1、 OFDM技术中的 DQPSK 调制解调系统仿真与实现 第 1 页 共 40 页 1 绪论 1.1 引言 随着通信技术的不断成熟和发展，现代通信传输 方法 有很多种， 其中 根据基本通信信道可以分为有线 与 无线。有线信道 的 信号受外界干扰小，但 是需要 铺设传输线路，网络建立麻烦；而无线信道 就刚好 克服了这个缺点，但 是 由于地面情况复杂，信道条件恶劣，对传输信号 也 会造成很大的干扰 1。而网络的迅速增长使人们对无线通信提出了更高的要求。所以必须采用更先进的技术，克服在无线信道下的多径衰落，降低噪声和多径干扰以及有效利用频率资源。在这样的时代发展趋势下， OFDM 调制技术作为新一代无
2、线通信技术呼之欲出。 OFDM 是一种高效并行多载波传输技术， 它 将所传送的高速串行数据分解 、 调制到多个并行的正交子信道中 去 ， 因此 使 得 每个子信道的码元宽度大于信道时延扩展，再通过 对其 加入循环扩展， 就可以 保证系统不受多径干扰引起的码间干扰 (ISI)的影响 ,可以有效对抗多径传播。 OFDM 技术由于采用 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，成为一种很有发展前途的调制技术 2。 1.2 国内外研究现状 在上个世纪 60 年代 就 已经提出 过 使用平行数据传输
3、与 频 分复用 (FDM)的 相关 概念。在 1970 年， 美国 发明 并且申请了 一个专利， 它的 思想是 使 用平行的数据 与 子信道相互重叠的频分复用 去 消除对高速均衡的依赖， 用来 抵制冲激 噪声 与 多径失真，而 且 能 够 充分 的 利用带宽。这 一 项技术最 先 主要用 在 军事通信系统。但 是 在 后来 相当长一段时间 里 ，OFDM 从 理论迈向实践 的脚步比较缓慢 。 因为 OFDM 各个子载波之间 是 相互正交 的 ，因此可以使用 FFT 来 实现这种调制，但 是 在实际 的 应用中， 实施 傅 里 叶变换设备的复杂度 ， 发射机 与 接收机振荡器的稳定性 和 射频
4、功率放大器的线性要求等 诸多 因素都成为 了OFDM 技术实现的 限制 条件。在二十世纪 80 年代， MCM 获得了 很大的 进展， 大规模集成电路 使得 FFT 技术实现不 再是一个难题 ，其它一些难以实现的 问题 也都 跟着 得到了解决， 从 此， OFDM 走 进 了通信 领域 ，逐步迈向高速数字移动通信 平台 3。 80 年代后， OFDM 调制 技术 又 一次成为 了 研究 焦点 。 举例 ，在有线信道的研究中，OFDM技术中的 DQPSK 调制解调系统仿真与实现 第 2 页 共 40 页 Hirosaki 在 1981 年 使 用 DFT 完成的 OFDM 调 制 技术成功试验了
5、 16QAM 多路并行传送19.2kbit/s 的电话线 modempl。 到了 90 年代 后 ， OFDM 的应用又涉及到了利用单边带 (SSB)信道 与 移动调频进行 高速 数据通信 ，高速数字用户环路 (HDSL)， 陆地移动通信，高清晰度数字电视 (HDTV)，非对称数字用户环路 (ADSL)以及 陆地广播等 等 各种 通信系统 。由于技术的可实现性，在二十世纪 90 年代 时 ， OFDM 广泛用 在 各种数字传输 与 通信中， 例 如移动无线 FM 信道 、不对称数字用户线系统 (ADSL)、 甚高比特率数字用户 线系统 (HDSI)、 高比特率数字用户线系统 (HDSL)、 数
6、字视频广播 (DVB)、 数字音频广播 (DAB)系统 与 HDTV 地面传播系统。在 1999 这一 年 里 ， IEEE802.lla 通过了一个 SGHz 的 无线局域网 标准， 这当 中 的 OFDM调制技术被 采纳 为物理层标准，使得 其 传输速率 可达 到 54MbPs，因此 可提供 25MbPs的无线 ATM 接口 与 10MbPs 的 以太网 无线帧结构接口， 同时还 支持语音、数据、 以及图像业务。这样的速率完全能 够 满足室内 以及 室外的各种应用场合。 与此同时， 欧洲电信组织 (ETsl)的宽带射频接入网的局域网标准也把 OFDM 作为 它的调制标准技术。 1.3 关键
