多径瑞利衰落信道下OFDM系统仿真

多径瑞利衰落信道下OFDM系统仿真 计算 机仿 真第 25卷 第 7期2008年 7月 ( ) 文章编号 : 1006 - 9348 2008 07 - 0105 - 04 多径瑞利衰落信道下 O FDM 系统仿真 孔令红 ,都思丹 ()南京大学电子科学与工程系 ,江苏 南京 210093 () 摘要 :正交频分复用 O FDM 技术是下一代移动通信的核心技术之一。重点研究了多径瑞利衰落信道下最大多径时延对基于 O FDM 技术的通信系统性能的影响。根据 O FDM 基本原理构建了一个 O FDM 无线通信基带系统仿真模型 , 信道带宽为 15MH z,调制方式为 16 - QAM ,编码方式采用码率为 1 /2 的卷积 ,模型采用了 60 个子载波 ,并插入了循环前缀。分析了系统 抗多径干扰的性能 ,比较了不同信道下系统的误码率 ,以及不同的保护间隔长度下系统的误码率。表明在瑞利衰落信道下 O FDM 技术具有良好的抗多径干扰的性能。 关键词 :正交频分复用 ;瑞利衰落信道 ;仿真 ;循环前缀 中图分类号 : TP302. 7文献标识码 : B S im u la t ion of O FDM Sy stem in M u lt ipa th Ra y le igh Fa d in g C hann e ls KON G L ing - hong, DU Si - dan ()D ep a rtm en t of E lec tron ic Sc ience & Enginee ring, N an jing U n ive rsity, N an jing J iangsu 210093, Ch ina () A BSTRAC T:O rthogona l frequency d ivision m u ltip lexing O FDM is one of the key techno logie s fo r next - gene ra2 tion mob ile comm un ica tion s. The influence on the p e rfo rm ance of the ba se - band comm un ica tion system ba sed on O FDM techno logy in m u ltip a th R ayle igh fad ing channe ls is emp ha tica lly inve stiga ted. A cco rd ing to the ba sic theo ry of the O FDM techno logy, the p ap e r c rea te s an O FDM ba se - band sim u la tion mode l of the w ire le ss comm un ica tion sys2 tem , w ith bandw id th of 15MH z, modu la tion mode of 16 - QAM , convo lu tion code ra te of 1 /2 , subca rrie r num be r of 60, and cyc lic p refix is in se rted. The p e rfo rm ance of the an ti - m u ltip a th - in te rfe rence of the O FDM system is ana2 lyzed, B ER s of the system be tween d iffe ren t channe ls, and B ER s be tween d iffe ren t Gua rd In te rva ls a re comp a red. The re su lt of the sim u la tion show s tha t O FDM techno logy ha s sup e rio r p e rfo rm ance of an ti - m u ltip a th - in te rfe rence. KEYW O RD S:O FDM ; R ayle igh fad ing channe l; Sim u la tion; Cyc lic p refix O FDM 系统在多径瑞利衰落信道下的性能 。 