1、东南大学硕士学位论文无线局域网关键技术的研究基于IEEE 802.11a标准的OFDM系统信道估计研究姓名：程石申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：胡爱群20030301东南大学硕士学做论文 捕叠摘 要无线爨域弼是采翔笼线转羧媒奔熬计葬枫筠装耀络。纛囊手歪交频努复翅(OFDM)戆离蒙带利用率和抗干扰能力基于OFDM技术的滗线局域嗣的研究和应用正日靛受到重视。本论文的主簧任务楚对无线局域湖的关键技术澈行研究，内容涉及基T-“IEEE 8021la标准的OFDM系统信道估计技术、信道解码器度量饿计算的研究及其实现方案，靼对IEEE 80211a光线局域网吞吐量性能的分析和仿真。在慰OF
2、DM羡道缓诗算法貔璎究母发现。蠹于IEEE8021la中警频子载波相对予数撮子载波数嫩有限，基于导频点的插值估计算法无法对IEEE 80211a的OFDM系统做出准确的信遵信计。锌霹这种不鬣，本文提出了滔释基予翔决菠馈结稿豹信道估计雾法：基予线性礞溅的判决艇馈算法和慢时变信道下的最小均方误差算法。和传统的只剁用信遵衰落的统计特性褥忽视慢衰落储道的瞬时变化的算法不同两种新算法充分利用无线局域嘲环境下信道瞬时瓣交符套线性交化豹特性，分别结合线性预测靼维纳滤波方法，逶_；蜚OFDM系统的信道船玛模块的输出结粜反馈来估计当前符号下的信遒频响。研究和计算机仿真表明，这两种算法在笼线局域掰豹蠖嚣重交镶遂下
3、垮骞摄努静健能，其误毙特率惶麓被撬蒜至常接近信遴特毪凳念已知的理想极限值。基于判决藏馈的储道估计需要依赖正确的信道解码，并崖由于耱于额举选择髋信道深袋落点的少数OFDM予载波影响了整个来编码羽OFDM系缝性能，掰镰瞎遴解码器对整个系统的解调至关臌要。本文提出了一种有效的信道解确器的度量计算方案，解决了基于比特解交织后静软判决售遭鳞羁度量苓易计冀的难遴。全文内容安排如下：第一章为简要的介绍了无线局域网的概念、技术和发展，以及OFDM的发展掰史和恍缺点。第二章介绍了OFDM盼原理、系统构成和OFDM抗千扰的麓本技术。第三章余绍OFDM系统中经翅的信道估计算法，并对基于FFT变换的加投估计算法和奇异
4、值分解法进行了理论分析，提出了改进方案。第四章基于IEEE 8021la标准，提出了OFDM系统售遴瓣褥熬泼量计冀方法，u磬磅究了在无线弱域列臻凌下躺OFDM接道饿计，提出了基予线性预测的判决反馈信道估计算法和慢时变惰道下的晟小均方误差信道估计算法，并进行了大量静仿真。第五章串给出了第四章中算法静实现方案，并嵇计了逡算量鞠资源耗费。第六章给出丁基于IEEE 8021la物理层帧的传输性能的仿真结聚，并对衰落信道下802。lla无线网络所能达到的最大吞吐量进行了理论分析和仿真。第七章总结全文，提出OFDM系统改进瓣方自秘无线髑域耀靛发展趋势。关键溺：无线局域翻 正交频分复耀线性预测 均方误差IE
5、EE 802。lla 僚道话诗 度爨 翔决反镶吞吐量东南大学硕士学位论文 AbstractAbstractBased on onllogonal frequency division multiplexing(OFDIv0 technology,the research andapplication of wireless local area network(WLAN0a kind of LAN using wireless media,is currentlydrawing more and more attention due to the hi曲bandwidth efficiency
6、 of OFDM and its immunity tomultipath fadingThis thesis is to make research on the key technologies of WLANand it includes thestudy and implementation schemes of OmM channel estimation and metric calculation of the charmeldecoder according to IEEE 8021 la standardas well as the analysis and simulati
