相干接收的光正交频分复用传输系统的设计仿真.doc

1、 摘 要随着通信技术的飞速发展，宽带化成了下一代网络发展的趋势，相干光正交频分复用(CO-OFDM)技术成为了人们的焦点。CO-OFDM融合了OFDM技术和相干光通信技术的优点，可以有效的抑制色散，具有更高的光电频谱利用率和更好的信噪比特性。本文主要讲解了CO-OFDM传输系统的设计和仿真。具体是首先从电信号的OFDM调制开始进行理论分析，论述了OFDM调制系统的原理及它的关键技术，如：快速傅里叶变换、添加循环前后缀等，并通过MATLAB对部分的模块进行仿真。其次是对CO-OFDM系统展开原理分析和关键技术的分析，如：马赫增德尔调制器的原理、相关光检测的方法，并仿真出CO-OFDM系统。然后主

2、要着重于研究改变子载波数、系统中信噪比等参数对系统误码率的影响，这些通过观察星座图和计算误码率等方式得出结果。同时给对这些因素造成的结果进行分析。本次毕设成功的用MATLAB仿真平台仿真出了CO-OFDM系统，并且从系统中可以得到经过各个关键技术的调制后的时域、频域下的状态图和调制后的信号星座图等。仿真结果还验证了当改变系统调制方式的子载波数时对误码率的影响及信噪比改变对系统的容噪性的影响等。关键词：OFDM CO-OFDM 相干光 IFFT/FFT 循环前缀 The Design and Simulation of Coherent Optical Orthogonal Frequency

3、Division Multiplexing Transmission System AbstractWith the rapid development of communication technologies, broadband has become the trend of the development of next-generation networks.Coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM) technology has become the focus of the peopl

4、e. CO-OFDM combines the advantages of OFDM and coherent optical communication technology, can effectively inhibit the dispersion, a higher optical spectral efficiency and a better signal to noise ratio characteristics.This article explains the design and simulation of CO-OFDM transmission system. Co

5、ncrete from the electrical signals of the OFDM modulation, the first theoretical analysis discusses the principle of the OFDM modulation system. Then explain its key technologies, such as: IFFT/FFT, CP and suffix on the part of the module through the MATLAB simulation. Followed by analysis of the CO

6、-OFDM system to expand the principles of analysis and critical technologies. Such as: the principle of the MZ Modulation, related to optical detection methods, and simulation of CO-OFDM system. Then main focued on research to change the number of subcarriers in the system signal and noise ratio and

7、other parameters on the BER, the results obtained by observing the constellation diagram and calculate the bit error rate. A result of these factors.Using MATLAB simulate the CO-OFDM system, and can be obtained from the system after the time-domain modulation of the key technologies, the state diagr

8、am in the frequency domain and modulation signal constellation. BER and SNR in the simulation results also verified when changing the modulation mode OFDM subcarrier number to change the system capacity of the noise impact.Keywords: OFDM ; CO-OFDM; coherent optical; IFFT/FFT; CP目 录1 引言11.1 CO-OFDM通信

9、系统的研究背景和意义11.2 CO-OFDM技术历史及目前的发展现状31.3 论文主要工作与章节安排42 电信号OFDM系统的设计与仿真52.1 OFDM技术的基本原理52.2 OFDM系统中的关键技术62.2.1 OFDM中子载波的调制62.2.2 DFT实现OFDM信号82.2.3循环前缀(CP)92.2.4 加窗技术112.3 OFDM技术应用的优缺点122.4 电信号OFDM系统的仿真结果分析132.4.1 MATLAB软件介绍132.4.2仿真结果分析143 CO-OFDM系统设计193.1 CO-OFDM系统原理193.2 CO-OFDM系统的关键技术203.2.1马赫增德尔调制器

10、的调制原理203.2.2 相干解调原理223.2.3系统调制方式分析233.3 CO-OFDM系统的优缺点264 CO-OFDM系统仿真与分析284.1 CO-OFDM系统仿真284.2 CO-OFDM系统参数改变对系统性能的影响334.2.1 16QAM下的容噪性能研究334.2.2 子载波数对传输性能的影响345 总结37谢辞38参考文献39附录40外文资料571 引言科 技的高 速发 展，使 得人 类社 会从一个信 息量流 传速度很 慢的时代进入了一个信 息流传速 度超快的信 息时代。随着笔 记本、平板电脑、手机等各种可以和互 联网任意相 连的设备的更新换代，无疑给人类的精 神领域带来了

