通信专业课程设计任务书
MIMO-OFDM技术概述
MIMO-OFDM技术概述 摘要 现代信息社会中,人们对宽带移动通信系统的数据需求量日益增长。为此，未来宽带移动通信系统必须提供更高的传输速率和更优的服务质量。MIMO技术能够利用信号的空时频域特性，可以很好地对抗平坦衰落信道，但对频率选择性信道却无能为力，而OFDM技术可以将频率选择性衰落转化为平坦衰落，MIMO和OFDM两种技术的结合和相互补充，既可以很好地解决未来无线宽带通信系统中信道多径衰落和带宽效率的问题，又能够提高系统容量和传输可靠性，因此采用MIMO 技术的OFDM 系统是现代移动通信的核心技术。本文首先介绍正交频分复用（OFDM）技术和多输入多输出（MIMO）系统的基本原理，简述MIMO-OFDM 技术及其特点，并初步探讨了MIMO-OFDM 系统的关键技术。 关键词：多输入多输出；正交频分复用；MIMO-OFDM；载波；编码 一、引言 正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作是一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干比特流，这样每个子数据将具有低得多的比特速率，用这样的低比特速率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，这构成了多个低速率符号并行发送的传输系统。OFDM是对多载波调制(Multi Carrier Modulation)的一种改进，它的特点是各子载波相互正交，所以扩频后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率，可以有效地抵抗频率选择性衰落。 多输入多输出(MIMO)技术是指利用多发送和多接收天线进行空间分集的技术，是无限移动通信领域智能天线技术的重大突破。在无线通信领域，对MIMO的研究源于对多个天线阵元空间分集的性能研究。从20世纪80年代开始，研究学者发现与合并技术结合的多天线空间分集可进一步改善无线链路性能并增加系统容量，Salzzai研究了单用户MIMO高斯信道，以两径传播信道模型分析了空间分集对信道容量和容量分布的影响。Winters讨论了干扰受限的无线系统中，利用多天线空间分集所能带来的容量增益，并明确地指出了增加分集天线数目可以增加系统容量。多输入多输出系统充分开发空间资源，利用多
OFDM调制技术 (来源：福建金钱猫电子科技有限公司) 随着通信技术的不断成熟和发展，如今的通信传输方式可以说多种多样，变化日新月异，从最初的有线通信到无线通信，再到现在的光纤通信。然而，从通信技术的实质来看，上面所述基本上都是传输介质和信道的变化，突破性的进展并不多。 技术简介 OFDM是一种高速数据传输技术，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，提高了抗多径衰落等恶劣传输条件的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器，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，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。 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。只要多径时延超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。 基本原理 OFDM —— OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。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
4 系统仿真与性能分析 4.1 仿真参数设置 结合OFDM调制解调系统原理图与仿真流程图，基于MATLAB软件平台，设置系统仿真参数，如表4-1所示： 由OFDM系统原理和仿真流程可知，由信源产生一个待传输的二进制随机信号。此处，我们以QPSK调制为例，根据表4-1设置的系统默认仿真参数，子载波数目1024个，每个子载波中OFDM符号数为50个，每OFDM符号数所含的比特数为2 bit，信噪比（SNR）为2 dB，经过运算、取整等操作，可产生一组包含20000（子载波数?符号数/载波?位数/符号）个由0和1构成的一维随机二进制数组，即待传信号，截取待传信号的前101（0—100）个码元，其对应的波形与经过OFDM系统传输、解调还原后所得到的信号波形，如图4-1所示：
图4-1 待传输信号与解调还原信号对比图 由图4-1可知，经过系统发送、传输、解调过后的信号经过并串变换后，还原后所得到的信号与原信号相比，存在数据出错的情况，即产生误码，此时的误码率如图4-3所示： 图4-2 默认参数下QPSK调制的系统误码率 误码率（SER）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。即，数据经过通信信道传输以后，接收端所接收到的数据与发送端发送的原始数据相比，发生错误的码元个数占发送端发送的原始数据的总码元个数之比，误码率的计算公式如下所示： 误码率=错误码元数/传输总码元数
