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1、分类号U D C密级Y8 1 7 1 4 0学侵论支基带o|F 阴通信系统设计及其仿真作者姓名董世篮指导导师姓名盔拯刖型垫拯盔a 垦盘堂焦!垦登生圭墨堡茔瞳望焦茎申请学位级别硕士学科类别墨鲎学科专业名称鎏焦曼焦!垦叠绫论文提交日期2 Q Q 生!旦论文答辩日期2 Q Q!：!学位授予日期一评阅人谢c*，答辩委员会主席垄 王科；孝、忡L东北大学2 0 0 5 年1 月未经作者、辱瘴同慧勿全文公布东北大学硕士学位论文摘要基带O F D M 通信系统设计及其仿真摘要在无线通信系统(特别是移动通信信道)中，存在着严重的频率选择性衰落、快衰落和慢衰落，以及各种噪声的干扰和多径传播下的码问串扰等问题。这些
2、问题都会严重地影响着通信系统的性能和质量。为了解决这些问题，许多新技术已成为研究的热点。正交频分复用(O r t h o g o n s lF r e q u e n c yD i v is i O nM u l t i P l e x i n g，O F D M)便是其中之一。本文详细分析、研究了该技术，并结合数字通信系统的相关技术以及O F D M 系统的典型模型仿真了一个基带O F D M 系统，并进行了性能分析。本文开始的部分简述了O F D M 技术的发展历程，以及O F D I 技术的优势所在。然后详细介绍了O F D M 系统的基本理论，并对现有的几种实现方法进行了讨论。按下来针
3、对基于F F T 算法的O F D M 系统，用S y s t e m V i e w 软件进行了仿真，包括信号源，调制解调，信道仿真以及误码率计算等模块，并得到了比较满意的结果。本文最后对该基带O F D I 仿真系统进行了测试，并结合S y s t e m V i e w 仿真模型，研究了各参数变化对系统性能的影响，对仿真结果进行了分析，得到了一般性结论。综上所述，本文完成了对基带O F D M 系统的仿真与分析，得到了大量的有用数据与结论，它们作为一个理论上的指导，可以减小许多不必要的设计开销。在广大科技工作者的努力之下，通过与新技术的结合，O F D M 技术将不断完善，其良好的性能预
4、示着它必将搠有一个更加广阔的前景。关键词：O F D M，通信系统仿真，Q A M 调制解调，循环前缀，多载波东北大学硕士学位论文A b s 仃a c tB a s e b a n dO F D MS y s t e mD e s i g na n dS i m u l a t i o nA b s t r a c tT h e r ea r es e v e r ep r o b l e m si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s(e s p e c i a l l yi nm o b i l ec o m m u
5、n i c a t i o nc h a n n e l)，s u c ha sf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g、f a s tf a d i n g、s l o wf a d i n g、a l ls o r t so f n o i s ei n t e r f e r e n c ea n dI C Ir e s u l to fm u l t i p a t hf a d i n g a l lo fw h i c hw i l la f f e c tt h ef u n c t i o na n dq u a l i t y
6、o ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m T ot a c k l et h ep r o b l e m s，m a n yn e wt e c h n i q u e sh a v eb e e no nt h ew a yo fr e s e a r c h O r t h o g o n a lF r e q u e n c yD i v i s i o nM u l t i p l e x i n g(O F D M)i so n eo ft h e m T h i st h e s i sh a si n v e s t i g a
7、t e dt h i st e c h n i q u ei ng r e a td e t a i l I nc o m b i n e dw i t hd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n dt h et y p i c a lm o d e lo fO F D Ms y s t e m，i th a sb u i l ta na r t i f i c i a lb a s e b a n dO F D Ms y s t e mt oa n a l y s i si t sf u n c t i o n T
