2-10一般信道估计的过程
基于训练序列的信道估计方法的基本思想就是利用发端和收端都已知的序列进行信道估计。
基于训练序列的信道估计方法大致可以分为两类:
一类是在频域内进行信道估计,另一类是在时域内进行估计。
根据OFDM的基本构成,可以在时域和频域内进行导频的插入。
典型的导频插入形式有块状导频和梳状导频,它们分别对应慢衰落和快衰落的信道情况。
块状导频的插入方法如图2-2-11所示,块状导频周期性地在时域内插入特定的OFDM符号“·”在信道中传输。
这种导频的插入方式适用于慢衰落的无线信道中,即在一个OFDM块中,信道视为准静止的。
因为这种训练序列包括所有的子载波,不需要在接收端进行频域内的插值,所以这种导频的设计方案对频率选择性不是很敏感。
梳状导频的插入方法如图2-2-12所示,梳状导频均匀分布于每个OFDM块中。
图2-2-11块状导频下的OFDM符号结构
图2-2-12梳状导频下的OFDM符号结构
图2-2-13混合导频下的OFDM符号结构
假设两种导频方式的导频载荷相同,梳状导频有更高的重传率,因此梳状导频在快衰落信道下估计的效果更好。
但是在梳状导频的情况下,非导频子载波上的信道特性只有根据对导频子载波上的信道特性的插值才能得到,因此这种导频方式对频率选择性衰落比较敏感。
为了有效对抗频率选择性衰落,子载波间隔要求比信道的相干带宽小很多。
除了上述基本的插入方法外,还可以采用混合导频方法,如图2-2-13所示。
为对付时间选择性和频率选择性衰落,要求导频的频率间隔和时间间隔满足下列要求:
(2-7)
(2-8)
3心得体会
通过短短一周时间,我查阅书籍,学习并了解了正交频分复用技术的概念,并对其的应用做了初步的研究。
在学习的过程中,我提高了自己查阅并整理资料的能力,虽然由于时间的关系,对课题的研究不够升深入,但却激起了我在这方面的浓厚兴趣。
今后将在这一方面做更深入的学习。
在完成报告的过程中,我对正确撰写论文的能力又有了进一步的提高,比如页眉页脚的设置,目录的生成等等。
今后我将在正交频分复用技术的学习研究中更加努力,为今后工作奠定基础。
4参考文献
[1]张海滨.正交频分复用的基本原理与关键技术.国防工业出版社.2005
[2]樊昌信.通信原理.国防工业出版社.2001
[3]郑仲桥.现代交换技术教程.东南大学出版社.2009
[4]王慧琴.数字图像处理、北京邮电大学出版社.2006
[5]王家文编著.MATLAB7.0图形图像处理.国防工业出版社.2006
本科生基础强化训练成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
题目:
答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
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