11、新的体验。人们可以随时随地的，可以通过声音、视频短片、文字信 息等和互联网互联，达到信息共享。与此同时，人们也提 高了对通信业 务的速度和质量方面的要求。在引入的光 纤通信系统中，色 散等因素限制了其发展。为了有效的对抗色散引用了OFDM调制技术。OFDM 调制技术可 以用来克服光 纤的偏振 模色散和色度色 散以及多模 光纤的模间色 散的影响。近几年来基 于相干 光(CO)的正交频分复 用CO-OFDM技术又被独 立提出，在接收 端采用相 干光 检测的方式，不仅可以有效抑 制色散，而且可以获 得更高的频 谱利用 率，同时有更好的信 噪比，对信息的传输都很有利1。CO-OFDM结合了光纤通信中的

12、相干光检测和OFDM技术的特点，它们之间的协同作用是双 重的、互补的。相干系统带来了OFDM技术使线性系统计算效率高、信道简单并可进行相位估值，OFDM技术所需的线性。CO-OFDM被认为是对下一代的传输系统而言比较好的调制方式。 1.1 CO-OFDM通信系统的研究背景和意义自2004年，随着通 信技术的不 断进步和 社会信 息化程度的不断 提升，以及网络中一些新的数 据应用的业 务的不断发 展与成 熟(例如：网络中P2P，HD TV，VOD等应用)，人 类社会对于信息传 输带宽的需 求高速增 长。据统计，在过去5000年的文 字记 载总共是5个艾字节，而仅2010年一年，全 球产生的文字总

13、记 录就超过1000艾 字节。同时，近些年宽 带网络的发 展迅猛，电信运 营商提供的宽 带网络已经从过 去的512Kbit/s发 展到现在的10Mbit/s，甚 至100Mbit/s2。然而中 国电信又公 布新的宽 带提速计 划，计划在未 来几年，实现70%以上城 镇用户带 宽达到100Mb/S。带 宽的迅速增 大不仅促 进了各种对带 宽有较大要 求的网络应 用的普及，而 且给电信运 营商带来了新 的盈利模 式同时增长 了他们的业务点。最近几 年电信运营 商们先后提出“光 进铜退”战略，并持续实施。“光进铜退”战略是实施 宽带转型和固网宽带化的重要措施，采用无源 光纤网络(PON)技 术进行综

14、合接入网 络的光 纤到楼、光纤到 户(FTTH)的建设。2010年1月13日，国务 院总理温 家宝主持召 开国务院常 务会议，决定加 快推进广播电 视网、电信网和互 联网的三网融合。这将使 宽带市场的竞 争更加激烈，带宽需 求越来越大。由于多 媒体 和高 清视 频应 用的 日益 流行 ，在 互联 网上 传输 的数 据量 最近 几年 出现 了飞 速增 长。 思科 公司 做出 估计 ，在 20 12 年以 前， 全球 互联 网的 流量 将增 加到 目前 的流 量增 加一 倍有 余， 而且 随着 在线 视频 网站 的加 入他 们得 流行 程度 还会 进一 步增 加。 多媒 体的 发展 越来 越多 样

15、化 ，所 以造 成了 一个 数字 洪流 到来 的局 面， 人类 每年 都会 产生 超大 量的 数字 信息 内容 ，所 以电 信骨 干网 络的 流量 每年 会在 上一 年的 基础 上成 百倍 的增 长。 网络 流量 的增 长需 要提 高网 络带 宽， 而网 络带 宽之 所以 能够 不断 提速 则是 得益 于光 纤网 络的 光通 信技 术的 发展 。因 此， 超高 速、 超大 容量 已成 为现 在信 息传 送追 求的 目标 。物 理层 光纤 传输 系统 中， 单信 道光 传输 速率 达到 10 Gb it /s 后， 在传 统上 技术 水平 上， 这些 随着 技术 发展 而产 生的 容量 需求 主