1 引言 ( 正交频分复用 O rthogona l F requency D ivision M u ltip le2 )xing, O FDM 技术是无线通信领域中实现高速数据通信的关 2 O FDM 系统等效基带模型键技术之一 ,具有良好的抗多径干扰的能力 。它将高速数据 O FDM 调制技术将传输信道分成若干子信道 ,再将编码 通过串并变换转换为低速数据 ,同时通过插入保护间隔和循 后的数字信号分别调制到相互正交的子载波上 ,并插入循环 环前缀最大限度的减小了无线信道的多径时延扩展所产生 嵌缀 ,以降低符号间隔时间 ,从而降低符号间干扰 ,提高数据 [ 1 ] 的时间弥散带来的符号间干扰 。O FDM 系统中各个子载波 的传输速率。图 1给出了 O FDM 系统等效基带模型 。 之间是相互正交的 ,允许子载波之间相互混叠的 ,因此可以 设 N 表示子载波的个数 , T表示 O FDM符号周期 , d为分 i使频谱利用率提高一倍 。随着数字信号处理技术的迅速发 配给第 i个子信道的数据符号 , f为第 i个子载波的载波频 i 展 ,通过采用 IFFT / FFT, 又显著地降低了系统的运算复杂 率 , 则 O FDM 符号可以表示为 : 度 。目前 , O FDM 技术已经应用于非对称数字用户环路 AD 2 N - 1 SL ,无线局域网 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 IEEE802. 11 a 等系统中 , 它也是下一代 j2πf t i( )( ) 1 移动通信的热门侯选技术之一 。本文将主要介绍 O FDM 系 s t= de , 0 ? t ? Ti ?i = 0 统的基本原理 , 并建立基于 sim u link 的仿真模型 , 分析了( ) 通常取 f= f+ i / T, 并对 s t以 N / T的速率进行抽样 , i c 即 t = kT /N , 且 0 ? k ?N - 1, 则 O FDM 符号的等效基带信 号可表示为 : N - 1 π j2ik /N( ) s= s k T /N = de , 0 ? k ?N - 1( )2 k i ? 收稿日期 : 2007 - 06 - 15 修回日期 : 2007 - 07 - 16i = 0 ( )k = 0, 1, , N - 1 7 假设保护间隔长度大于信道最大多径时延长度 , 则可以 ( ) 不考虑 O FDM 的符号见干扰 。Y k 可表示为 : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Y k = X k H k + W k , k = 0, 1, 2 , N - 1 8 ( ) 其中 , H k 为对应信道冲激响应函数在第 k个子载波上 的 ( ) ( ) ω频域响应 , W k为加性高斯白噪声 n 的傅里叶变 [ 4 ] 基于导频的信道估计原理就是通过对发端和收端换 。 都已 知的部分序列进行信道估计 , 然后由这部分信道信息通过插 值或时频域的相关性进行预测得到所有子载波的信道信息 ( ) H k 。 1 O FDM 系统的等效基带模型图 ) (常用的信道估计算法有 L S 最小平方误差 和 LMM SE () 线性最小均方误差 。L S算法在保证一定误码率的情况下 , 可见 , s等效为对 d进行 ID FT运算 。同样在接收端 , 对 s[ 5 ] k ik其复杂度相对非常低 ,其表达式 为 : 进行 D FT运算可以恢复发送数据符号 d。i 因此 , 在 O FDM 系 统 的 调 制 解 调 可 以 分 别 采 用 ) ( ))( (- 1 Y 0 Y 1 Y N - 1ID FT /D FT运算来实现 ,在实际应用中进一步采用 FFT运算 H^= X Y = ( )9 ls ()( ) ( )X N - 1[ 2 ] X 0X 1 则可以显著降低系统运算复杂度 。 在 O FDM 系统中 ,较低的码元速率使得 O FDM 系统可以 有效地抵抗多径传播导致的符号间干扰 IS I, 为了最大限度 3 O FDM 系统仿真模型构建 的消除符号间干扰 , 在每个 O FDM 符号之间插入保护间隔 根据 O FDM 原理构建一个基于 O FDM 技术的无线通信 ( ) Gua rd In te rva l, G I, 并且保护间隔长度 T一般要大于无线 系统基带仿真模型来研究其抗多径干扰的性能 。系统发送 g 信道中的最大时延扩展 , 则可以完全克服 IS I的影响 。