基于802.16e的OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究

曹型兵， 鄧小科， 劉珊珊， 辛 茂

（重慶郵電大學(xué) 通信應(yīng)用研究所，重慶 400065）

0 引言

OFDM技術(shù)并不是一項(xiàng)新技術(shù)，它是最近幾年由于快速傅里葉變換（FFT）[1]在 OFDM 之中的成功應(yīng)用，從而大大的降低了設(shè)備的生產(chǎn)成本，才在最近幾年里得到了廣泛的應(yīng)用。其實(shí)，F(xiàn)FT就是一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)[2]，現(xiàn)代通信技術(shù)隨著數(shù)字調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)，在有限的帶寬內(nèi)傳輸高速的數(shù)據(jù)已成為可能，并且與過(guò)去使用的模擬調(diào)制，如調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM），頻移鍵控（FSK）等技術(shù)相比有更高的可靠性和抗干擾性。這是因?yàn)?，?shù)字調(diào)制方式和以往的模擬調(diào)制方式相比調(diào)制效率高和調(diào)制后的信息攜帶的信息量更大，對(duì)于相同碼元速率來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)數(shù)字調(diào)制的信息傳輸速率更快。循環(huán)前綴[3](CP，Cyclic Prefix)概念的引入，很好的解決了OFDM中各子載波之間正交性的問(wèn)題，但是循環(huán)前綴的引入，同時(shí)也帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題就是增加了發(fā)射信號(hào)的能量浪費(fèi)，但是對(duì)于整個(gè)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣的能量浪費(fèi)是值得的，因?yàn)橄到y(tǒng)以犧牲部分發(fā)射信號(hào)能量損失而獲取系統(tǒng)誤碼率的下降，提高了通信系統(tǒng)的可靠性。由于無(wú)線信道存在多徑傳播所引起的頻率選擇性衰落和瑞利衰落，OFDM能夠很好的解決由于無(wú)線信道的多徑傳輸而引起的信道快衰落對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響，這是因?yàn)镺FDM能將高速串行碼流轉(zhuǎn)變成許多相對(duì)低速的數(shù)據(jù)流進(jìn)行并行傳送，使得碼元周期很長(zhǎng)，因而當(dāng)無(wú)線信道中出現(xiàn)快衰落時(shí)，并行的碼元只是輕微的受損，對(duì)系統(tǒng)性能的影響很小。

1 OFDM技術(shù)原理簡(jiǎn)介

OFDM實(shí)際上就是將一個(gè)物理信道分成若干個(gè)相互正交的子信道，然后將要發(fā)送的串行的高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，再將這些低速的子數(shù)據(jù)流調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。對(duì)于OFDM 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)[4]，由于各個(gè)子載波之間的頻譜是相互重疊的，這樣的好處是不但減小了各個(gè)子載波間的載波間干擾，同時(shí)還提高了頻譜利用率。由于無(wú)線信道具有多徑效應(yīng)，多徑所產(chǎn)生的后果就是用戶在接收端接收到的信號(hào)具有延遲，這樣就使得從發(fā)送端發(fā)送的信號(hào)的正交性遭到破壞，由于各個(gè)子載波之間不再相互垂直了，這樣就造成了所共知的符號(hào)間干擾(ISI)[5]和載波間干擾(ICI)[6-7]，這樣的后果是使系統(tǒng)的性能急劇下降，問(wèn)題嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致通信系統(tǒng)無(wú)法正常使用。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)在OFDM符號(hào)中加入循環(huán)前綴，這樣使得符號(hào)間干擾全部落入該保護(hù)區(qū)域內(nèi)，只需在接收端將 CP去掉，就可以消除符號(hào)間干擾的影響了，其中OFDM的基帶系統(tǒng)接收發(fā)射框圖見(jiàn)圖1。

在OFDM系統(tǒng)中，一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)都包含周期數(shù)為整數(shù)倍的子載波，而且各個(gè)相鄰的子載波之間周期數(shù)相差為1，可以用這個(gè)特性來(lái)解釋OFDM中各個(gè)子載波間的正交性[8]，即滿足:還能從頻域角度來(lái)解釋OFDM符號(hào)中的子載波之間的正交性。當(dāng)把這N個(gè)子信道碼元分別調(diào)制在N個(gè)子載波頻率分別為f0,f1,…,fn,fN-1的頻率上時(shí)，假設(shè)最小的頻率為fc，兩相鄰的頻率之間相差為 1/N，則可得到fn=fc+n/ T ，角頻率為ωn=2πfn，n=0,1,2,…,N-1。設(shè)用戶要發(fā)送的OFDM信號(hào)D(t)為：

而對(duì)于接收端，可以通過(guò)如下解調(diào)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理：

從上面的理論分析可以知道，在一個(gè)OFDM符號(hào)周期T內(nèi)各子載波之間都是正交的，滿足式（1）。所以，當(dāng) n=m時(shí)，滿足相干解調(diào)的條件[5]，X'( m)=X( m), m=0,1,2,…,N -1，就可以通過(guò)相干解調(diào)在接收端將發(fā)送端的信息解調(diào)出來(lái)；而當(dāng)n≠m時(shí)，不滿足相干解調(diào)的條件，無(wú)法在接受端將原始信息解調(diào)出來(lái)，這樣就在接收端完成了需要的有用的信號(hào)的提取。