7、on of throughputperformance ofWLAN specified by IEEE 8021 la-During the study ofoFDM channel estimation algorithmsit is discovered that the number ofpilotsstated in IEEE 8021la is too small to make the accurate channel estimation through interpolmingbetween pilot subchannelsTo overcome this shortage
8、，two new algorithms based on decision feedbaekscheme are presented in this thesisiedecision feedback channel estimarion algorithm based on linearprediction and minimum mean square error algorithm in slow timevariant channelsUnlike thetraditional methods only using the statistical characteristics oft
9、he channel fadingwhich could not retiectthe slow time-variant channels instantananus variation accurately,these two algorithms make use oftheconcept that the channel varies linearly at an instantaneous timeThrough processing the channeldecoder feedback of previous symbolsthey both can estimate the c
10、urrent charmel accurately bycombining the approaches of linear prediction and wiener filtering respectivelyThe result of researchand simulation shows that the bit error rate ofthe system using either algorithm is very close to the limitunder completely known channelSince the托adback channel astimatio
11、n relies on correct channel decodingand some minorsubcarders which suffer deep fading in frequency selective channel degrade the performance of a wholeuncodad OFDM systern。accurate channel decoder is an essential part ofoFDM sVstemThis thesis alsoputs forward an approach to the metric calculation of
12、 the channel decoder speeitied by IEEE 80211 a，which is effective in solving the problem that it is difncult to calculate the metric of sofc decodingprocedure foIlowing the bit deinterleaver ，The thesis is arranged as follows：Chapter 1 briefly introduces the conccpt，technology anddevelopment of WLAN