7、技术 1.3.1 同步技术 同步在通信系统中占据非常重要的地位。在 OFDM 系统中，子载波的同步是要发送端 与 接收端 都 使用精确的相同频率 ， 任何频率偏差都将 会导 致 载波间干扰 (ICI)，与此同时 还会 导致 相位噪声 的 问题， 从而使 实际的振荡器不能 够 在一个 准 确的频率上产生子载波，而是使子载波有一个随机相位抖动调制，结果使得作为相位的时间产物的频率不能是一个常量， 最终 在 OFDM 的接收端产生 载波间干扰。波间 接收机正常工作以前，OFDM 系统 最 少要完成两 种 同步任务 ， 其 中 一 个 是时域同步要求 OFDM 系统 要 确定符号边界 ，而且要求 提取
8、出最佳采样时钟 ， 从而 可以 减小载波干扰 (ICI)与 码间干扰 (ISI)造成的影响。 另一个 是频域同步，要求系统估计 与 校正接收信号的载波偏移。根据实现手段的不同，常用 的 OFDM 同步算法主要分为两类：利用循环前缀或插入专门的训练序列来实现同步。 OFDM 技术的同步算法研究得比较多，需要根据具体的系统设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计也是可行的 4。 OFDM技术中的 DQPSK 调制解调系统仿真与实现 第 3 页 共 40 页 1.3.2 信道估计 信道估计是指估计从发送天线到接收天线之间无线信道地频率响应。根据接收到了的经过信道影响产生了幅度与相位畸变并且叠加了高斯
9、白噪声的序列来准确分辨出信道的时域或者频域传输特性。无线通信系统的性能受到无线信道影响，比如频率选择性衰落等等，使得发射机和接收机之间的传播路径非常复杂。在 OFDM 系统中，信道 的信息是可以得到充分利用的，如自适应的信道均衡器利用信道信息来对抗 ISI 的影响，最大似然检测通过信道估计使得接收端错误最小化。 1.3.3 峰均功率比 OFDM 技术能够在不使用复杂的均衡技术情况下支持高速无线数据传输，并且有很强的抗符号间干扰和抗多径衰落的能力。但 OFDM 系统具有较高的峰均功率比 PAPR，这会直接影响整个系统的成本和效率。 PAPR 过高是多载波调制技术普遍存在的问题。峰均功率比定义为
10、OFDM 信号的最大峰值功率和同一信号平均功率之比： 22)()(m axtsEtsPAPR Tt0 (1-1) 目前解决 OFDM 系统中 PAPR 问题的方法主要有预畸变技术、编码技术和加入扰码技术。信号预畸变技术是直接降低峰均比的方法，经过非线性处理预畸变，使其基本限制在放大器的动态范围之内，如限幅和峰值加窗技术；编码技术即避免使用出现较大峰值功率的前向纠错编码的码字；概率类方法的基本思想是通过对原 OFDM 符号作 线性分割和线性变换，以减少信号峰值出现的概率，这一类的方法主要有选择性映 (SLM)和部分传输序列 (PTS)5。 1.4 OFDM 的优缺点 1.4.1 OFDM 的优点
11、 (1)抗衰落能力强。 OFDM 把用户的信息经过 N 个子载波进行传输，每个子载波上的信号时间就是单载波系统上的信号时间的 N 倍，使得 OFDM 对脉冲噪声与信道快衰落的抵抗能力更强，同时经过 N 个子载波的连合编码，最终达到子信道之间的频率分集作用，并且增强对脉冲噪声与信道快衰落的抵抗能力。 OFDM技术中的 DQPSK 调制解调系统仿真与实现 第 4 页 共 40 页 (2)频率利用率高。 OFDM 可以把重叠着的正交子载波当做子 信道，但是不是使用传统的保护频带分离出子信道的方法，提高了频带利用率。与传统的多载波技术不同的是， OFDM 相邻子载波间在频谱上是有重叠的，在时域信号上有
12、保护间隙。 (3)适 合于高速数据传输。 OFDM 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况与噪声背景的不同，使用不同的调制方式。当信道条件比较差时，采用抗干扰能力比较强的调制方式，当信道条件比较好时，采用效率比较高的调制方式， OFDM 加载算法使得系统能够把更多的数据放在条件比较好的信道上并且以高速率传输。所以说 OFDM十分适合应用于高速数据传输。 (4)可以 有效克服码间干扰 (ISI)。码间干扰与加性噪声干扰不同，它是一种乘性干扰，它是数字通信系统中除了噪声干扰之外最主要的干扰。导致码间干扰的因素很多。事实上，如果传输信道的频带是有限制的，那么就会引起一定的码间干扰。从频域来看，