2 OFDM不同調(diào)制方式性能仿真分析

在OFDM通信系統(tǒng)中對(duì)子載波的調(diào)制方式主要有兩種：一是相移鍵控(PSK)，二是正交幅度調(diào)制(QAM)。而對(duì)于PSK調(diào)制技術(shù)[8]，最常用的兩種調(diào)制技術(shù)就是BPSK和QPSK，BPSK是二相位調(diào)制，每個(gè)碼元只攜帶1 bit的信息，QPSK為四相位調(diào)制，每個(gè)碼元攜帶2 bit的信息。而QAM技術(shù)是綜合了ASK和PSK兩者的優(yōu)點(diǎn)，它使得被調(diào)制的數(shù)據(jù)間有了最大的間距。對(duì)于被 QAM 調(diào)制過(guò)后的調(diào)制信號(hào)幅度和相位都攜帶有信息，對(duì)于M進(jìn)制QAM中隨M值的增大，被調(diào)制的信號(hào)所攜帶的信息量也隨著增加[9]。但同時(shí)M越大，星座圖中各點(diǎn)的距離越小，誤比特率性能越差。圖2為在QPSK調(diào)制方式下，分別在瑞利信道和高斯白信道的誤比特率曲線。

圖2 QPSK調(diào)制方式在高斯白和瑞利信道中的誤比特率曲線

由圖2可知，在QPSK調(diào)制方式下，系統(tǒng)的誤碼率隨著性噪比的增加而減少，其主要原因就是，隨著信噪比的增加，信號(hào)的噪聲功率會(huì)有所下降，這樣一來(lái)使得信號(hào)的誤碼率也隨之減小。其次，還可以看到，調(diào)制后的信息在瑞利信道中傳輸時(shí)產(chǎn)生的誤碼率明顯要比高斯白信道中的誤碼率大，這說(shuō)明了在QPSK調(diào)制方式下，瑞利信道對(duì)用戶信息的影響要大于高斯白信道對(duì)用戶信息的影響。

由圖3可知，在16QAM調(diào)制方式下，可以看到系統(tǒng)的誤碼率隨著性噪比的增加而減少，并且高斯白信道的誤碼率曲線在瑞利信道的誤碼率曲線之下，這表明被 16QAM 調(diào)制了的用戶信息流在瑞利信道中傳輸時(shí)產(chǎn)生的誤碼率要比在高斯白信道中產(chǎn)生的誤碼率大，這說(shuō)明了瑞利信道對(duì)用戶信息流的影響要大于高斯白信道對(duì)用戶信息流的影響，從而導(dǎo)致在瑞利信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的誤碼率大于高斯白信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的誤碼率。

圖3 16QAM在高斯白和瑞利信道中的誤碼率曲線

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)OFDM調(diào)制解調(diào)的理論和仿真結(jié)果分析可以得出，在相同信噪比條件下，采用QPSK這種低階調(diào)制方式來(lái)調(diào)制用戶的信息時(shí)，比采用更高階的16QAM和32QAM調(diào)制方式的誤碼率要小，但是攜帶的信息量也相對(duì)較少。這是因?yàn)镼PSK調(diào)制方式在調(diào)制過(guò)程中用戶的信息在星座映射圖中相隔的比較遠(yuǎn)，而在 QAM 調(diào)制中用戶的信息在星座映射中相隔比較近，這樣就導(dǎo)致相鄰信息之間容易產(chǎn)生影響，從而在系統(tǒng)性能仿真中反映為 QAM 調(diào)制方式的誤碼率比QPSK的誤碼率高。對(duì)于在相同信噪比條件下，相同的調(diào)制方式在不同的信道中傳輸也會(huì)得到不同的誤碼率，QPSK和QAM在高斯白信道中的誤碼率比在瑞利信道中的誤碼率要小，而且隨著信噪比的增加誤碼率也會(huì)隨之減小。在OFDM通信系統(tǒng)中由于每個(gè)子信道可以選擇不同的調(diào)制方式，對(duì)于傳輸特性較好的子信道可采用效率較高的調(diào)制方式，而對(duì)于傳輸特性較差的信道則選用效率較低的調(diào)制方式，這樣就可以在一定程度上增加系統(tǒng)的信噪比，從而提高系統(tǒng)的可靠性。正是由于OFDM系統(tǒng)的這些優(yōu)勢(shì)，OFDM技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)被國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定為第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。

[1] 趙婧華,酆廣增.OFDM—第四代無(wú)線通信的技術(shù)核心[J].電信建設(shè),2002(03):61-63.

[2] 涂翔宇，湯定潘，張洪珊.QAM原理及其在HFC系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)有線電視，2002(07)：32-35.

[3] 佟學(xué)儉,羅濤.OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電大學(xué)出版社，2003:27-40.

[4] 閻世梁.OFDM的原理及技術(shù)特點(diǎn)[J].信息技術(shù),2004 (10):29-31.

[5] 胥寧,莊卉.基于 DSP的 OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2009,42(07):11-14.

[6] Weinstein S, Ebert P. Data Transmission by Fequency Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform．Communications[J].IEEE Transactions，1971，19（05):628-634．

[7] 咸金龍,郭新軍,鞏躍洪.基于復(fù)制理論降低 MIMO-OFDM系統(tǒng)中的峰均比[J].通信技術(shù),2009,42(07):21-24.

[8] 張學(xué)臣,謝顯中.OFDM同步技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2007,40(08):9-11.

[9] 孔令通.電力線通信關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息技術(shù)，2007(05):23-31.