一个通信系统在进行数据传输时的误码率越小，则说明该通信系统的传输精确度越高。 4.2 OFDM系统仿真实现 以QPSK调制为例，系统的仿真参数为默认值。即，子载波数目1024个，每个子载波中OFDM符号数为50个，每OFDM符号数所含的比特数为2 bit，信噪比（SNR）为2 dB。 4.2.1 待传信号与还原信号 图4-3 待传信号与还原信号码元波形 由仿真参数默认值及仿真程序，信源产生的随机序列的长度为20000（子载波数?符号数/载波?位数/符号），大小介于0到 1之间，经过取整后即得到长度为20000，大小为0或1的待发送的一维随机二进制数组。将待传信号通过发送端输入OFDM系统，通过系统传输后，到达接收端，还原后得到的一组二进制数组即为完成OFDM调制解调和传输的信号。
新一代移动通信的核心技术OFDM调制技术 OFDM的发展状况 OFDM的历史要追溯到20世纪60年代中期，当时R.w.Chang发表了关于带限信号多信道传输合成的论文。他描述了发送信息可同时经过一个线性带限信道而不受信道问干扰(ICI)和符号间干扰(。ISI)的原理。此后不久，Saltzberg完成了性能分析。他提出"设计一个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰(crosstalk)而不是完成单个信道，因为前者的影响是决定性的。" 1970年，OFDM的专利发表，其基本思想就是通过采用允许子信道频谱重叠，但又相互间不影响的频分复用(FDM)的方法来并行传送数据，不仅无需高速均衡器，有很高的频谱利用率，而且有较强的抗脉冲噪声及多径衰落的能力。OFDM 早期的应用有ANIGSC-1O(KATH-RYN)高频可变速率数传调制解调器(Modem)。该Mo-dem利用34路子信道并行传送34路低速数据，每个子信道采用相移键控(PSK)调制，且各子信道载波相互正交，间隔为84 Hz。但是在早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。 对OFDM做主要贡献的是Weinstein和Ebert在1971年的论文，Weinstein 和Ebert提出使用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)，实现OFDM系统中的全部调制和解调功能的建议。因而简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载波之间的严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备。用离散傅里叶变换(DFT)完成基带调制和解调，这项工作不是集中在单个信道，而是旨在引入消除子载波间干扰的处理方法。为了抗ISI和ICI，他们在时域的符号和升余弦窗之间用了保护时间，但在一个时间弥散信道上的子载波间不能保证良好的正交性。 另一个主要贡献是Peled和Ruiz在1980年的论文，他引入了循环前缀(Cyclic Prefix，CP)的概念，解决了正交性的问题。他们不用空保护间隔，而是用OFDM符号的循环扩展来填充，这可有效地模拟一个信道完成循环卷积，这意味着当CP大于信道的脉冲响应时就能保证子载波间的正交性，但有一个问题就是能量损失。
OFDM技术的基本原理1 OFDM技术的基本原理 在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道(载波)。载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。 上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频率作子载波，也就是我们所说的OFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想，OFDM既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案，单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发送。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。 OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而
OFDM 的基本原理 杜岩 （山东大学信息科学与工程学院济南 250100） 1. 引言 现代社会对通信的依赖和要求越来越高，于是设计和开发效率更高的通信系统就成了通信工程界不断追求的目标。通信系统的效率，说到底就是频谱利用率和功率利用率。特别是在无线通信的情况下，对这两个指标的要求往往更高，尤其是频谱利用率。由于空间可用频谱资源是有限的，而无线应用却越来越多，使得无线频谱的使用受到各国政府的严格管理并统一规划。于是，各种各样的具有较高频谱效率的通信技术不断被开发出来，OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力，是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一。 OFDM是一种多载波传输技术，N个子载波把整个信道分割成N个子信道，N个子信道并行传输信息。OFDM系统有许多非常引人注目的优点。第一，OFDM具有非常高的频谱利用率。普通的FDM系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔（频带），以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。