13、，as well as the history,advantages and disadvantages of OFDM technologyChapter 2 discusses the basic and important concepts of OFDM system，including the systemcomposition and the technologies to mitigate the influence of multipath deteriorationIn chapter 3，sevgral classical OFDM channeI estimation a
14、lgorithms are investigatedand an improvement of thealgorithms based on FFT(Fast Fourier Transform)and SVD(Singular Value Decomposition)is presentedand analyzedAccording to IEEE 8021la standardan effective metric calculation approach in thechannel decoder is put forward in the first part of chapter 4
15、Then channel estimation under WLANenvironment is investigated，and two new algorithms are presented in the second part,iedecisionfecdback channel estimation algorithm based on linear prediction and minimum mean square erroralgodthm in slow time-variant channelsChapter 5 describes the implementation s
16、chemes of thealgorithms introduced in the previous chapterand the computational complexity as well as the occupiedresources is evaluatedChapter 6 gives the simulation results of IEEE 8021 la frame error rate and thethroughput performance ofIEEE 80211a in multipath channelsKeywords：WirelessLocalAreaN
17、etwork OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingIEEE 80211a ChanneIF2；timation Metric DecisionFeedbackLinear Prediction Mean Square Error Throughput东赢大学学位论文独创性声明及使嗣授权的说明一、学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成采。尽我所知，除了文中祷剐鸯西敬标注和致谢的斑方岁，论文中不包含萁龟入已经发表或撰写过约研究成果，也不包含为获得东旗大学或其它教育机构的学位或汪书两使用过的材料。与我一同工
18、作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说鞠并表示了谢意。签名：虹一目期Z。；。强二、关于学位论文使用授权的随明东露大学、中国辩学技术信息蕃舅究所、国家图书镶有较缳整本人溪送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影E、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可戬公毒(包括弼登)论文翡全帮或部分内容。论文秘公南包括秘登)授权东漆大学磺究生院办理。签名：二妞导师墼名：蜘只期：巡东南大学硕士学位论文 第一章绪论第一章绪论11无线局域网和正交频分复用技术无线局域网(Wireless Local Area Netw