8、h et h e s i sb r i e f l ys t a t e dt h eh i s t o r yo fd e v e l o p m e n tf o rO F D Mt e c h n i q u ea n da d v a n t a g e si nt h ef i r s tp a r t T h e n，i ti n t r o d u c e dt h eb a s i ct h e o r yo fO F D Ms y s t e m F i n a l l y,i td i s c u s s e ds e v e r a lw a y st h a tw eh
9、 a v en o wt or e a l i z ei t I nt h es e c o n dp a r t，a sf o rt h eO F D Ms y s t e mb a s e do nt h eF F Ta l g o r i t h m，w eu s e dt h eS y s t e m V i e ws o f t w a r et os i m u l a t e di t，i n c l u d i n gS o u r c e，M o d u l a t i o n，D e m o d u l a t i o n，c h a n n e l，e r r o rr
10、a t ec a l c u l a t i o n，a n dS Oo n H e r e，w ef i n i s h e dt h es i m u l a t i o na n da c h i e v e dt h ed e s i r e do u t c o m eb yw a y so fS y s t e m V i e w T os u mu p，t h et h e s i sa n a l y z e dt h es i m u l a t i o nf o rt h eb a s e b a n dO F D Ms y s t e m，g o tp l e n t y
11、o fu s e f u ld a t aa n dc o n c l u s i o n sw h i c hc o u l dc u to f fm a n yu n n e c e s s a r ye x p e n d i t u r e so nd e s i g ni fi ti st a k e na sat h e o r e t i c a lg u i d a n c e U n d e rt h eh a r dw o r ko fm a n yr e s e a r c h e r s，c o m b i n e dw i t hn e wt e c h n i q
12、u e s，t h eO F D Mi st oi m p r o v ec o n s t a n t l yw h o s ee x c e l l e n tf e a t u r ed e f i n i t e l ys h o w sab r o a d e rp r o s p e c ti nt h ed a y st oc o m e K e yw o r d s：O F D M，s y s t e ms i m u l a t i o n，Q A M，c y c l i c p r e f i x，m u l t i c a r r i e r独创性声明本人声明所呈交的学位
13、论文是在导师的指导。F 完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说弱并表示谢意。学位论文作者签名：影饬日期：耐、2、彬学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。(如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。)学位论文作者签
14、名：签字日期：导师签名：签字日期：东北大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论弟一旱三酉下匕在无线通信系统(特别是移动通信信道)中，存在着严重的频率选择性衰落、快衰落和慢衰落，以及各种噪声的干扰和多径传播_ F 的码间串扰等问题。这些问题都会严重地影响着通信系统的性能和质量。为了解决这些问题，许多新技术已成为研究的热点。正交频分复用(O r t h o g o n a lF r e q u e n c y D i v i s i o n M u l t i p l e x i n g，O F D M)便是其中之一。本文详细分析、研究了该技术，并结合数字通信系统的相关技术设计了一个基带O F D M
15、 系统，并进行了计算机仿真和性能分析。为最后实现O F D M 调制、解调模块及进一步的研究奠定了坚实的基础。1。1O F D M 技术的发展历程和应用前景自1 8 3 7 年最早的通信形式电报出现以来，通信已经逐渐融入了社会。随着通信技术的不断成熟发展，现代社会也正在高速发展。如今的通信传输方式日新月异，从最初的有线通信到无线通信，再到现在的光纤通信；从最初的电报，到固定电话、计算机网络、再到现在的移动通信；从最初的文本信号通信到语音通信、再到现在的多媒体通信。人们对通信质量的要求也在不断提高。通信正在朝着个性化、全球化、高质量的方向发展。如各种先进技术的结晶一移动通信，使得人们可以随时随地