OFDM系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠（见图1.5），但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的，各子载波在时域上是正交的，OFDM系统的各子信道信号的分离（解调）是靠这种正交性来完成的。另外，OFDM 的个子信道上还可以采用多进制调制（如频谱效率很高的QAM），进一步提高了OFDM系统的频谱效率。第二，实现比较简单。当子信道上采用QAM或MPSK调制方式时，调制过程可以用IFFT完成，解调过程可以用FFT完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。第三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的OFDM系统均采用循环前缀（Cyclic Prefix，CP）方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰，完全消除多径传播对载波间正交性的破坏，因此OFDM系统具有很好的抗多径干扰能力。OFDM的子载波把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的（见图1.6），这使得OFDM系统子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可。 当然，与单载波系统比，OFDM也有一些困难问题需要解决。这些问题主要是：第一，同步问题。理论分析和实践都表明，OFDM系统对同步系统的精度要求更高，大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降，还会破坏子载波间的正交性，造成载波间干扰，从而大大影响系统的性能，甚至使系统无法正常工作。第二，OFDM信号的峰值平均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）往往很大，使它对放大器的线性范围要求大，同时也降低了放大器的效率。OFDM在未来通信系统中的应用，特别是在未来移动多媒体通信中的应用，将取决于上述问题的解决程度。 OFDM技术已经或正在获得一些应用。例如，在广播应用中欧洲的ETSI（European Telecommunication Standard Institute，欧洲电信标准学会）已经制定了采用OFDM技术的数
OFDM：正交频分复用 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。 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。 目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。 一、时域分析OFDM 最简单的情况，sin(t)和sin(2t)是正交的【因为sin(t)·sin(2t)在区间[0,2π]上的积分为0】： 图示中，在[0,2π]的时长内，以最易懂的幅度调制方式传送信号：sin(t)传送信号a，因此发送a·sin(t)，sin(2t)传送信号b，因此发送b·sin(2t)。其中，sin(t)和sin(2t)的用处是用来承载信号，是收发端预先规定好的信息，称为子载波；调制在子载波上的幅度信号a和b，才是需要发送的信息。因此在信道中传送的信号为a·sin(t)+b·sin(2t)。在接收端，分别对接收到的信号作关于sin(t)和sin(2t)的积分检测，就可以得到a和b了。
图一：发送a信号的sin(t) 图二：发送b信号的sin(2t)【注意：在区间[0,2π]内发送了两个完整波形】 图三：发送在无线空间的叠加信号a·sin(t)+b·sin(2t) 图四：接收信号乘sin(t)，积分解码出a信号。【传送b信号的sin(2t)项，在积分后为0】
通信系统综合设计 报告 题目：OFDM系统原理及其实现 学部： 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 撰写日期：
目录 第一章................................................... 错误!未定义书签。 要求................................................. 错误!未定义书签。 系统基本原理及基本模块............................... 错误!未定义书签。 设计思路......................................... 错误!未定义书签。 系统基本模块..................................... 错误!未定义书签。第二章................................................... 错误!未定义书签。 编程思路及框架....................................... 错误!未定义书签。 信道编码映射..................................... 错误!未定义书签。 串并/并串变换.................................... 错误!未定义书签。 调制解调......................................... 错误!未定义书签。 添加/取出循环前缀................................ 