19、ork)正如其名称所说的那样，可以提供传统局域网技术(如以太网和令牌网)的所有功能和好处但不会受到线缆的限制。但是仅从不需要线缆这一角度来看待wLAN则是不全面的：WLAN使我们重新理解了对LAN的定义。连通性不再仅仅意味着物理的连接：网络的基础结构不再需要埋在地下或藏在墙里，它可以是移动性的。也可以随组织的成长发生变化。作为二_种灵活的数据通信系统，和有线局域网相比，无线局域网由于可以采用高频无线电波作为传输介质，所以可以避开布线的困扰，同时高频无线电波可以穿透玻璃或墙壁，能够满足一定范围内的局部组网：在开放性办公区、办公场所变化频繁、移动办公、展示会议以及场地条件恶劣不适宣布线的场合，无线
20、局域网具有有线网络无可替代的优越性。另外，无线局域网构建简单，组网比较容易，管理和维护的技术要求也不高；它还能够保持与有线网络的兼容，通过接入点设备可以实现无线局域网与有线网络的无缝连接。由于无线局域网具有的独特技术优势，它已经成为当今数字通信领域的一大研究热点。全球的各厂商都看准这一高速增长的市场纷纷抓紧商机。包括Intersil、TI、Cisco、Lucent、Nortel、IBM、DEC、AMD、3Com、DLink、Kingston、Nokia、Radio LAN、Xircom BreezetOm和Cylink在内的厂商相继研制、生产符合标准的无线局域网产品。而IEEE802委员会以及
21、欧洲电信标准化协会ETSI也相继研究出台宽带的无线局域网标准以满足人们日渐增长的对数据、话音、图像等高速率网络通信的要求。早在1990年国际电子、电器工程师协会(IEEE)就专门成立了IEEE 8021i无线局域网工作委员会，着手制定无线局域网络技术标准。1997年IEEE 80211工作组公布了第一代无线局域网标准802111，它采用24GHz的ISM(工业、科学、医疗)频段，最高支持2bibps数据通信，由于与常规网络的带宽差距较大，因此并没有得到用户的青睐。1999年80211工作组又相继公布了8021lb和8021la两个标准，其中8021lb仍然采用24GHz频段2，物理层调制方式选
22、用补码键控(CCK)，支持55Mbps、11Mbps的通信速率，并在低速率场合(2Mbps和IMbps)与802，11兼容。而8021la则工作在5GHz的UNIl(UnlicensedNational Information Infrastructure)频段3，在物理层采用了正交频分复用技术(OFDM：Orthogonal Frequency Division Mulitpexing)可支持最高达54Mbps的传输速率。但是，8021la存在不能与8021lb兼容的缺点。IEEES021l无线局域网工作委员会成立了g工作组专门设定IEEE8021lg标准4，该标准与8021lb相同。使用2
23、4GHz频带不过也同样采用IEEE 8021la的OFDM调制技术，数据传输速度也与8021la相同，可以提高到54Mbps。东南大学硕士学位论文 第一章绪论而且，其最大特点是与8021lb具有向前兼容性也支持CCK调制。目前，正式标准尚未出台，在已经通过的草案中，8021lg融合了美国TI及美国Intersil等几家公司向IEEE提出的方案制订而成。预计正式的IEEE 8021lg标准将在2003年的6月份正式发布。除了IEEE 80211致力于推动无线局域网技术的发展，其他组织对推动无线局域网技术也起了关键作用。欧洲电信标准化协会RTSI的宽带无线电接入网络(BRAN)小组也制定了Hipe
24、r(High Performance Radio)LAN系列接入标准。Hiperlan2是其推出的最新的无线局域网标准5】，它不再采用HipcrLAN1中的窄带高斯最小频移键控(GMSK)调制，而采用和IEEES02Ila相同的OFDM调制，也可以提供高速(高达54Mbps)的接入速率。随着人们对高速无线局域网的需求大大增加，现行的能支持54Mbps的IEEE 8021la和HiperLAN2和将来的IEEE 8021lg标准必将成为市场的趋势和主流，OFDM调制技术也逐渐成为一个研究热点。OFDM系统和传统的单载波数字通信系统相比最大的优势就在于更充分的利用了频谱资源。OFDM系统采用正交的