16、要 依靠 波分 复用 (W DM )技 术来 消化 。正交 频分 复用 (O FD M) 是一 种传 输技 术， 它首 先在 无线 通信 领域 及铜 缆有 线通 信领 域得 到应 用。 这是 广为 人知 的频 分复 用( FD M) 技术的一个特例，其中数字或模拟数据被调制到特定数量的子载波上，并在同一个传输媒质中并行传输2。使用FDM的主要动机是，由于频域中数据的并行传输，每个信道只占用一个小频带，可以减小由传输信道的频率选择性(对应光纤的色散)而引起的信号畸变。OFDM具有频谱利用率很高的特点，而对于传统的FDM，频谱效率受限于用于解调的带通滤波器的选择特性2。OFDM被设计为具有不同的载

17、波两两相互正交的特点，如此，即使允许信道在频谱上混叠，在采样点出载波内串扰(ICI)仍可被抑制。节省的带宽频率频率FDM保护带OFDM图1-1 FDM与OFDM子载波谱的比较近年来，OFDM已成为数字光通信中一个极具吸引力的研究方向，这只是经典数字通信中的已知技术运用于光通信中这一发展趋势的有一个例子。OFDM的运用非常具有吸引力，因为单个OFDM子信道仅占据较少的带宽，这可以极大地提高传输系统抗色散的能力，使得40Gbps的高速率数据可以传输上百千米而不需要色散补偿。同样地，对于诸如DPSK或DQPSK这些近几年提出的调制格式，光通信系统的工程设计的挑战在于经典的技术适用于光信道的特殊特性及

18、光发送机和接收机的需求2。最近已经有两种方法的报道。Lorente等人给出一种直观的方法，它利用波分复用(WDM)技术本身已经实现了数据在一定数量的不同载波上的传输。通过采用特殊脉冲形状和选择载波的方法，可以实现不同波长信道之间的正交性，其结果就是所谓的正交WDM技术(oWDM)。但是，这样将无法通过离散傅里叶变换(DFT)来选择简单调制与解调，因为其中数字信号处理无法在光域实现。一个替代的、比较受欢迎的方法是，采用电信号处理的方法产生电OFDM信号，然后再将其调制到单个光载波上。这种方法称为光OFDM(OOFDM)。这里，调制分为两个步骤：首先，电OFDM信号已经是宽带带通信号，然后再调制到

19、光载波上。其次，为了提高数据的吞吐量，OOFDM可以与WDM结合，结果可以构成多Tbps的传输系统。但是OOFDM本身有不同的实现方法2。一个重要的原因是可以通过直接检测或通过采用本地振荡器的相干检测来实现光解调。直接检测通常更可取，因为比较简单。但是对于直接检测，必须调制光的强度。相干检测的带宽效率是直接检测的两倍。大量的研究表明：下一代超高速光传输系统的相干检测，DSP程序和光OFDM相结合的方案是应用于未来的高速光通信系统的首选方案。高速光传输系统的光OFDM通信系统主要包括相干光OFDM系统(CO-OFDM)，直接检测光OFDM系统中使用3。CO-OFDM的系统是本论文的研究对象。1.

20、2 CO-OFDM技术历史及目前的发展现状OFDM技术起源于20世纪50年代。1966年，OFDM概念被人引出，然后直到20世纪90年代，才达到了一个足够成熟的可以应用的标准。1977年，韦斯坦因(Weinstein)和艾伯特(Ebert)等人将离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)作为OFDM调制解调过程的处理数据的方法并添加进OFDM系统中，这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题。应用快速傅里叶变换更使得多载波传输系统的复杂度降低，使得OFDM技术开始走进实际的应用。到1980年，普莱德(Peled)和瑞兹(Ruiz)又在OFDM系统中添加了一个可以用来克服载波间干扰(Int