错误!未定义书签。第三章................................................... 错误!未定义书签。 实验结果............................................ 错误!未定义书签。 码率计算：....................................... 错误!未定义书签。 试验结果......................................... 错误!未定义书签。总结..................................................... 错误!未定义书签。附录..................................................... 错误!未定义书签。 第一章 要求 仿真实现OFDM调制解调，在发射端，经串/并变换和IFFT变换，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成数字信号，通过信道到达接收端，结束端实现反变换，进行误码分析。
目录 OFDM技术及其应用 (3) 摘要 (3) Abstract (4) 前言 (5) 第1章OFDM技术 (6) 第1节OFDM基本原理简介 (9) 第2节OFDM的算法理论与基本系统结构 (10) 第3节OFDM技术特点 (13) 第4节OFDM技术突出的地方 (14) 第5节OFDM的技术优点 (15) 第6节OFDM的两个缺陷 (15) 第2章OFDM技术在各个领域中的应用 (17) 第1节高清晰度数字电视广播 (17) 第2节无线局域网 (17) 第3节宽带无线接入 (18) 第4节3G CDMA的新概念 (19) 第3章OFDM技术在设备制造和运行中的优势 (21) 第4章下一代移动通信系统中的OFDM技术 (24) 第5章OFDM技术的应用现状与前景 (29)
小结 (33) 致谢 (34) 参考文献 (35) 结束语 (36)
OFDM技术及其应用 摘要 OFDM技术是一种多载波调制技术，最初用于军事通信，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，现在成为一种很有发展前途的调制技术。本文首先分析了OFDM的基本原理，并说明其技术优点和缺点，然后提及有关OFDM技术发展方面的一些信息。现在，OFDM在许多领域取得成功应用，这里对有关无线局域网中的OFDM应用现状作了简要说明，对OFDM的应用前景也作了展望。 关键词：正交频分复用（OFDM），原理，特点，发展，应用
Abstract Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) is a kind of technology of Multi-Carrier Modulation(MCM).Depending on Discrete Fourier Transform( DFT) to realize MCM and the quick development of Large Scale Integration( LSI) to solve the question of the solution of IFFT/FFT,OFDM began to be using practically in many fields and is becoming a prosperous MCM-technique.In this paper,firistly the principles of OFDM are analyzed and its characters(merit and defect) are reviewed,then some information about the development of OFDM is introduced.At current time,OFDM has succeeded in many fields, given an example,the present situation of using OFDM on wireless local area net is stated,finally the prospect of using OFDM is imaged. Keywords:OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM);Character;Devel opment;Present Situation and Prospect of Application
1.1OFDM符号调制/解调 图1 OFDM调制器结构 OFDM调制器的结构由采样补0机构、IFFT变换机构、并串转换机构、缓冲器和定时发送机构组成。 采样补0机构。进行IFFT计算时， IFFT的运算过程是纯数学运算，必须认为的赋予数据物理意义。输入的数据时频域信息，每一个数据代表了对应频点上的采样值，输入数据的数量代表了以采样频率权值的频域采样值，假设输入数据的数量为n，每两个数据之间的频率间隔为f，则采样速率为nf，也就是说输入数据是在带宽为nf范围内的均匀采样值。输出的数据是时域信息，假设OFDM 每一个符号时间为T，IFFT输出数据的数量为n,那么输出数据的采样频率即为n/T，根据奈奎斯特采样定理，如果信号的带宽为f1，那么如果要准确表达被采样信号的频域信息，采样速率至少为2f1。鉴于上述理由，在进行IFFT变换时，必须在有效数据的前端至少需要插入与参与计算数据同等数量的0已提高采样速率，以便跟准确利用时域数据表达频域信息，这就是采样补0机构存在的原因。在DRM系统的A模式当中，定义OFDM符号的有效时间Tu由288个基本时间T构成，参与IFFT变换的输入数据至少为288个，每两条子载波之间的间隔为41+2/3HZ，也就是输入数据的带宽为12KHz,根据奈奎斯特采样定理，采样速率