16、的联系外界、可以连上网络、甚至可以进行可视对话。现代社会是信息社会，人类生活在信息高速公路交织的网络中。近年来，O F D M 技术以其优异的性能受到人们的青睬，并在移动通信、数字通信、数字广播等领域得到应用，并已取得可喜的成果。这预示着0 F D M 良好的发展前景。1 1 1O F D M 技术的发展历程正交频分复用技术(O F D M)是一种多载波数字通信调制技术，它由多载波调制(M C M)技术发展而来。美国军方在2 0 世纪6 0 年代就建造了世界上第一个M C M 系统，并随后衍生出采用多个子载波和频率重叠技术东北欠学硕士学位论文第一章绪论的O F D M 系统。2 0 世纪6 0
17、 年代，O F D M 的基本思想被提出。但由于当时没有功能强大的集成计算芯片，所以未能有效的实现这些想法。最初是采用的正交滤波器来实现正交调制。19 6 6 年，R W C h a n g 发表了S y n t h e s i so fb a n d 1 i m i t e do n h o g o n a ls i g n a l sf o r m u l t i e h a n n e ld a t a t r a n s m i s s i o n)一文。文中叙述了在线性带限信道中，无I S l 和I C I 的同时传输信息的原理f 2】。1 9 7 1 年，W e i n s t e
18、 i n 和E b e r t 对O F D M 的发展做出了重大的贡献。他们提出了一种高效的实现O F D M 的方法：利用离教傅立叶变换(D F T)实现了O F D M 的基带调制、解调。他们没有把注意力放在完善单个信道性能上，而是在如何高效的处理和如何解决信道问相互干扰的问题上。为了解决I S I 和I C I，他们在时域上插入符号问保护间隔以及加窗的方法。虽然该系统不是很完善，但仍然是O F D M 发展路途上的一个里程碑。另一个重要贡献是P e l e d 和R u i z 在1 9 8 0 年做出的。他们引入了循环前缀(c y c l i cp r e f i x，C P)这一概
19、念，解决了正交性的问题：没有采用插入空保护间隔的办法，相反。用O F D M 的循环延伸填充了保护间隔。当C P的时间比信道的脉冲相应时问长时，这样就可以在色散信道上保持l F 交性。高速数字信号处理芯片(D S P)发展，使得O F D M 优越性更加突出。D S P与F F T 技术的结合，使得O F D M 开始迅速发展并被广泛应用。D F T I D F T，Q A M 技术，栅格编码技术，软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的逐步弓l 入，人们开始集中越来越多的精力开发O F D M 技术在移动通信领域的应用。O F D M 的出现已有近十年的历史，但这种多载波传输技术在双向无线数据
20、方面的应用确是近十年来的新趋势。主要应用包括：菲对称数字用户环路(A D S L)、E T S I 标准的音频广播(D A B)、数字视频广播(D V B)等。1 9 9 9 年I E E E 8 0 2 1 1 a 通过了一个5 G H z 的无限局域网标准，其中O F D M调制技术被采用为它的物理层标准。E T S I 的宽带射频接入网(B R A N)的局域网标准也把O F D M 定位他的调制标准技术【3】。1 9 9 9 年1 2 月，包括E r i c s s o n、N o k i a 和W i L A N 在内的7 家公司发起了国际O F D M 论坛，致力于策划一个基于O
21、F D M 技术的全球性单一标准。现在O F D M 论坛的成员已增加到4 6 个会员，其中15 个为主要会员。我国的信息产业部也参加了O F D M 论坛，可见O F D M 在无线通信领域的应用2 一东北大学硕士学位论文第一章绪论已引起国内通信界的重视。2 0 0 0 年1 1 月，O F D M 论坛的固定无线接入工作组向I E E E 8 0 2 1 6 3 的无限城域网委员会提交了一份建议书，提议采用O F D M 技术作为I E E E 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层标准。随着8 0 2 t t a 和B R A N H y p e r L A N 2 两个标准在局域网中的