21、er-Carrier Interference，ICI)和符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)难题的新技术循环前缀。20世纪80年代以来，OFDM的调整技术一直是人们研究的热点。从此，OFDM技术的应用领域也更加的广泛，其中90年代以后，就涉及到了利用移动调频和单边带(SSB)信道进行高速数据通信等，特别是在无线本地局域网(WLAN)中得到的应用使得它成为以后的发展趋势。在近20年，OFDM技术得到了更加广泛的应用。随着第四代移动通信系统(4G)的兴起，用户要求信息传输拥有更大的带宽，可以更加有效的将互联网和无线通信以及多媒体通信相结合，实现传输图像、数据、

22、视频等的各种形式的多媒体业务，由于OFDM技术诸多优势，且能够满足用户目前甚至未来的需求，因此有望成为4G的核心技术和主要标准。2006年5月，澳大利亚墨尔本大学的Shieh等人首次提出了可以采用相干光OFDM技术来补偿由于色散在光纤传输的影响，并完成在单模光纤中传输速率为10Gbps的光OFDM信号传输距离达到1000km。2010年6月，Y.Tang、W.Shieh等人发表了在CO-OFDM系统关于实现传输速率为100Gbps的系统的仿真的文章。虽然国内对CO-OFDM技术的研究起步较晚，但是发展很迅速，国内相关单位和知名大学也对CO-OFDM系统进行实验研究。目前北京邮电大学在CO-OF

23、DM技术上取得了可观的成果，设计出了一套CO-OFDM软件仿真平台，通过仿真平台，对CO-OFDM系统进行了深入研究，国外很多的实验室己经通过硬件平台对CO-OFDM系统进行了超长距离仿真测试。CO-OFDM技术可以在传统的光网络基础上实现升级和扩容，因此CO-OFDM技术有着很好的应用前景3。1.3 论文主要工作与章节安排本论文以CO-OFDM通信系统为研究对象，首先研究了电信号OFDM技术基本原理，随着OFDM系统的组成介绍开始入手关键技术的研究。再利用MATLAB进行仿真，搭建完成OFDM仿真平台。然后深入研究了CO-OFDM的基本原理，在系统的组成部分中，OFDM系统是整个贯穿在CO-

24、OFDM系统中的，CO-OFDM系统是在OFDM系统的基础上，加了电/光转换和光/电转换模块，增加了光链路信道。本文也介绍了其中的关键技术：相关光检测技术和马赫增德尔调制器等。最后仿真出CO-OFDM系统平台，并对其进行研究。围绕上述工作，本论文共分为以下5章：1. 引言。本章对CO-OFDM技术有了一个大概的介绍，包括CO-OFDM的研究背景和意义方面的问题和CO-OFDM技术的当今发展现状以及它的发展历史进行了分析和介绍，提出了CO-OFDM技术是未来实现高速的光传输带的重要解决方案。2. 电信号OFDM系统设计与仿真。本章主要介绍了OFDM技术的基本原理其中的关键技术和OFDM技术的优缺

25、点，最后本章给出了OFDM系统仿真出的图形。进行理论方面的映射验证。3. CO-OFDM系统设计。本章介绍了CO-OFDM系统组成的原理图，以及系统中用到的关键技术。着重介绍了马赫增德尔调制器以及相干光检测的原理和数字调制16QAM的原理和方法。后来又阐述了CO-OFDM技术的优缺点。4. CO-OFDM系统仿真与分析。本章主要列出了CO-OFDM系统仿真过程中的主要仿真图，然后对系统中的一些参数进行改变，对比各个情况下的截图，得出了一些结论。5. 总结。对本论文的研究工作和成果进行全面的总结。2 电信号OFDM系统的设计与仿真2.1 OFDM技术的基本原理OFDM是一种特殊形式的多载波传输技

26、术，是一种信号调制技术，也是一种复用技术4。OFDM是由最初的频分复用(FDM)技术发展而来，OFDM技术的基本思想是先将输入的信号分割为个子信号，再利用数字信号处理技术对这些子信号进行逆傅立叶变换(IFFT)，这样可以产生一组正交的子载波，然后用这个子信号分别调制那个相互正交的子载波，完成高速串行数据流的串并转换，然后将这些数据分配到传输速率较低的若干个子载波上进行数据传输4。在多个子载波上同时传输的数据符号传输速率是相同系统数据速率的单载波传输系统的，子载波上的符号传输时间就是原来的倍。这样就实现了高速的数据传输同时还保证了数据符号持续时间大于信道的时延拓展，避免了由于信道均衡而出现的复杂