至少为24KHz，也就是参与运算的数据最少为576个，进而至少需要在288个有效数据之前插入288个0值。值得注意的是，根据以上计算思路，可以认定DRM 广播系统标准中给出的载波数量，仅针对的是10Hz带宽的信号，对于4.5KHz、5kHz、9kHz、18kHz和20kHz需要重新考虑子载波的数量，即进行IFFT变换输入数据的数量。 IFFT变换机构。IFFT变换机构的主要功能是将频域信息转化为对应的时域信息，该环节的理论基础相对充实，不再赘述，但需要明确的一点是输入数据的数量与输出数据的数量相同。 循环嵌缀生成机构。循环前缀是OFDM技术中很有意思的一种技术，它的使用几乎消除了使用均衡器的必要。信号可以在多条路径上传播而先后到达接收端，多经效应造成了了OFDM符号间的干扰(ISI)，所以需要在OFDM符号之前留出一段保护时间(Guard time)，又叫前缀(Prefix)，其时间宽度大于信道的最大时延扩展(delay spread)。这样前一个符号的多个时延信号完全被前缀吸收，不会影响后一个符号。如果采用全零前缀，只能消除符号间的ISI，却不能消除符号内部的码间干扰（ICI）。为了解决上述问题，在实际系统中使用OFDM符号的周期扩展作为循环嵌缀，将OFDM符号的最后一段的时域信号的拷贝插入到保护时间当中。 引入循环前缀叫做保护带，可以让信道与OFDM信号的线性卷积近似为循环卷积，并且可以消除符号之间和符号内部的ISI。如果接收机的符号定时存在误差，但仍能保证DFT窗口在这个符号以内，那么定时误差只会使解调结果中带有附加相移，并不会破坏子载波之间的正交性。也就是说，在解调过程中的DFT或FFT变换时，认为OFDM符号是周期的，在进行FFT变换的时间窗口内即使OFDM 符号定位不准确，但参与变换的数据也包括了OFDM符号频域的所有信息，不会影响DFT或FFT的变换结果。
OFDM(正交频分复用)是一种高效的多载波调制技术，其最大的特点是传输速率高，具有很强的抗码间干扰和信道选择性衰落能力。 OFDM最初用于高速MODEM、数字移动通信和无线调频信道上的宽带数据传输，随着IEEE802.11a 协议、BRAN(Broadband Radio Access Network)和多媒体的发展，数字音频广播(DAB)、地面数字视频广播((DVB-T)和高清晰度电视((HDTV)都应用了OFDM技术。 OFDM利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换(IDFT/DFT)代替多载波调制和解调，调制解调的核心是快速傅立叶运算单元，在进行蝴蝶运算时，不可避免的要进行大量的乘法运 算。由于FPGA具有强大的并行处理和计算能力，以及丰富的存储资源和逻辑运算资源，因此在FPGA器件上实现OFDM调制解调结构，具有很好的通用性和灵活性。 OFDM与系统框图 OFDM的多个载波相互正交，一个信号内包含整数个载波周期，每个载波的频点和相邻载波零点重叠，这种载波间的部分重叠提高了频带利用率。OFDM每个子信道的频谱均 为sinx/x形，各子信道频谱相互交叠，但在每个子信道载频的位置来自其他子信道的干扰为零，如图1所示。 A图2QFDM ,系统堰图 OFDM系统如图2所示，OFDM系统的调制和解调分别由IFFT和FFT完成。首先将串 行输入数据d0, d1..., d(N-1)变换成并行数据，接下来进行编码和星座图映射，得到频域数据。经过IFFT后相当于调制到正交的N个f0, f1，…，fN-1子载波，完成正交频分复用。接下来加入循环前缀，进行并 /串转换，数/模转换，再调制到高频载波上发送。如果是基带传输，则不需要进行载波调制。 在接收端进行相反的操作，使用N个相同的子载波进行N路解调，再将这N路解调信 号并串输出，复现发送的原始信号。经过FFT变换后的数据相当于将时域数据再转换成频 域数据，即完成了OFDM信号的解调。 OFDM调制原理虽然是用N个正交的载波分别调制N路子信道码元序列，但实际中很难独立产生N个正交的载波。所以OFDM多采用VLSI技术，用FFT代替多载波调制和解调。当子信道数目比较多的时候，采用FFT可以大大减少系统的复杂度。而FPGA的并行 乘法器和加法器结构容易硬件实现OFDM的核心运算，有效地提高了OFDM调制解调速度。 软件仿真与设计 随着FPGA和VLSI的发展，大量的EAB（嵌入式阵列块）、LE（逻辑单元）、内嵌乘法器和高速FIFO存储器带来了OFDM/COFDM 的实用化，为OFDM提供了硬件支持。软件上可以采用MATLAB、硬件描述语言VHDL、Quartusn等软件进行仿真与设计。 仿真过程中采用了随机信号作为输入信号，经过4QAM编码映射后进行再IFFT调制， 然后进入信道进行数据传输，每帧信号为512点；同时采用简单的11点数字离散信道，其值为：［0.05 -0.063 0.088 -0.126 -0.25 0.9047 0.25 0 0.126 0.038 0.088］。 在一般OFDM系统中为使IFFT和FFT前后的信号功率保持不变，当N=2m（m为正整数）时，作如下定义： I IV-I FFT■=y ) (1)