13、单载波信道将会被划分成 N 个相对较窄几乎接近平坦衰落的子信道，如果信道中由于多径传输导致频率选择性衰落时，那么只有在频带凹陷处的子载波才会受到影响，其他子载波不会受到影响，因此，系统总的误码率并没有受到太大的影响。从时域来看，由于每个子载波传输的数据流是低速的，其码元周期远超过时延扩展，因 此前面码元对后面码元的影响会很小。而且 OFDM 因为使用循环前缀所以对抗码间干扰能力很强。 (5)可以采用相对简单的信道均衡技术，并采用 IFFT/FFT,获得相对高的计算效率。 1.4.2 OFDM 的缺点： (1)插入保护间隔可以消除码间干扰与信道间干扰的影响，但是同时会导致功率损失与信息速率的降低
14、。 (2)因为 子信道的频谱是相互重叠的，这就要求子信道相互之间要严格正交，换句话说就是对频率与定时同步要求非常严格。另外 OFDM 系统对频率偏差很敏感是它的另外一个主要缺点。 (3)OFDM 符号的峰值平均功率比 值较大，为了防止因信号发生畸变产生干扰使得系统性能恶化，因此对发射机里的放大器的线性设计要求很高 2 。 OFDM技术中的 DQPSK 调制解调系统仿真与实现 第 5 页 共 40 页 2 OFDM 基本原理 2.1 OFDM 关键模块 2.1.1 OFDM 概述 多载波传输就是指把总的数据流划分为 N 个彼此之间相互独立的子数据流，这样形成的子数据流的速率比总的数据流的速率会低
15、很多，然后这些子数据流再去调制对应的子载波，最终产生 N 个并行的低速率符号传输系统 6。 OFDM 是一种特别的多载波传送方案，利用 快速傅里叶变换 (FFT)与逆快速傅里叶变换 (IFFT)来实现调制解调，它是实现复杂度最低并且广泛应用的一种多载波传输方案。它将串行的数据通过串并转换变成多个并行的低速率数据，每行的低速率数据都用一个子载波来发送 7。 OFDM 改用跳频方式选择那些即使频谱有些重叠也可以维持正交的波形，不再使用传统的方法，用带通滤波器去分离子载波频谱。这样看来， OFDM 既能够用做复用技术，也能够用做调制技术， OFDM 增强了在抗窄带干扰与抗频率选择性衰落方面的性能。在
16、单载波系统中，单个干扰或衰落也许就会导致整个单载波系统不可用，多载波系统与单载波系统相比有优势的多，因为它只会影响一小部分载波，应用纠错码能够帮助它恢复一些容易出现错误的载波上的信息。 在以往的并行通信系统中，整个频带将会被划分成 N 个相互之间不重叠的子信道，每个子信道被频分复用。这样做是以牺牲频带利用率为代价，虽然它可以较好的避免不同的信道之间的互相干扰，但是现在频带资源有限，这种方法很难应用于实际。在上个世纪中期的时候，人们提出了另外一个方案，它的特点是可以频带混叠。假设信息速率为 b，同时每个子信道之间的距离是 bHz ,这种做法既能够充分利用信道之间的带宽，也能够避免抗突发性噪声差错
17、与使用高速均衡。在实际中，我们要求各个子载波之间正交是以减少各个子信道之间的干扰为目的的，这种意义上的正交要求各个载波的频率之间满足非常精确的函数关系。 OFDM技术中的 DQPSK 调制解调系统仿真与实现 第 6 页 共 40 页 这种方案与传统的频分复用有些相同之处，就是频谱的利用率还是会有点低。 OFDM 与上述的传统方法不同，它不存在这样的缺点， OFDM 允许子载波之间的频率出现混叠现象。如果载波之间是正交的，那么各个载波的中心频点处就不会含有其他载波的频谱分量，因为这样而采用了基于载 波频率正交的 FFT 调制，所以 OFDM 可以实现各个载波之间彼此正交，虽然还是频分复用，但是和
18、以前的 FDMA 相比已经有了很多的不同。 OFDM 的高数据速率和子载波的数目是有一定的关系的，如果子载波数量为 N,那么串行的高速率数据的传输速度就是并行低速率传输数据的 N 倍，因此数据的传送速率会随着子载波数量的增加而提高。 OFDM 系统的灵活性比较高，每个频带可以采用不同的调制方式。 正交多载波调制原理如图 2-1 所示，信道被分成 N 个子信道 (n=0,1.N-1)。输入数据经串并转换后分别被分配到 N 个子信道上 (d1 ,.,dn .d 1N )。然后每一路信号分别乘以相应的载波信号 (p n (t),(n=0,1,.,N-1)进行调制，最后相加，就得到了调制后的符号。在接