27、性。图2-1是OFDM系统的基本原理框图。图2-1 OFDM传输系统其中，上半部分对应于OFDM信号的发送端，下半部分对应于OFDM信号的接收端。发送端的二进制串行数据信息经过数字调制，如M进制的QAM或者PSK的方法等，调制后的信息经过串并转换后则高速的信号就变成了多路的低速并行数据，经快速傅里叶反变换(IFFT)后将频域的信息转换成时域信息再经过串并转换后加入循环前后缀后产生出来的信号就是时域离散的OFDM信号5。接收端是发送端的一个反向的过程，完成的是OFDM信号的解调功能。信息传输的信道可以是有线传输也可以是无线传输，所以其传输介质就可以是光纤、自由空间等。2.2 OFDM系统中的关键

28、技术2.2.1 OFDM中子载波的调制最初实现OFD M技术采用的是子载 波调制的方 式，每个子载 波都可以采用正交振 幅调制(QAM)或者是相 移键 控(PSK)进行映 射，在这里我 们可以设为子载 波的个数，为第个子 载波的频 率，为OFDM符号的持 续时间，(i=0，1，N-1)为分 配给每个子信 道的数据符号，矩 形函数，则 从开始OF DM符 号可以表示为6： (2-1)将需要传 输的比 特信息分 配到每个子 载波上后我 们采用的某种数 字调制模 式就会将信 号映射为子载波的相 位和幅 度，得到的OF DM输出信 号可以用等效的基 带信号表 示为下式6： (2-2)串并转换并串转换信

29、道积分积分积分在这个式子中，的实 部和虚 部分别对 应的是OF DM信 号的同相(In-phase)分 量和正交(Quadrature-phase)分 量。在实际的应 用系统中，我们可 以用相应的子 载波的cos和sin分量相 乘来表示着两 个分量，构成最 终的合成的OFDM符 号和子信 道符号，其过 程运算可用图2-2表示如下：图2-2 OFDM子载波调制解调其中为 OFDM系统的子 载波个 数，为第个 子载 波上的数 据符号。OFDM系 统是将等 待传输的二进 制数据流映 射为，经过串 并转换后就 是将串 行数据 流变换成了并 行的数据 流，并将这些并 行的数据 流调制到了个子载 波上，最

30、后将这路信 号叠加构成了OF DM发 射信号。由式2-1可以看到OFDM符号在一个周 期内有很多的非 零子载波，因此其频 谱可以看做是周 期为的矩形脉 冲的频谱和一组位 于各个各个子载 波频率上的函 数卷积的结果，设该脉 冲的周期，这种函 数的零点出现在频 率为的整 数倍的位置上。在对OFDM符 号进行解调的时候，需要计 算这些点上所对应的每个子 载波频率的最大值，所以可 以从多个相互叠 加的子信 道符号中提取每一个子 信道符号，而不 会受到其他子 载波的干扰。图2-3 OFDM系统中子信道符号的频谱图2-3为包 含多个子载 波的OFDM信号频 谱图。可以看出假 设脉冲周 期为则函 数的零点会

31、出 现在频率为整数 倍的位置上，那么其他子 载波在这个频率点上的贡 献值为零，不会影 响该点的取 值。以此保证子 载波之间不 存在相 互干扰。OFDM信号频 谱都具有正 交特性，是因为每个OFDM符 号周期内都包含整数倍个子载 波的周期，且相邻子载 波之间相差一个周 期。多个子载 波之间没有存在干扰，当其中某个子 载波的功率到波 峰时候，其他的子载 波的功 率就会为零。每个子载 波在OFDM符 号周期内都包含整 数倍个周期，而且各个相 邻的子载波之间相 差一个周期。这一特 性可以解释子载 波之间的正 交性，即6： (2-3)例如，如果对式2-2中的第个子载波解调，然后在内进行积分，即： (2-