湖南工业大学学报Journal of Hunan University of Technology Vol.24 No.3May 2010 第24卷 第3期2010年5月基于ＯＦＤＭ的调制解调技术 刘俊萍 （湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412008） 摘要：介绍了OFDM 调制解调技术的基本原理及算法，基于IP Core-Xilinx Fast Fourier Transform V3.2软件， 设计了OFDM 调制解调系统各模块参数及硬件结构，并利用matlab 仿真验证了系统结构和各算法设计的正确性。 关键词：OFDM 调制解调；FFT ；matlab 仿真 中图分类号：TN915.05 文献标志码：A 文章编号：１６７３-９８３３（２０１０）０３-００６０-０３ OFDM-Based Modulation and Demodulation Techniques Liu Junping （College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology ，Zhuzhou Hunan 412008，China ） Abstract ：The basic principle and algorithms of OFDM modulation and demodulation are introduced. Based on IP Core-Xilinx Fast Fourier Transform V3.2, the module parameters and hardware structure of OFDM modution and demodution system are designed. And the system structure and algorithm design correctness are simulated with matlab. Keywords ：OFDM modulate and demodulate ；fast fourier transform ； matlab simulation 收稿日期：2010-03-19 通信作者：刘俊萍（1980-），女，山西五寨人，湖南工业大学教师，硕士，主要研究方向为电力电子与电子信息，E-mail ：42817805@https://www.doczj.com/doc/ec6439838.html, OFDM （orthogonal frequency division multiplexing ，即正交频分复用技术）是一种高效的多载波调制技术[1]，它能够有效地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。其主要思想是在信号传输频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用1个子载波进行调制，且各子载波并行传输[2]。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为单一的信号，从而完成信号的传送。 １ＯＦＤＭ调制解调基本原理 OFDM 是一种无线环境下的高速传输技术。无线 信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而根据OFDM 技术的特点，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽， 因此就可较好地消除信号波形间的干扰。由于在OFDM 系统中各子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不仅减小了子载波间的相互干扰，同时还提高了频谱利用率。 OFDM 增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用，但在多载波的OFDM 系统中，只会有一小部分载波受影响。通过合理地挑选子载波位置，可使OFDM 的频谱波形保持平坦，同时保证了各载波之间的正交。OFDM 的接收机实际上是通过FFT （fast fourier transform ，即快速傅里叶变换）实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频，然后在1个码元周期内积分，其它载波信号因其与所积分的信号正交，故不会对信息的提取产生影响。OFDM 的数据传输速率与子载波数量有关。
1.OFDM调制/解调 1.1.概述 1.1.1.OFDM调制基本原理 如图OFDM调制的过程就是将待发送的多个数据分别与多路子载波相乘合成基带复信号s(t)的过程，而OFDM解调的过程就是由复信号s(t)求解傅立叶系数的过程。复信号s(t)是时域信号，而傅立叶系数就是频域的数据。需要明确的是：对于OFDM调制来讲，输入的数据是频域数据，而输出是S(t)就是时域数据；对于OFDM解调来讲，输入的s(t)是时域信号，而输出的数据就是频域数据。当使用IDFT/DFT实现OFDM调制/解调的时候，IDFT的输入是频域数据，输出是时域数据；DFT的输入是时域数据，输出是频域数据。 基于快速离散傅里叶变换的产生和接收OFDM信号原理：在发射端，输入速率为Rb的二进制数据序列先进行串并变换，将串行数据转化成N个并行的数据并分配给N个不同的
