OFDM系统设计与仿真.doc

OFDM系统设计 1 OFDM帧结构设计 和许多数字通信系统一样，在OFDM系统中，被发送的信号也是以帧来组织在一起的。本文仿真时所采用的结构借鉴了802.11a标准，并对其进行了简化。每一个OFDM帧由多个OFDM符号组成，对QPSK调制采用每帧6个符号，对16QAM调制采用每帧3个符号。当FFT长度为64点时，每一个OFDM符号由一组长度等于52的子载波组成，其中48个子载波用来传输数据，4个子载波用来传输导频[35]。这里不作导频方面考虑，52个子载波均用来传输数据，每个符号的持续时间为Ts。每个符号由两部分组成：数据部分和保护间隔部分。传输数据部分的持续时间长度为TU，保护间隔持续时间长度为Tg，这也是本文前面所提到的在OFDM系统中起到很大作用的循环前缀所占的时间段。OFDM信号包含许多独立调制的载波，所以可以认为每一个OFDM符号是由许多个片组成，每一个符号中的一片可被看作是被调制在相应的子载波上。OFDM系统参数见表4－1。 2系统仿真流程 图4－1给出了本次仿真的流程图，为了详细说明数据在OFDM系统中传输的全过程，系统从最原始的模拟信号考虑。下面按照流程图介绍仿真过程的具体设计。 3信源编码 这里待传数据为一个模拟信号正弦波，从中均匀取出51个点，然后进行信源编码。信源编码采用常用的是DPCM编码。 3.1 DPCM原理 由于语音信号的相邻抽样点之间有一定的幅度关联性，所以可根据以前时刻的样值来预测现时刻的样值，只要传预测值和实际值之差，而不需要每个样值都传输这种方法就是预测编码。语音信号的样值可分为可预测和不可预测两部分。可预测部分(相关部分)是由过去的一些权值加权后得到的；不可预测的部分(非相关部分)可看成是预测误差。这样，在数字通信中就不用直接传送原始话音信号序列，而只传送差值序列。因为差值序列的信息可以代替原始序列中的有效信息，而差值信号的能量远小于原样值，就可以使量化电平数减少，从而大大地压缩数码率[36]。在接收端只要把差值序列叠加到预测序列上，就可以恢复原始 序列。图4－2给出了差值脉码调制(DPCM)系统原理框图。 编码器中的预测器与解码器中的预测器完全相同。因此，在无传输误码的情况下，解码器输出的重建信号m?(n)和编码器的m?(n)完全相同。DPCM的总量化误差e(n)定义为，输入信号m(n)与解码器输出的重建信号m?(n)的差值。即有：()~ 量化误差只和差值信号的量化误差有关。图4－3说明了预测的原理。由图4－3可见，预测值跟踪输入信号抽样值变化。 3.2 DPCM编码过程 以两位编码N=2来说明DPCM的编码过程。由于N=2，所以误差信号的量化电平数M=2N=4。假设4个量化电平分别为＋3 Δv，＋Δv，－Δv和－3 Δv，它们分别由二进制脉冲(双极性信号)++，+－，－+，－－表示。误差信号ε（t）的抽样、量化和编码过程如图4－4所示。图4-4(a)表示对误差信号的抽样、量化，图中的空心圆点表示误差信号的抽样值，图中的实心圆点表示误差信号量化后的值。由图可见：当0≤ε(t)2Δv，量化为Δv；当-2Δv≤ε(t)0，量化为-Δv；当2Δ v≤ε(t)，量化为+3Δv；当ε(t)-2Δv，量化为-3Δv。 图4-4(b)表示经抽样与量化后的信号波形，图4-4(c)是编码器输出的DPCM编码。若设正脉冲表示二进制数字“0”，负脉冲表示“1”，则编码器输出的DPCM码为：010101000000000001101111。Fig4-4 sketch map of coding of DPCM在进行DPCM编码时，采用MATLAB自带的库函数进行。预测器采用一阶预测器，量化区间在[-1,1]，量化间隔为0.1。由于MATLAB自带的库函数dpcmenco.m将输入正弦波的采样点编码为十进制数字，需要编一个进制转换函数，将其转换为二进制的0、1代码。根据库函数的输出结果，将每个十进制数字转换为6位二进制数字可以满足条件。这样可以得到306个0、1代码，接下来进行信道编码。4信道编码 1信道编码与误码率 误码率是衡量通信系统性能的一个重要的指标，信道编码的主要目的就是为了将误码率降低到系统所要求的程度。误码率与多种因素有关系。根据信道编码定理可知:每个信道具有确定的信道容量（C），对于码率(R)和码长(n)都一定的分组码，若信道容量越大，则误码率越低。由信息论的基本理论可知，高斯白噪声信道的信道容量为： 式中:W是信道所能提供的带宽，Ps=Es/T是信号功率，Es是信号的能量，T是信号时长，Ps/W是单位信号的功率，N0是噪声功率谱密度，Ps/(W*N0)是信噪比Fig4-6 relation a 由以上的分析可知，为了满足一定的误码率，有两种方法，一种是增加C，增加C的方法是增加带宽和信