32、4)由式2-4可以得到，对第 个子载 波进行调制可 以恢复出期 望的信号，但是此时对于其他的子 载波来说由于积分间 隔之类的频 率偏差可以产生整 个倍数的周 期因此积 分结果为零。2.2.2 DFT实现OFDM信号傅里 叶变换将时域和频 域联系在一起，傅里 叶变换的形式有 多种，选择哪种形 式的傅里叶变 换要根据工作的具 体的环境决定。大多数的数 字信号处理都使用离散 傅里叶变换(DFT)。D FT是常规变 换的一种变化形式，其中，信 号在时域和频 域上均被采样。由DFT的定 义可以知道，其在时 间上波形连 续重复，因此导 致频域上的频 谱连续重复。快速傅 里叶变换(FFT)仅仅是DFT计 算

33、应用的一种快速的 数学方法，由于其高效性，使 得OFDM技 术的发展飞速。对于N值较大的系 统来说，式(2-2)中的OFDM复等 效基带信 号可以采用离散 傅里叶变换(IDF T)的方法实现。为了叙述的简洁，可以令式(2-2)中的=0，并且忽略矩形函数，对于信号以的速 率进行抽样，即令，则得到下式6： (2-5)可以看到等效为对进行IDFT运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号，可以对进行DFT，得到下式： (2-6)根据以上分 析可以看到，OF DM系统的调 制与解调可 以分别由ID FT和DFT来代替。通过N点ID FT运算，把频 域信号数据符号变为时 域数据符号，经过射 频载波调制

34、后，发送到无 线信道中。其中每个ID FT输出的数 据符号都是由所有子载 波信号经过叠 加而生成的，即对连 续的多个经过调 制的子载 波的叠加信号进 行抽样得到的。在OFDM系 统的实际运用中ID FT和DFT都满足不了高 速数据信 号处理的要求，我们可以采用更加 方便快速的信号处 理方式快 速傅里叶反变换/变换(IF FT/FFT)技术，来产 生OFDM信号，这 样可以有效的降 低运算的复 杂程度。例如，对一个常用的基-2I FFT算法来说，复数乘法的次 数是，但是随着子载 波数的增加，这种算 法的复杂度也会显 著地增加。对于子载波数量非常大的OFDM系 统来说，可以进一步采用基-4IFFT

35、算 法来实施傅 里叶变换7。IFFT输出保护间隔IFFT输出保护间隔IFFT输出复制符号NFFT长度符号N-1符号N+1图2-4 OFDM信号组成示意图FF T算法的基本原 理是将较长序列的DFT分 解为多个较 短序列的D FT，可以分为按时 间抽取(DIT-FFT)和按频 率抽取(DIF-FFT)算法。按照不同的蝶 形，可以分为基-2、基 -4等算法，如下式6： (2-7)FFT/IF FT是实 现OF DM信号的核 心技术，所以OF DM系 统和传统的载 波系统相比在频 谱利用率和设 备复杂度等方 面都表现出了很 好的优越 性。在系统中，IF FT的点 数决定了系统数 据并行传输的子载 波

36、数，对传输速 率没有影响但是可以影 响数据带 宽的使用。每个符 号传输的比 特数用表示，每个符号的时 间长度用表示，每个子 载波上的比 特数用表示，子 载波数目用表示，那么在O FDM系 统中每个符号传 输的比特数为： (2-8)可以看到影响数据带宽使用率的因素跟每个符号传输的信息量有关系，因此为了提高传输速率，我们可以增加和的数目。2.2.3循环前缀(CP)在OFDM系统中符号 分量之间由于 信道噪声等影 响，就有了符 号间干扰(I SI)和信道 间干扰(IC I)，这也是 由于信道的记 忆性或时延拓 展等因素造成 的结果7 。OFDM技 术的优势在于 通过把输入的 高速数据流并 行分配到N

37、个 相互正交并行 的子信道上以 此达到有效的 对抗多径时延 拓展的目的。 这样OFDM 的符号周期可 以扩大为原来 的数据符号周 期的N倍而多 径时延拓展和 符号周期的比 值降低了N倍 。为了最大消 除符号间干扰 ，可以在每个 OFDM符号 间插入保护间 隔(GI)， 要满足的条件 是保护间隔要 大于信道的时 延拓展，使符 号间不产生干 扰或产生的干 扰全部落在保 护间隔内，这 样在接收端可 以直接将保护 间隔去掉，不 会影响系统的 传输，简化了 均衡运算的复 杂度。在OF DM系统中， 使用循环前缀 作为保护间隔 ，将宽度为 的OFDM符 号进行周期拓 展，保护间隔 用拓展信号来 填充。其原