子信道，此时子信道信号传输速率为Rb/N。N路数据经过编码映射成N个复数子符号Xk。(一个复数子符号对应速率为Rb的一路数据)随后编码映射输出信号被送入一个进行快速傅里叶逆变换IFFT的模块，此模块将频域内N个复数子符号Xk变换成时域中2N个实数样值Xk。（两个实数样值对应1个复数子符号，即对应速率为Rb的一路数据）由此原始数据就被OFDM按照频域数据进行处理。计算出的IFFT变换之样值，被一个循环前缀加到样值前，形成一个循环扩展的OFDM信息码字。此码字在此通过并串变换，然后按照串行方式通过D/A和低通滤波器输出基带信号，最后经过上变频输出OFDM信号。 1.1. 2.OFDM的优缺点 1.1. 2.1.OFDM优点 1.1. 2.1.1.频谱效率高 由于FFT处理使各个子载波可以部分重叠，因为理论上可以接近乃奎斯特极限。以OFDM 为基础的多址技术OFDMA（正交频分多址）可以实现小区内各用户之间的正交性，从而避免用户间干扰。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。 1.1. 2.1.2.带宽扩展性强 由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性。小到几百kHz,大到几百MHz，都很容易实现。尤其是随着移动通信宽带化（将由5MHz增加到最大20MHz）,OFDM系统对大带宽的有效支持，称为其相对于单载波技术的“决定性优势”。 1.1. 2.1. 3.抗多径衰落 由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看做水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着宽带的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽（如20MHz）。
现代社会对通信的依赖和要求越来越高，于是设计和开发效率更高的通信系统成了通信工程界不断追求的目标。通信系统的效率，说到底是频谱利用率和功率利用率。特别是在无线通信的情况下，对两个指标的利用率更高，尤其是频谱利用率。于是，各种各样具有较高频谱效率的通信技术不断被开发出来，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)是一种特殊的多载波调制技术，它利用载波间的正交性进一步提高频谱利用率，而且可以抗窄带干扰和抗多经衰落。OFDM通过多个正交的子载波将串行数据并行传输，可以增大码元的宽度，减少单个码元占用的频带，抵抗多径引起的频率选择性衰落，可以有效克服码间串扰，降低系统对均衡技术的要求，是支持未来移动通信，特别是移动多媒体通信的主要技术之一。 1 OFDM基本原理 一个完整的OFDM系统原理如图1所示。OFDM的基本思想是将串行数据，并行地调制在多个正交的子载波上，这样可以降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和干扰能力，同时由于每个子载波的正交性，大大提高了频谱的利用率，所以非常适合移动场合中的高速传输。
在发送端，输入的高比特流通过调制映射产生调制信号，经过串并转换变成N条并行的低速子数据流，每N个并行数据构成一个OFDM符号。插入导频信号后经快速傅里叶反变换(IFFT)对每个OFDM符号的N个数据进行调制，变成时域信号为： 式中：m为频域上的离散点；n为时域上的离散点；N为载波数目。为了在接收端有效抑制码间干扰(InterSymbol Interference，ISI)，通常要在每一时域OFDM符号前加上保护间隔(Guard Interval，GI)。加保护间隔后的信号可表示为式(2)，最后信号经并／串变换及D／A 转换，由发送天线发送出去。
1.OFDM调制/解调 1.1. 概述 1.1.1.OFDM调制基本原理 如图OFDM调制的过程就是将待发送的多个数据分别与多路子载波相乘合成基带复信号s(t)的过程，而OFDM解调的过程就是由复信号s(t)求解傅立叶系数的过程。复信号s(t)是时域信号，而傅立叶系数就是频域的数据。需要明确的是：对于OFDM调制来讲，输入的数据是频域数据，而输出是S(t)就是时域数据；对于OFDM解调来讲，输入的s(t)是时域信号，而输出的数据就是频域数据。当使用IDFT/DFT实现OFDM调制/解调的时候，IDFT 的输入是频域数据，输出是时域数据；DFT的输入是时域数据，输出是频域数据。 基于快速离散傅里叶变换的产生和接收OFDM信号原理：在发射端，输入速率为Rb 的二进制数据序列先进行串并变换，将串行数据转化成N个并行的数据并分配给N个不同的子信道，此时子信道信号传输速率为Rb/N。N路数据经过编码映射成N个复数子符号Xk。(一个复数子符号对应速率为Rb的一路数据)随后编码映射输出信号被送入一个进行快速傅里叶逆变换IFFT的模块，此模块将频域内N个复数子符号Xk变换成时域中2N个实数样值Xk。（两个实数样值对应1个复数子符号，即对应速率为Rb的一路数据）由此原始数据就被OFDM按照频域数据进行处理。计算出的IFFT变换之样值，被一个循环前缀加到