19、收端，各子信道再乘以相应的载波 信号 (q m (t),(m=0,1.,N-1)进行解调。如此处理后，发送符号的周期变为 Ts =NTb ，其中 Tb 为输入比特或串并变换前基带调制符号的持续时间 8。 0 d0 p1 (t) A(t) S(t) p 1N (t) d 1N 图 2.1 OFDM 系统基本模型框图 串 /并 + 并 /串 信道 积分 积分 积分 . . q1 (t) q 1N (t) 0d 1d 1Ndd1 p0 (t) q0 (t) OFDM技术中的 DQPSK 调制解调系统仿真与实现 第 7 页 共 40 页 2.1.2 串并变换 数据传输最常见的是串行数据流方式，符号的传
20、输是连续的，任何数据符号的频谱可以占据整个有效的带宽，若为并行数据传输，大量符号同时进行传输，从而减少了串行系统中所出现的一些问题。 OFDM 系统在传输时，任何符号的传输速率一般在几十 bps 到几十 Kbps 的范围之内，因而有必要执行串并的转换，将输入的串行比 特流转变为能够传输的 OFDM 符号。因为在调制模式中能够进行自适应调节，所以每个子载波的调制模式能够发生变化，正因为每个子载波可以传输的比特数能够变化，所以串并转换中要匹配给每个子载波数据段的长度是有差异的。在接收端来说，只需要执行相反的流程，从各个子载波处来的数据它被转变为初始的串行数据 9。 有某个 OFDM 符号在多径无线
21、信道中传输的时候，频率会出现选择性衰落的现象，这会引起某几组子载波会受到非常大的衰减，进而引发比特错误。这些在信道频率响应上的零点将会导致在相邻的子载波上发射的信息受到破坏，从而导致在每 个符号中出现连续性的比特错误。同一系列错误接连出现的状况相形下，大部分 FEC 在错误分布均匀的状态下，反而会的更加的有效。由此可见，若要提升系统性能，大部分系统会在并串转换时候采用数据加扰。从而就可以把各个连续的数据比特进行随机分配至每个子载波上来完成。接收端的话，可以通过一个相应的相反过程来把信号解出来。从而，非但能够把数据还为原来的顺序，又还能够分散因为在信道衰落所引发的连续的比特错误使得在时间上可以近
22、似均匀分布。这种做法可以提高前向纠错码的 BER 性能，并且系统的总体性能也会得到改进。 2.1.3 循环前缀的原理 信道是有记忆性的，因而输出的信号与当前输入的信号以及上次信息的最后 M 个的输入有也关系，从而就形成码间的干扰。若要解决这个问题，方法有两种：一是可以加入保护间隔，也就是说在每 N 点数据前加上 M 个 0，从而可以得一个 M+N 点的数据10。如图 2.2 所示： OFDM技术中的 DQPSK 调制解调系统仿真与实现 第 8 页 共 40 页 图 2.2 信号加入 保护间隔 使用这样的方法若是取的保护间隔的长度合适，则能够去掉码间干扰，但是这种情况会受多径传播的影响，从而出现
23、信道间干扰 (ICI)，也就是 说会破坏载波间的正交性，使得相异的子载波之间互相干扰。因为任何一个 OFDM 符号内都包含全部非零的子载波信号，并且同时会使得 OFDM 符号的信号时延。这样一来，在不超出 FFT 的运算长度下，第一个子载波和带有时延的第二个子载波之间的周期个数的差值将不再为整数，因此在接收机解调第一个载波的时候，第一个子载波会被第二个子载波干扰。同样，在接收机解调第二个子载波时，第二个子载波会被第一个子载波干扰。 要消除因为多径效应导致的信道间干扰，让 OFDM 的符号有必要在其保护间隔中加上循环的前缀信号，如图 2.2，如此就能确保在 FFT 周期之内， OFDM 符号的时
24、延副本中的波形的周期数同样为一个整数。如此，时延若是小于循环的前缀长度，时延信号将在解调过程中不会产生信道间干扰。也可以这样说，在加入了 CP 后，若是 CP 的长度比最大时延扩展还要大，这样同时消除了码间干扰和信道干扰。从而最后得出的OFDM 系统框图如图 2.3 所示。实际上，在现实实际的系统中， OFDM 符号再送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道中进行传送。在接收端，首先将接受符号开始的宽度为 Tg （循环前缀）部分丢弃，然后进行 FFT 和解调。 1210 , . . . . ., . . . . ., NNmN xxxxx 0,0,.0 1210 , . . . . .,