38、理 图如下所示： 图 2-5 循环 前缀(CP) 的添加示意图 如果为了保 证ISI和I CI的降低， 在频谱利用率 的要求不高的 情况下，我们 可以采用循环 前缀和循环后 缀作为保护间 隔，如图2- 6所示： 图2- 6 添加了循 环前缀和循环 后缀的OFD M符号而在 实际的系统中 ，OFDM符 号传送前需要 先加入循环前 缀，接收端接 收到了OFD M信号后，先 将符号开始的 长度的序列 去掉，剩下的 长度为的部 分再进行FF T运算，实现 OFDM符号 解调功能。O FDM符号内 加入循环前缀，可以保证一个OFDM符号周期内，时延小于的时延符号不会在解调过程中产生ICI，这是因为数据流

39、通过信道后，接收的信号相当于发送信号与信道冲击响应的线性卷积，而循环前缀则是将线性卷积转化为了循环卷积，在保证子载波之间正交性的前提下，理论上最大限度的消除了ISI和ICI。2.2.4 加窗技术根据式(2-1)，假设=0，可以得到功率归一化的OFDM信号的复包络6 (2-9)其中，为功率归一化因子。OFDM符号的功率谱密度1为 (2-10)根据OFDM符 号的功率谱 密度，其带外功 率谱密度衰 减比较慢，即带外 辐射功率比 较大。随着子 载波数量的增 加，因为每个子 载波功率谱密 度主瓣和旁 瓣变窄，所以OF DM符号功率 谱密度的下 降会逐渐增 加。但是为了让带 宽之外的功率 谱密度下降的更

40、快，需要对OFD M符号采用“加 窗”技术。这就意味着令符号周 期边缘的幅度值逐渐过 渡到零。通常采用的窗函 数类型为升余 弦函数，其定义如下6： (2-11)式中，为加窗前的符号长度，而加窗后的符号长度为，从而允许在临时符号之间存在相互覆盖的区域。经过加窗处理后的符号如图2-7所示：图2-7 经过加窗处理后的OFDM符号示意图实际上，一个OFDM符号的形成可以遵循以下过程：1. 在个经过数字调制的符号后面补零，构成个输入样值序列，然后可以进行IFFT运算。2. 经过运算输出的最后个样值插入到OFDM符号的最前面，而且IFFT输出的最前面个样值被插入到OFDM符号的最后面。3. OFDM符号与

41、升余弦加窗函数时域相乘，系统的带外功率可以快速下降。2.3 OFDM技术应用的优缺点OFDM系统有很多的优点，所以才得以广泛的应用，主要优势如下：1. 抗频率选择性衰 落和窄带 干扰能力 强。在多 载波系统 中，只有 少部分的 子信道受 到干扰， 而在单载 波系统中 ，单次的 衰落或干 扰就会导 致整个通 信链路的 失败。O FDM技 术是把信 息通过多 个子载波 系统传输 ，所以每 个子载波 上的信号 时间比同 速率的单 载波系统 上的信号 时间长很 多倍，加 上子载波 的联合编 码，达到 了子信道 间的频率 分集的作 用，使O FDM对 脉冲噪声 (Imp ulse Nois e)和信 道

42、快速衰 落的抵抗 力更强。 OFDM 技术特别 适合使用 在高层建 筑物、居 民密集和 地理上突 出的地方 以及将信 号散播的 地区。因 此，如果 衰落不是 特别严重 ，就没有 必要再添 加时域均 衡器。2. O FDM系 统的频谱 利用率很 高。传统 的频分复 用(FD M)多载 波调制技 术中各个 子载波的 频谱是互 不重叠的 。同时， 为了减少 各子载波 之间的相 互干扰， 子载波之 间需要保 留足够的 频率间隔 ，频谱利 用率较低 ，而OF DM允许 重叠的正 交子载波 作为子信 道，并且 在整个符 号周期内 满足正交 性，不但 减小了子 载波间的相互干扰，还大大减少了保护带宽，极大提