25、多路子载波并行的传送数据，允许子载波的频谱互相交叠，大大提高了频谱利用率。OFDM还特别适合用于多径信道下传输高速的数据，其优点在于OFDM可以将高速的数据速率分配到各个子载波上并行的传输。利用这种慢速的并行传输和保护间隔的插入，OFDM可以在很大程度上减小宽带无线通信中多径信道下产生的畸变带来的影响，它不再象单载波的CDMA系统需要复杂的信道均衡技术来抵消多径干扰。随着频谱资源的日益紧张，随着当今用户对宽带无线数字通信的需求量高速增长，OFDM技术也将得到越来越广泛的应用。12 OFDM的发展历史OFDM技术的历史要追溯到1966年RWChang写的一篇关于将带限正交的信号综合用于多信道传输
26、的文章6。他第一次提出了在线性带限信道实现无信道间干扰(ICI：Interchannel Interference)和符号间干扰(ISI：Inter symbol Interference)的多信道传输原理6，7。1967年，8BRSaltzberg分析了该传输技术的性能，指出这种方式下数据的传输速率可以非常接近Nyquist速率，而且多窄带信道对抗时延和幅度畸变也非常有效。另外，Saltzberg还得出重要的结论：由于在并行传输系统中，子信道问干扰占支配地位，所以该系统的设计重点应该放在减少子信道间的干扰而不是优化各个单独的子信道。1971年，Weinstein和Ebert9发现了通过IDF
27、T和DFT快速实现0FDM的调制和解调方法，为后来OFDM广泛应用于通信领域开辟了道路。他f】的工作重点集中在如何快速有效地实现0FDM的调制和解调，从而消除了以前并行系统需要子载波振荡器组这一缺点。为了防止ICI和ISI，他们在OFDM符号间插入了保护间隔，并在时域上使用了升余弦窗。另外，他们还讨论了OFDM系统中的时不变线性信道影响及信道均衡。最后为了避免信道均衡，他们又提出差分OFDM系统，这也是最早的差分0FDM。 虽然他们的系统在多径信道下不能保持很好的正交性，但是他们引入IDFT和DFT用于0FDM的调制解调对0FDM技术发展的贡献是不能低估的。券南大学磷士学位论文 第一章绪论Pe
28、led和Ruiz10于1980年提出了循环前缀CP(Cyclic Prefix)的概念。他们不是在謦号闼攥入空的保护翔黼，瑟楚捶入OFDM符号豹周裳扩是。这种骰浚毒教的将售道秘转送祷母间的线性卷秘近似成循环卷积，当循环前缀长度大予信道冲激响应时OFDM子信道之间仍镰持绞好静正交特性。鬈笞这会造成一定程度的箍量攒失；置能量损失正耽予循环裁缀长度，但和它消除的ICI相比较，这种能量损失可以接受。在20世纪80年代，oFDM技术被研究用于高速调谁8解调器，数字移动通信等赣域。1987年，欧洲采用了OFDM技术应用子数字语啬广攘系统。90年代以来，OFDM技术逐渐兴起，被成用于宽带高速数字用户线，非对
29、称数字用户线(ADSL)，非常高速数字用户线(VHDSL)和高清鹾发电禚(HDTV)等等。最近且年，拦翔蠡文握及戆，包菇IEEE8021la，HiperL硝2及未来的IEEE 8021lg等无线局域网协议已经采用0FDM作为调制解调方式。而新出台的IEEE802强宽带无线标准也采用了OFDM律为核心技术。锾显然，OFDM络为一顼高额带铡用率和抗多径干扰的通信技术正在受到前所=拳有的重枧。然而，OFDM的实现也存在着诸多技术上的难点。首先，由于时变多径信道将对子载波上的信弩产生不鞫的葙经旋转和幅度静畸变，造成I路和Q魏信号势爨相互千扰，掰越OFDM系统需要精确的信道估计进行椒关解调。虽然菠分调制
30、解调可以克服这种畸变。但魁和单鼗波系统一样，OFDM系统的差分解调比相关解调性能箍3dB。为了掇高系统的性能，精确的傣道估诗是OFDM系统不可缺少的耋瑟模块。其次，OFDM系统对同步的黉求缀离。由于OFDM采用频落豆相重叠的子载波传输信号，所以时变信道的多普勒频移季H收发端的微小频偏将会破坏各路子载波之间的戚交性，从而引起信道间干扰，导致错误的解调。再次，OFDM系统需要高效的倍道编鳏羁模块。由予OFDM信号颓谱都较宽，所以在频率选择程蓿道下，OFDM系统的个别子载波不可避免的处于多径位道的深衰落点，这种馕况下OFDM煞统需要功能强大的信道编解码模块才能体现出其对单载波系统的优势。另外。OFD