样值前，形成一个循环扩展的OFDM信息码字。此码字在此通过并串变换，然后按照串行方式通过D/A和低通滤波器输出基带信号，最后经过上变频输出OFDM信号。 1.1. 2.OFDM的优缺点 1.1. 2.1. OFDM优点 1.1. 2.1.1.频谱效率高 由于FFT处理使各个子载波可以部分重叠，因为理论上可以接近乃奎斯特极限。以OFDM为基础的多址技术OFDMA（正交频分多址）可以实现小区内各用户之间的正交性，从而避免用户间干扰。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。 1.1. 2.1.2.带宽扩展性强 由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性。小到几百kHz,大到几百MHz，都很容易实现。尤其是随着移动通信宽带化（将由5MHz增加到最大20MHz）,OFDM系统对大带宽的有效支持，称为其相对于单载波技术的“决定性优势”。 1.1. 2.1. 3.抗多径衰落 由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看做水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着宽带的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽（如20MHz）。 1.1. 2.1.4.频谱资源灵活分配 OFDM系统可以通过灵活地选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。 1.1. 2.1.5.实现MIMO技术较简单 由于每个OFDM子载波内的信道可看做水平衰落信道，因为多天线（MIMO）系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平（随着天线数量呈线性增加。）相反，单载波MIMO 系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于MIMO技术的应用。
无线通讯OFDM调制技术介绍和设计实现 OFDM是现代宽带 图1：3GPP LTE下的帧结构1，可用于TDD、FDD系统。 图2：3GPP LTE下的帧结构2，可用于TDD系统。 OFDM调制的实现 下面将讨论如何实现OFDM调制及解调中循环前缀的插入与消除。 FFT与FFT反变换：在OFDM调制中最关键的运算就是IFFT，相类似，OFDM解调的核心为FFT。宽带系统中的高FFT吞吐率是至关重要的，尤其是在FFT被多路数据通道共享时。 在WiMAX以及3GPP LTE这类现代可扩展无线系统中，在运行中可重新配置的能力同样成为系统要求的一个重要指标。可变流模式下的FFT MegaCore函数瞄准的是可重新配置的无线 FFT的MegaCore函数被设定为可变流模式，它允许FFT的大小和方向逐包改变。它还采用了存储效率模式——这是FFT核的唯一模式，直接从FFT的蝶形引擎中输出位反转符号。可以在FFT核之外结合带有循环前缀插入的位反转。这样，整个OFDM调制可以节省出一个单缓冲器。 FFT模块复用：为了减少逻辑门数，FFT模块通常采用比其他基带模块更快的时钟频率并复用。FFT模块可以被不同的源共享，譬如，多路天线、时分双工(TDD)复用中的发射与接收，以及频分双工(FDD)系统。FFT模块也可以与其他功能模块共享，如振幅因数减小或信道估计模块。不过，这些复用取决于用户特定的算法，而非通用设计。这篇文章将集中讨论最常见的无线通讯系统应用：如MIMO技术、TDD和FDD通信。 TDD操作：在TDD基站中，发送和接收发生在不重叠的时隙中。FFT模块可以很容易地在采用合适的信号多路复用技术的发射机和接收机之间共享。图3显示一个典型的单一天线TDD OFDM调制器。 图3：单天线TDD系统中OFDM调制解调的共享。
OFDM 基本原理概述 设OFDM 信号的符号周期为T ，当N 个子载波的频率之间的最小间 N 表示子信道的个数，T 表示OFDM 符号宽度，i d (i =0,1,…,N-1)是分配给每个子信道的数据符号，0f 是第0个子载波载波频率，则从t=s t 开始的OFDM 符号可以表示为 100exp 2()(),()0,N i s s s i i d j f t t t t t T s t T π-=??? +-≤≤+???=????? ∑其它 它的等效基带信号是 1 ()exp 2(),N i s s s i i s t d j t t t t t T T π-=?? =-≤≤+????∑ 式中实部和虚部分别对应于OFDM 符号的同相和正交分量，是集中可以分别与相应子载波 的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM 符号。
信号解调，接收第k 路子载波信号 k d 与第k 路解调载波exp[2()]s j t t T π--相乘，得到的结果在符号持续时间T 内进行积分，即可获得相应的发送信号k d 1^ 0101exp 2()exp 2()1exp 2()s s s s N t T k s i s t i N t T i s t i k k i d j t t d j t t dt T T T i k d j t t dt T T d πππ-+=-+=???? = ---???????? -??=-???? =∑?∑? OFDM 复等效基带信号可以采用离散傅立叶逆变化(IFFT)方法来实现。令s t =0，t=/kT N (k=0,1,….,N-1)， 即对s(t)以 T/N 的速率进行抽样可以得到 1 2()(/)exp N i i ki s k s kT N d j N π-=?? == ???∑ 01k N ≤≤- 式中s(k)即为i d 的IDFT 运算。接收端为恢复出原始的数据符号i d ，可以对s(k)进行DFT 运算，得到1 2()exp N i i ki d s k j N π-=?? = - ???∑ 01i N ≤≤- OFDM 文章,时间连续系统模型时，发射机发射的第K 个载波波形时,