基于802.16e的OFDM調制解調技術的研究

曹型兵， 鄧小科， 劉珊珊， 辛 茂

（重慶郵電大學 通信應用研究所，重慶 400065）

0 引言

OFDM技術并不是一項新技術，它是最近幾年由于快速傅里葉變換（FFT）[1]在 OFDM 之中的成功應用，從而大大的降低了設備的生產成本，才在最近幾年里得到了廣泛的應用。其實，FFT就是一種數字調制技術[2]，現代通信技術隨著數字調制技術的出現，在有限的帶寬內傳輸高速的數據已成為可能，并且與過去使用的模擬調制，如調幅（AM）和調頻（FM），頻移鍵控（FSK）等技術相比有更高的可靠性和抗干擾性。這是因為，數字調制方式和以往的模擬調制方式相比調制效率高和調制后的信息攜帶的信息量更大，對于相同碼元速率來說，經過數字調制的信息傳輸速率更快。循環前綴[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，但是循環前綴的引入，同時也帶來了另一個問題就是增加了發射信號的能量浪費，但是對于整個通信系統來說，這樣的能量浪費是值得的，因為系統以犧牲部分發射信號能量損失而獲取系統誤碼率的下降，提高了通信系統的可靠性。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性能的影響，這是因為OFDM能將高速串行碼流轉變成許多相對低速的數據流進行并行傳送，使得碼元周期很長，因而當無線信道中出現快衰落時，并行的碼元只是輕微的受損，對系統性能的影響很小。

1 OFDM技術原理簡介

OFDM實際上就是將一個物理信道分成若干個相互正交的子信道，然后將要發送的串行的高速數據流轉換成并行的低速子數據流，再將這些低速的子數據流調制到每個子信道上進行傳輸。對于OFDM 系統來說[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，多徑所產生的后果就是用戶在接收端接收到的信號具有延遲，這樣就使得從發送端發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的性能急劇下降，問題嚴重時可能導致通信系統無法正常使用。為了解決這個問題，通過在OFDM符號中加入循環前綴，這樣使得符號間干擾全部落入該保護區域內，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的基帶系統接收發射框圖見圖1。

在OFDM系統中，一個OFDM符號內都包含周期數為整數倍的子載波，而且各個相鄰的子載波之間周期數相差為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。當把這N個子信道碼元分別調制在N個子載波頻率分別為f0,f1,…,fn,fN-1的頻率上時，假設最小的頻率為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。設用戶要發送的OFDM信號D(t)為：

而對于接收端，可以通過如下解調對接收到的信號進行處理：

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

2 OFDM不同調制方式性能仿真分析

在OFDM通信系統中對子載波的調制方式主要有兩種：一是相移鍵控(PSK)，二是正交幅度調制(QAM)。而對于PSK調制技術[8]，最常用的兩種調制技術就是BPSK和QPSK，BPSK是二相位調制，每個碼元只攜帶1 bit的信息，QPSK為四相位調制，每個碼元攜帶2 bit的信息。而QAM技術是綜合了ASK和PSK兩者的優點，它使得被調制的數據間有了最大的間距。對于被 QAM 調制過后的調制信號幅度和相位都攜帶有信息，對于M進制QAM中隨M值的增大，被調制的信號所攜帶的信息量也隨著增加[9]。但同時M越大，星座圖中各點的距離越小，誤比特率性能越差。圖2為在QPSK調制方式下，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調制方式下，系統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，調制后的信息在瑞利信道中傳輸時產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調制方式下，可以看到系統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 調制了的用戶信息流在瑞利信道中傳輸時產生的誤碼率要比在高斯白信道中產生的誤碼率大，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，從而導致在瑞利信道中傳輸的數據流的誤碼率大于高斯白信道中傳輸的數據的誤碼率。

圖3 16QAM在高斯白和瑞利信道中的誤碼率曲線

3 結語

通過對OFDM調制解調的理論和仿真結果分析可以得出，在相同信噪比條件下，采用QPSK這種低階調制方式來調制用戶的信息時，比采用更高階的16QAM和32QAM調制方式的誤碼率要小，但是攜帶的信息量也相對較少。這是因為QPSK調制方式在調制過程中用戶的信息在星座映射圖中相隔的比較遠，而在 QAM 調制中用戶的信息在星座映射中相隔比較近，這樣就導致相鄰信息之間容易產生影響，從而在系統性能仿真中反映為 QAM 調制方式的誤碼率比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通信系統中由于每個子信道可以選擇不同的調制方式，對于傳輸特性較好的子信道可采用效率較高的調制方式，而對于傳輸特性較差的信道則選用效率較低的調制方式，這樣就可以在一定程度上增加系統的信噪比，從而提高系統的可靠性。正是由于OFDM系統的這些優勢，OFDM技術現已經被國際電信聯盟規定為第四代移動通信的核心技術。

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