31、M系统还有一个闷题是多载波调制后的发送信弩幅瘦变仡狠太，部峰德平均驹率眈(PAPR：Peak to AveragePower Rati曲缀瘫，恧麴此大的PAPR公造或发射功效豹功率利用效率极大缝降低。因此，在OFDM系统中，如何降低多载波信号的峰值平均功率比也是一个很重噩的研究方向。1。3本论文的组织结构本谂文的主要任务楚研究IEEE 802。lla下瓣OFDM系统馈道估计技术粒攘道觯褥器度爨的计算，并对IEEE 8021la的网络吞吐量性能进行了仿真。论文内容安排如下：第一章为绪论，对无绒局域鲻的概念、技术和发展，以及OFDM韵发展历史、忧缺点捧了简要的舟绍。第二章套绍了OFDM麴摄理、鬻镜
32、构成鞠OFDM技予东南大学硕士学位论文 第一章绪论扰的基本技术。第三章介绍OFDM系统中经典的信道估计算法，并对基于FFT变换的加权估计算法和奇异值分解法(SVD：Singular Value Decomposition)进行了理论分析，提出了改进方案。第四章基于IEEE 8021la标准，提出了OFDM系统信道解码的度量计算方法并研究了在无线局域网环境下的OFDM信道估计，提出了基于线性预测的判决反馈信道估计算法和慢时变信道下的最小均方误差信道估计算法，并进行了大量的仿真。第五章中给出了第四章中算法的实现方案，并估计了运算量和资源耗费。第六章给出了基于IEEE 80211a物理层帧的传输性能
33、的仿真结果，并对衰落信道下8021la无线网络所能达到的最大吞吐量进行了理论分析和仿真。第七章总结全文，提出OFDM系统改进的方向和无线局域网的发展趋势。d东南大学硕士学位论文 第二章正交频分复用系统第二章正交频分复用系统21 0FDM和FDM的频谱利用率相比与普通的FDM系统OFDM系统的晟大区别和优势就在于它的高频谱利用率。而OFDM的高频谱利用率得益于其采用了正交的子载波，允许频谱互相交叠。卜嗽叫l。6。 图2-1 FDM与OFDM系统频谱资源比较假定系统传送速率为Rbiffs的BPSK信号，OFDM符号波形为矩形，只考虑频谱主瓣。如图2-1所示，当载波数N=8时，FDM和OFDM信号的
34、每一路子载波都传送R8biffs信号，占用带宽R，4。由于普通FDM的各路子载波所在频带必须隔开，即使不考虑旁瓣的影响，FDM至少也要占用矿=2R的总带宽，如图2-1上所示。而OFDM采用正交的子载波，子载波间允许交叠且保持正交性，则如图2一I下所示，OFDM占用的带宽为W=9R8。当子载波数趋向无穷大时，FDM系统的带宽仍为2R，而OFDM的带宽为：lj。：lim!R：R，N-m M_。N比FDM系统节约一半带宽，而两者的信号速率相同，所以OFDM系统的频谱利用率卢：罢警堕是普通FDM的两倍。22 0FDM信号的调制和解调一般地，oFDM的等效低通信号可以表示为一组并行传输的调制载波信号+劬
35、N-1 栅s(f)=cg。(卜n0)=f(f) (21)t一0 其中g(r) fo，0)其它东南大学硕士学位论文 ；g-at正交频分复用系统c。在第n个0FI)M符号间隔的第1个子载波上传输的符号，是0FDM系统的子载波数，C(r)表示第n个0FDM符号，0为oFDM符号间隔，也是每个子载波上传输的符号间隔，是第个子载波的频率，=，o+=k一，t=o，Nl，o是最低的使用频率。这种子载波频率，的设定保证了载波gkit)之间的正交性r函(f)g,(Oat：r，。，：却。m斫，m：r。m等。出：。占(一D (22)由于这种正交性解调器能很方便地从接收信号中解出传输符号，=r。m)g：(f)出，t=
36、一l(2-3)一，从上述表达式可见，要实现一个0FDM传输系统，需要一组振荡器产生N个子载波，接收端也要对N个载波进行同步。显然。N较大时，系统的硬件构成将是非常庞大而不经济的。1971年，9Weinstein和Ebert将DFT技术的引入到0FDM系统，使OFDM的实现变得经济实用。假定，o=0，以N10的速率对(21)式的等效低通信号进行抽样，OFDM符号可表示为，胁M(町m务静凰(号驴(专粕e”峙)-脚( (2-4)接收端解调过程则可用FFT实现，=专，研(f，(m)=专薹Iq-i善N-i气，e”等e12等=善N-I气似一f)=c一 (25)这样就用简单、实用的IFFTFFr模块实现了多
