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)椋瑪?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，對于相同碼元速率來說，經(jīng)過數(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題，但是循環(huán)前綴的引入，同時也帶來了另一個問題就是增加了發(fā)射信號的能量浪費(fèi)，但是對于整個通信系統(tǒng)來說，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線信道的多徑傳輸而引起的信道快衰落對通信系統(tǒng)性能的影響，這是因?yàn)镺FDM能將高速串行碼流轉(zhuǎn)變成許多相對低速的數(shù)據(jù)流進(jìn)行并行傳送，使得碼元周期很長，因而當(dāng)無線信道中出現(xiàn)快衰落時，并行的碼元只是輕微的受損，對系統(tǒng)性能的影響很小。

1 OFDM技術(shù)原理簡介

OFDM實(shí)際上就是將一個物理信道分成若干個相互正交的子信道，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)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸。對于OFDM 系統(tǒng)來說[4]，由于各個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子載波間的載波間干擾，同時還提高了頻譜利用率。由于無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具有延遲，這樣就使得從發(fā)送端發(fā)送的信號的正交性遭到破壞，由于各個子載波之間不再相互垂直了，這樣就造成了所共知的符號間干擾(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，問題嚴(yán)重時可能導(dǎo)致通信系統(tǒng)無法正常使用。為了解決這個問題，通過在OFDM符號中加入循環(huán)前綴，這樣使得符號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，就可以消除符號間干擾的影響了，其中OFDM的基帶系統(tǒng)接收發(fā)射框圖見圖1。

在OFDM系統(tǒng)中，一個OFDM符號內(nèi)都包含周期數(shù)為整數(shù)倍的子載波，而且各個相鄰的子載波之間周期數(shù)相差為1，可以用這個特性來解釋OFDM中各個子載波間的正交性[8]，即滿足:還能從頻域角度來解釋OFDM符號中的子載波之間的正交性。當(dāng)把這N個子信道碼元分別調(diào)制在N個子載波頻率分別為f0,f1,…,fn,fN-1的頻率上時，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D(t)為：

而對于接收端，可以通過如下解調(diào)對接收到的信號進(jìn)行處理：

從上面的理論分析可以知道，在一個OFDM符號周期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，滿足相干解調(diào)的條件[5]，X'( m)=X( m), m=0,1,2,…,N -1，就可以通過相干解調(diào)在接收端將發(fā)送端的信息解調(diào)出來；而當(dāng)n≠m時，不滿足相干解調(diào)的條件，無法在接受端將原始信息解調(diào)出來，這樣就在接收端完成了需要的有用的信號的提取。

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，每個碼元只攜帶1 bit的信息，QPSK為四相位調(diào)制，每個碼元攜帶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。對于被 QAM 調(diào)制過后的調(diào)制信號幅度和相位都攜帶有信息，對于M進(jìn)制QAM中隨M值的增大，被調(diào)制的信號所攜帶的信息量也隨著增加[9]。但同時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，信號的噪聲功率會有所下降，這樣一來使得信號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產(chǎn)生的誤碼率明顯要比高斯白信道中的誤碼率大，這說明了在QPSK調(diào)制方式下，瑞利信道對用戶信息的影響要大于高斯白信道對用戶信息的影響。

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，這說明了瑞利信道對用戶信息流的影響要大于高斯白信道對用戶信息流的影響，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

通過對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)制方式來調(diào)制用戶的信息時，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較少。這是因?yàn)镼PSK調(diào)制方式在調(diào)制過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隨之減小。在OFDM通信系統(tǒng)中由于每個子信道可以選擇不同的調(diào)制方式，對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，OFDM技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)被國際電信聯(lián)盟規(guī)定為第四代移動通信的核心技術(shù)。

[1] 趙婧華,酆廣增.OFDM—第四代無線通信的技術(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].中國有線電視，2002(07)：32-35.

[3] 佟學(xué)儉,羅濤.OFDM移動通信技術(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.