但是由 信息速率为 25M b it / s, 信道带宽为 15MH z, 图 2 给出了发送 于多径传播的影响 , 子载波之间的正交性也遭到破坏 , 会产 端的信号 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 仿真模型。它包括信源发生 、编码 、调制 、训练 生载波间干扰 IC I。为了进一步消除 IC I, 在保护间隔 G I内 , 将 序列插入 、O FDM 调制、循环嵌缀插入等流程 。 每个 O FDM 符号的后 T时间的样点复制到前面的保护间隔 g ( ) G I内 , 形成前缀 , 称之为循环前缀 Cyc lic P refix, CP。循环 前缀使得在一个 O FDM 符号周期内 , 各子载波之间的周期个 Xa 是 贝 努 利 发 生 器 产 生 的 发 送 序 列 , 码 元 速 率 为数之差为整数 , 从而保证了子载波之间的正交性不会由于多 25M b it / s,并设定每帧为 120个比特。Xa经过 1 / 2 卷积编码 径传播的影响而破坏 。 和 16 - QAM 调制形成星座点上的调制信号 Xc,则此时符号 二进制数据经过 PSK或 QAM 调制和串 / 并变换后的信 速率为 12. 5M sym bo l / s,又根据编码速率和调制方式可得 Xc ( ) 号为 X k , 插入导频后进行 O FDM 调制 ,即 IFFT运算 , 则时 每帧包含 60个符号 。Ta in ing In se rtion模块是训练序列插入 ( ) 域内的信号为 x n : 模块 ,接收端根据训练序列提取信道信息 , 进行信道估计 。 N - 1 其框图如图 3 所示 。帧合成的过程即将训练序列置于信息 数据之前 ,训练序列选用双极性的伪随机序列 ,由于采用 64 - IFFT,因此选择 PN 码生成多项式为 [ 1 0 0 0 0 1 1 ] ,每帧 π63个比特 。此模块输出信号 Xd的维数则为 [ 63 ×2 ]。 - j2nk /N ( ) ( ) ( ) x n = IF F T{ X k} = X k e, 0 ? n ?N- 1 ?( )O FDM 调制的原理如图 4 所示 ,由式 2 可知 O FDM 调 k = 0 制过程即相当于将 Xd进行 IFFT变换的过程 ,由于采用的是 ( ) 3 64 - IFFT,因此需要对调制数据 Xd [ 63 ×2 ]补 1 个零后进行 插入保护间隔 G I后 , 信号可表示为 :IFFT变换 ,得到等效基带 O FDM 符号 Xe,每帧数据中包含两 () x N + n , n = - N , - N + 1, , - 1 g g ( ) ( )xn = 4 个 O FDM 符 号 , 前 一 个 O FDM 符 号 为 训 练 序 列 , 后 一 个 g ( ) x n , n = 0, 1, 2, , N - 1 O FDM 符号为信息数据 。一般情况下 ,每帧中一个训练序列 [ 3 ] 其中 , N 为 G I的长度 。 信号经过基带成型滤波后进入 g O FDM 符号后可以有若干个信息数据 O FDM 符号 ,其个数由 上一链路层决定 。为进一步消除符号间干扰 ,在 O FDM 符号 多径衰落信道 , 存在加性噪声的干扰 。 间插入循环前缀 ,如图 5所示 ,加入保护间隔后的信号 Xf经 ( ) 接受端的信号 yn可表示为 : g 过并 /串变换形成 O FDM 时域基带发送信号 Xg。 ( ))( ( ) ( ) h n ω( ) 5 yn = xn? +ng g 无线信道采用瑞利多径衰落信道模型 , 假设信道的最 ω( ) ( ) 其中 h n 为信道的冲激响应 ,n为加性高斯白噪大时延扩展为 200 n s。接收端信号流程模型如图 6 所示 ,接 声 。 收信号 Yg经过串并变换得到 Yf,再进行 O FDM 解调 ,并从中 ( ) 去除保护间隔后得到的信号表示为 y n , 进行 O FDM解 ( ) 调 , 即 FFT运算 , 得到的频域信号可表示为 Y k : N - 1 1 π- j2kn /N ( ) ( ) ( ) Y k = F F T{ y n } = y ne, ?N n = 0 发送端信号流程模型图 2 由于信道决定的可容忍的时延扩展为 200n s,则一般要求保护 间 隔 为其 2 ,4 倍 , 因 此 选 择 保 护 间 隔 为 800 n s。 O FDM 符号周期长度一般为保护间隔的 5 ,6 倍 , 因此选择 μO FDM 符号周期长度为 4. 8s。那么有效 O FDM 符号长度为 μ4 u s,从而子载波间隔为 1 /4s = 250kH z。