37、载波的调制解调过程，大大简化了0FDbl系统的硬件构成。当然，实际的OFDM系统在使用IFFFFFT模块时还要在(24)(25)式的基础E做一点修改目的是保证IFFT或FFT变换前后信号能量保持不变。咀(24)式的IFFT一I变换为例，变换前，个符号的能量和为：q。12，变换后符号的能量和为I=0掣I F fro)1 2：掣掣掣cco口一百lmel“it”I E、，=c。c：，e”百e1“i一掣掣，掣。，z一等=c：，e”4i=h。I 2是变换前的N倍。为了使信号在IFFT变换前后能量不变，(24)式改为胁)=西专赫e伽鲁=厨删b。相应地，接收端解调过程调整为，(26)(27)6末南大学硬士学
38、位论文 第二章戚变烦分复用系统=去麴咖掣一=专-FFrCE,(m) (2-8)(27)(2-8)式代表了实际0FDM系统的多载波调制解调过程。23 OFDM系统抗干扰技术为了提高OFI?M系统的抗干扰能力， 9Weinstein和Ebert在OFD6f符号f引嚣入了保护闯隔，并在时域上使用了升余弦密。Peled和Ruiz10于1980年提出了循环前缀CP(CyclicPrefix)的概念，他们在铸号闰插入符母的周期扩展，从两有效的抑制了ICl(信遵阍予扰)和ISI(符号问干扰)。231循环前缀逶镶系统孛，当信号通过躲独嘀成为h(t)的信遭蓐，接收售号为。y(t)=J(f)o(f) (2-9)其
39、串。表示线性卷积。在以只2必2乡，速率抽样的oF腿系统中，第”个信母只咖)(掰=0,I,-N-I)通避脉冲响应长度为疋的离散信道后的接收信号可表示为，。(m)=芝：(，)-只(m-t)，(=o，LN一1) (210)，；O这里为了分析方便，假定信道是慢时变的，这样在一个OFDM符母的时间内，可i瞪似认为壤邀不变铯，爨璇赣玲与m无关。(2一10)式表拳一个线馁卷积运算，穿疑h棼妖疫为五+1，只的长度为N。则y。的长度为v+上。所以要防止前后两个符母之问的ISI，必须在符号与符学之问加入长度歪少为的保护间隔。保护间隔可以竣为工个0值，但是这样只能巍服两个符号之闻的ISI，不能消除该德号建郝的ISI
40、。为此，g入镁环翦缀cP作为探护闻隰，它霹将信道与信号的线性卷积运算近似为循环卷积，从而消除符号之间和符号内部的ISI。所谓锸环翦缀，帮慈每个OFDM符号蒋插入箕蓬邦静个吾蠡样篷，赧圈2-2掰示。图22循环前缀稻意图翔上循环裁缀瑟静OF掰符号胃表添海，驹)-FAN，+m篇墨黔。m等胪喝，“州埔东南大学硕士学位论文 第二章正交频夯复用系统接收信号为，y。(删)=F(小-t)=(f)c(m1)modN) Yt=o产，一1 (212)经F阿解调后的信号为， 噶=专篓删e j-F等=专N-I_2 ink驴L“芈=黔c专扩警，扣e巾弓 埘=c6(k-Oz4,(i)=以(t)cH，(D是发送第H个符号时。
41、信道在第k个子载波频点的频响，可见，在慢时变信道中，循环前缀的插入将信道对数据的影响转变为信道参数日。(女)与符号的乘积消除了信道引起的ISI。由上式也可看出，OFDM系统的接收端只要估计出日。(女)，就可以用一个简单的除法消除信道的影响，得到传送数据，而不需要象单载波系统那样进行复杂的时域均衡了。当然，系统加入循环前缀也带来了一定的性能损失。首先，系统损失了信号能量，因为能量的L(N+)被用来传送循环前缀而循环前缀在接收端解调时是被删除不用的。其次，循环前缀降低了系统的有效带宽利用率，即每单位带宽的比特率。理论上，使用。进制数字调制的OFDM系统可达到log：M“bitssHz。假定输入系统
42、的比特流速率为R=1，瓦，则】lf。进制调制后的速率为l“瓦log：M)，而每个子载波上的符号速率更低，为l，(瓦Iog：吖“)，等于子载波间隔Ar。0FDM的带宽为，口5rL+2a=(一1)，+，2而历I石 214带宽利用率为户舍=I。g：M。但在加入长为L的循环前缀后，为保持信息速率R不变，。FDM总的抽样速率上升为了N+L-瓦i云I面：=，等效于子载波间隔上升了了N+L倍，故oF叫的带宽也增大到坐笋丑而系统的有效的比特率仍为R，所以带宽利用率就降低为而N几 虽然循环前缀对系统造成了一定的性能损失，但与它带来的优点相比较，这点损失是可以允许的。232 OFDM符号的波形选择前面的讨论中涉及
43、到每个子载波上传送的符号都是采用矩形波形，这种波形在接收端理想同步时是最优的。但是，由于每个子载波上的频谱形状是sfHc函数，它的旁瓣以1f的速8一东南大学硕士学位论文 第二章正交额分复用系统率衰减，衰减较慢，所含能量较大，因此，采用矩形波形的OFDM系统对同步误差很敏感，子载波之间的正交性稍有破坏，就会引起较大的载波问干扰ICI。所以要提高系统的性能，可以改变符号波形，使子载波上的频谱函数旁瓣衰减加快、所含的信号能量下降，就能减小非正交引起的ICI。通常比较简单的做法是如图2-3所示，在OFDM调制之后加上窗函数，窗函数一般可以由升余弦函数得到，它起到符号间平滑过渡的效果，加窗后的结果如图2