43、高了频谱利用率。这样就可以解决未来无线电频谱资源紧张的问题8。3. 适合高速数据传输 。OFD M自适应 调制机制 使不同的 子载波可 以按照信 道情况和 噪音背景 的不同使 用不同的 调制方式 。当信道 条件好的 时候，采 用效率高 的调制方 式。当信 道条件差 的时候， 采用抗干 扰能力强 的调制方 式。再有 ，OFD M加载算 法的采用 ，使系统 可以把更 多的数据 集中放在 条件好的 信道上以 高速率进 行传送。 因此，O FDM技 术非常适 合高速数 据传输。 4. 抗码间干 扰(IS I)能力 强。码间 干扰是数 字通信系 统中除噪 声干扰之 外最主要 的干扰， 它与加性 的噪声干

44、 扰不同， 是一种乘 性的干扰 。造成码 间干扰的 原因有很 多，实际 上，只要 传输信道 的频带是 有限的， 就会造成 一定的码 间干扰。 OFDM 由于采用 了循环前 缀，对抗 码间干扰 的能力很 强。但 是由于系 统中存在 多个正交 的子载波 而且输出 信号是多 个子信道 的叠加， 因此还存 在以下缺 点：1 . 易受 频率偏差 的影响。 OFDM 技术区分 各个子信 道的方法 是利用各 个子载波 之间严格 的正交性 ，这就对 它们之间 的正交性 提出了严 格的要求8。然而由于无线性信道存在时变 性，在传 输过程中 会出现无 线信号的 频率偏移 ，如多普 勒频移， 或者由于 发射机载 波

45、频率与 接收机本 振荡器之 间存在的 频率偏差 ，频偏会 使各个子 载波之间 的正交特 性恶化， 导致子信 道之间的 信号相互 干扰(I CI)， 仅仅1 的频偏就 会使信噪 比下降3 0dB， 所以OF DM对频 偏很敏感 。2. 功率的 峰值与均 值比(P APR) 大导致射 频放大器 的功率效 率较低。 与单载波 系统相比 ，由于多 载波调制 系统的输 出是多个 子信道信 号的叠加 ，因此如 果多个信 号的相位 一致时， 导致出现 较大的峰 值平均 功 率(PA R)。这 样就对与 单载波系 统相比， 由于OF DM信号 是由多个 子载波信 号的叠加 ，这样的 合成信号 就有可能 产生比

46、较 大的峰值 功率，也 就会带来 较大的峰 值均值功 率比，简 称峰均值 比。因此 在有个 子载波的 OFDM 系统中， 若个信 号的相 位 一致时， 所得到的 叠加信号 的瞬时功 率就是均 值功率的 倍，虽 然这个是 极端的情 况，但只 要过高峰 均值比就 会对发射 机内放大 器的线性 提出很高的要求，导致 射频信号放大器的 功率效率降低。如果放大 器的动态范围不能满足信 号的变化，则会给信号带来畸变，使得叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统线性性能恶化。2.4 电信号OFDM系统的仿真结果分析2.4.1 MATLAB软件介绍MATLAB是

47、由matrix和laboratory两个英文单词的前三个字母组合而成，是“Matrix Laboratory”的缩写，意为“矩阵实验室”，它是MathWorks公司于1984年推出的一套高性能的数值计算可视化软件，集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，被誉为“巨人肩上的工具”，是当今美国很流行的科学计算软件。信息技术、计算机技术发展到今天，科学计算在各个领域得到了广泛的应用在许多诸如控制论、时间序列分析、系统仿真、图像信号处理等方面产生了大量的矩阵及其相应的计算问题。自己去编写大量的繁复的计算程序，不仅会消耗大量的时间和精力，减缓工作进程，而且往往质量不高9。美国Mathwork软件公司推出的MATLAB软件就是为了给人们提供一个方便的数值计算平台而设计的。MATLAB是一个交互式的系统，它的基本运算单元是不需指定维数的矩阵，按