25、 . . . . ., NNmN xxxxx N 点数据块 N+M 个数据块 保护间隔 OFDM技术中的 DQPSK 调制解调系统仿真与实现 第 9 页 共 40 页 图 2.3 信号加入 循环前缀 2.1.4 傅里叶变换 离散傅里叶变换在时域和频域都离散有限的特点，使其成为信号分析与处理中的一种最基本的也是最常用的变换。然而，当序列的长度 N 很大时，直接计算 DFT 需要很大的计算量。快速傅里叶 (FFT)使 DFT 的运算效率提高数个数量级，为了数字信号处理技术应用于各种信号 的实时处理创造了良好地条件，大大推动了数字信号处理技术的发展 11。 对于 N 比较大的系统来说， OFDM 复
26、等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换(IDFT)方法来实现。为了叙述的简洁，对于信号 s(t)以 T/N 的速率进行抽样，即令 t=kT/N（ k=0,1.N-1)，则得到： )2e x p ()/( 10 NikjdNkTss Ni ik 10 Nk (2-1) 可以看到 sk 等效为对 di 进行 IDFT 运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号di 可以对 sk 进行逆变换，即 DFT 得到： 10 )2e x p (Nk ki Nkjsd 10 Ni (2-2) 根据以上分析可以看到， OFDM 系统的调制和解调可以分别由 IDFT 和 DFT 来代替。通过 N 点的 IDFT
27、运算，把频域数据符号 di 变换为时域数据符号 sk ，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每个 IDFT 输出的数据符号 sk 都是由所有子载波信号经1210 , . . . . ., . . . . ., NNmN xxxxx ,. . 1 NMN xx 1210 , . . . . ., . . . . ., NNmN xxxxx N 点数据块 N+M 个数据块 循环前缀 OFDM技术中的 DQPSK 调制解调系统仿真与实现 第 10 页 共 40 页 过叠加而产生的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。 在 OFDM 系统的实际运用中，可以采用更加快捷的快速
28、傅里叶变换 (IFFT/FFT)。 N点的 IDFT 运算需要实施 N2 次复数乘法，而 IFFT 可以显著的降低运算的复杂度。对于常 用的基 2IFFT 算法来说，其复数乘法次数仅仅为 (N/2)log2 (N)，但是随着子载波数 N的增加，这种方法复杂度也显著增加。对于子载波数量非常大的 OFDM 系统来说，可以进一步采用基 4 的 IFFT 算法来实施傅里叶变换。 2.2 调制与解调 2.2.1 DQPSK 调制 我们可以用改变发相位、射的射频信号幅度、频率的方法来进行信号调制。对 OFDM系统而言，能采用的调制方法只有前两种，是不能使用频率调制方法的，由于频率正交的子载波携 带了独立的
29、信息，子载波之间的正交特性将会被调制子载波频率所破坏，之所以频率调制不可以在 OFDM 系统中采用，就是这个原因。 QPSK 的产生方式和 QDPSK 信号的产生方式比较类似，要做的就是把输入基带信号首先通过码变换器把绝对码变换成相对码然后去调制载波。在图 2.4 中我们知道了用第一种方法按照表 2-1 中 A 方式规则来产生 QPSK 信号原理的框图。图中 a 与 b 是在经过串 /并变换后产生的的一对码元，这对码元要再经过码变换器来变换成相对码 c 与 d之后才可以与载波相乘。 c 与 d 对载波进行相乘就是完成绝对相移的键控。产生 QPSK信 号的原理方框图和这部分电路差不多。码变换器的功能是使得通过 cd 所产生的绝对相移能够符合通过 ab 所产生的相对相移的规则。由于当前的一对码元 ab 所产生的相移它是附加在前一个时刻已经调载波的相位之上，但是它的前一时刻载波的相位取值有 4种可能，所以码变换器它的输入 ab 与输出 cd 之间可能关系就有 16 种。这 16 种关系列于表 2-3。 a b k a b k