44、-4所示。在IEEE 8021la标准中，也采用了这样的做法。另外一种OFDM符号波形选择的方法，它需要改变信息数据部分的波形，这样的波形选择方式较为复杂，12133有详细论述。由于波形成形部分和OFDM调制部分互相独立，因此系统可以进行灵活的波形设计，使每个子载波符号采用不同的波形而达到最优的效果，同时也不会影响后面的OFDM处理部分。但应该看到，这所有的种种优点都是以复杂的系统构成为代价得到的。0F叫符号的波形选择也是OFDM技术的一个研究方向，但由于篇幅原因只在此略加介绍。引用些研究结论，具体内容参见Simane Ben S1imane的文章14。图2-3加窗函数改变OFDM符号波形OF
45、DM调制波形 加窗后的波形、 、 7 24 OFDM收发机系统结构图2-4加窗后的波形图2-5(0发射机系统框图东南大学硕士学位论文 第二章正交频分复用系统图2-5(b)接收机系统框图一个基本的OFDM基带系统构成如图2-5所示，它对信息的处理过程如下：对输入的信息比特流进行基带调制，如MPSK、MQAhI调制，调制后的符号流进入串并转换模块，形成足路并行符号流，对这足路符号进行多载波调制，即N(K)点IFFT变换。这里设定KN的原因是，在某些应用环境中，考虑到滤波器的性能两端都要留出P个虚载波，当作保护频带，这样，实际用来传送有用信息的子载波足就小于总的子载波数，即IFFT变换的点数。所以I
46、FFT处理器除实现IFFT变换外，还可根据系统的要求，实现选定导频信号、虚载波及形成符号波形等功能。处理后的数据经过并串转换，成为长的串行数据流，对这个数据进行循环扩展，即加工个抽样值的cP，构成一个基本的OFDM符号，OFDM符号经DA转换，送上信道，在接收端滤波后进入AD转换器，对输出的数据流进行定时同步，估计频偏，同步后的数据流删除循环前缀CP按OFDM符号转换成路并行数据，进行多载波解调，即FFT变换，FFT处理器同时还能纠正数据的频偏，并实现信道估计，从而对解调数据进行信道校正。从处理后的个数据中取出K点信息数据，经并串转换、基带解调后，得到接收的信息比特流。25峰值平均功率比251
47、峰值平均功率比概述本小节首先给出OFDM信号的峰值功率同平均功率比PAPR的定义，然后系统地推导出PAPR的公式，最后列出几个IEEE 8021la中数字调制样式的PAPR。令s(r)=F(f) (215)式中f(f)如(2-i)式所示。则定义最大峰值与平均功率比PAPR如下，烨，IF,PAP尺。，而对于四种特定的调制方式，剐P屯叫PAPRl6洲PA啊愀2剐朋w，这也是64QAM调制的缺点之一。表21各种不同的数字调制方式的峰值平均功率比PAPR BPSK OPSK 16QAM 64QAM MPSK MQAM3N(4M一1)oFDM _ 9 7 N0M+13(xM一1)SCM l l l百+1
48、oFDM SCM东南大学硕士学位论文 第二章正交频分复用系统252降低PAPR的方法由251节可知，OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)正比于子载波数v，同单载波系统相比存在PAPR大的缺点。当系统的子载波的数N=64时，子信道上的数字调制样式采用64QAM时，根据表2-1得尸4PR=7643=217dB。如此高PAPR的OFDM信号通过非线性设备如发射功率放大器时，会遭受严重的谱扩展和带内扭曲。从另外一个角度看，如果要避免上述扭曲，必须保证发射的OFDM信号的峰值功率低于功率放大器的峰值功率，而如此大的PAPR会造成功率利用效率极大地降低。这个缺点在无线通信终端显得尤其突出，会大大降低移动终端的电池使用时间和寿命。因此，在无线通信领域，如何克服OFDM这一先天不足已成为科技工作者研究的一个热点和难点。31，32提出了限幅法33提出了编码和调制相结合的办法，34采用Golay互补序列，35，36采用选择性映射(Select Mapping)的方法，还有采用部分传输序列(Partial Transmit Sequences)来降低PAPR的方法37，38，虽然这些方