那么每个 O FDM 符 号需要传送 120 个比特 , 由于采用 16QAM 和码率为 1 /2 的 卷积编码方式 ,则需要 60个子载波来满足每 O FDM 符号 120 比特的传输速率 。因此 ,本 O FDM 仿真系统带宽为 603 250k = 15MH z。 图 3 插入训练序列 4 仿真结果及性能分析 4. 1 不同信道下系统的误码率 图 7给出了高斯信道 、2 径瑞利衰落信道以及 3 径瑞利 衰落信道下系统误码率的曲线 。该曲线表明随着瑞利衰落 信道径数的增加 ,系统的误码率相应增加 。 图 4 O FDM 调制 () 图 5 插入保护间隔 循环前缀 训练序列中提取信道信息 ,从而均衡信道 ,消除多径的影响 。 图 7 不同信道下系统误码率曲线 经信道均衡后的信号 Yc经过 16 - QAM 解调和维特比译码 得到信号 Ya。比较 Xa和 Ya间的错码即可得到系统的误码 4. 2 保护间隔长度对系统误码率的影响率 。 保护间隔长度 T一般要大于无线信道中的最大时延扩 g 展 ,则理论上可以完全克服 IS I的影响 。因此 ,保护间隔的长 度 T的选择对于消除符号间 g 干扰 IS I具有很大的影响 。 图 8 给出了当保护间隔 大于系统的最大多径时延时 接受端的星座图 ,该星座图表 明通过插入大于信道最大时 延长度的循环前缀 , O FDM 系 统基本消除了 IS I。 图 6 接收端信号流程模型 图 10 不同多径时延下系统误码率曲线 () 图 8 星座图 低 IS I 5 结束语 通过构造基于 O FDM 技术的基带无线通信系统的仿真 9给出了当保护间隔小于系统最大多径时延时的星图 模型 ,研究了 O FDM 技术在瑞利多径衰落信道下的性能 。仿 座图 ,该星座图表明由于循环前缀时间小于系统的最大多径 真结果表明采用 O FDM 技术在瑞利多径衰落信道下具有良 时延 ,导致符号间干扰的迅速增加以至于信道均衡无法克 ()好的抗多径干扰的性能 ,插入合适的循环前缀 保护间隔 有 服 ,接收端无法得到 16QAM 星座图 ,误码率显著增大 。 效地减少了系统的符号间干扰。今后可进一步加入 R F调制 解调的仿真 ,研究频偏对 O FDM 子载波之间干扰的影响 。 参考文献 : [ 1 ] 王文博 , 等. 宽带无线通信 O FDM 技术 [ M ]. 人民邮电出版 社 , 2003. R ichand V an N ee, R am jee P ra sad. O FDM W ire le ss M u ltim ed ia [ 2 ] Comm un ica tion s[M ]. A rtech Hou se, 2000. S Co le ri, e t a l. Channel E stim a tion Techn iques B a sed on P ilo t A r2 [ 3 ] rangem en t in O FDM System s [ J ]. IEEE Tran s. on B roadca sting, ( ) 2002 , 48 3 : 223 - 229. D S K L and sto rm , J J van de B eek. Sym bo l tim e offse t estim a tion [ 4 ] in coheren t O FDM system s[ J ]. IEEE Tran sac tion s on Comm un ica2 ( ) tion s, 2002 , 50 4 : 545 - 549. B ing L eung Pa trick Cheung. Sim u lation of A dap tive A rray A lgo2 [ 5 ] rithm s fo r O FDM and A dap tive V ecto r O FDM System s[ J ]. B lack s2 () 图 9 星座图 高 IS Ibu rg, V irgin ia, 2002 - 9. 图 10给出了不同保护间隔长度下系统误码率的曲线 。 [作者简介 ]该曲线表明当最大多径时延小于系统设计的 200n s的范围 ( ) () 孔令红 1980. 5 - , 男 汉族 , 江苏高淳人 , 硕士 内 ,保护间隔的长度对误码率的影响不太显著 ,一旦最大多 研究生 ,主要研究方向为无线通信 ; 径时延超过 200 n s,由于符号间干扰的影响误码率会显著增 ( ) () 都思丹 1963. 7 - ,女 汉族 ,江苏南京人 ,教授 ,加 。 主要研究方向为图像通信 ,无线通信等。