22、普及应用，O F D M 技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领域做出更大的贡献。人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求日益增长，O F D M 技术在综合无线接入领域将得到广泛的应用。此外，还由于其具有高的频谱利用率和良好的抗多经干扰能力，而被看作是第四代移动通信的核心技术之一。1 1 2O F D M 技术应用领域简介(1)移动通信领域O F D M 技术的数据传输速度相当于当前G S M(全球移动通信系统，G l o b a lS y s t e mf o rM o b i l eC o m m u n i c a t i o n)和C D M A(码分多址，C o d eD
23、 i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s)技术标准的1 0 倍。从理论上讲，O F D M 技术要优越于当前的全球移动运营商所采用的标准技术。预计第三代以后的移动通信的主流技术将是O F D M 技术。但问题是其成本和兼容性等问题与当前技术相比是否具有竞争力。近来，O F D M 开始与C D M A 技术相结合，产生了M C C D M A。该技术除了继承了D S C D M A 的优点外，还具有灵活、高系统容量、强抗干扰、无需复杂的均衡等优点 3 1。目前，还有一种采用O F D M 技术的宽带移动通信系统一一H I P E R L A N。I I。
24、它是一种小范围无线移动通信系统标准，用于公共和私人的高容量环境。它允许数据速率达到5 4 M b s，工作在5 G H z 频段。一个O F D M 符号持续4 口s，其中包括3 2 F s 的数据和O 8,u a 韵循环前缀。可采用的几种调制方式有：B P S K，Q P S K，Q A M 采用网格编码。具体的调制方式和编码方式的选择是根据发送质量要求而定的。允许速率为6、9、1 2、l8、2 4、3 6、5 4 M b s。(2)数字传输领域O F D M 在数字广强领域也有杰出韵表现。D A B 2 挑。c z，9，其中n k。是n(z+n)的N。点D F T 的第k 个样值。因为n(
25、n)是高斯自噪声，所以n k，。也是高斯自噪声。对上式交换求和次序并改变求和范围得到：蚝。=篓陋垫孚生兰卜饥叫2 瑚，很显然，里面的求和是h(n)的N c 点D F T 的第k 个样值，因此Y t，m=h k x i，m+n t(2 2 1)从这一式子看出，k 子载波上的接收信号)。是发送端数据X k，m 与频域信道系数h k 之积，；b n J z 嗓声n k m为了表示的简洁性，可以采用向量形式：Y=Ho X+N=D I A G(H)X+Nf 2 2 2)其中Y=(Y o，Y l Y ，)，X=(工o，z l-工)，N=(n o，弹l-H 盯)2 6O F D M 系统性能分析2 6 1
26、频谱效率O F D M 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用的，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，从而减小了子载波问的相互干扰。频带利用率是单位一2 0 一东北大学硕士学住论文第二章OFDM 系统模型频带内的码元传输速率，频带利用率越高，则系统的有效性就越好 10 l。O F D M 信号由N 个子载波信号叠加而成，每个子载波信号的频谱为s i n c 函数并且与相邻子载波信号的频谱有1 2 的交叠，O F D M 传输的频谱结构如图2 _ 8 所示。在理想化的情况下，对O F D M 信号的频谱效率进行如下的分析。圈2 8O F
27、D M 的频谱效率分析示意图F i g2 8T h es k e t c hm a po fO F D Ms p e c t r u me f f i c i e n c ya n a l y s i s假定串行数据流码元速率为1 T。，T。=N T。，则子载波频率间隔为1 N T。，如果将O F D M 信号频谱两侧的旁瓣忽略不计，则整个频谱的宽度为：B；(N+1)(N T。)(2 2 3)O F D M 信号的波特率为：R B=N T。=1 T。如采采用Q A M 调制，映射的星座为M 点，则比特率为：R b=R a l o g2 M=l o g2M T s(2 2 4)O F D M 信
28、号的频谱利用率为：T=R b B=N l o g2 M(N+|)1 2 2 5)而对于一般的单载波系统，在相同的波特率和调制模式下其相应的频谱宽度为B=2 T，频谱利用率为仉=R b B。=l o g2 M 1 2 比较两个系统的频谱效率表达式可知，7 T b=N 2(N+1)一 1 2，即采用Q A M 调制时，O F D M 系统的频谱效率比一般的单载波系统的频谱效率提高了将近一倍。因此，O F D M 系统的传输有效性是很高的。这E 是O F D M 的优势所在。显然，以上的公式推导是过于理想化的，O F D M 实际的频谱效率是要低于上述推导的理想数值的。尽管如此，O F D M 的频
29、谱效率高于单载波系统的频谱利用仍是显而易见的事实。2东北大学硕士学位论文第二章OFD M 系统模型2 6 2 抗干扰接着看一下O F D M 传输的抗码间干扰的特性。O F D M 采用并行传输机制，将高速的数据流比特速率R b 分成N 个子流，速率降为R b N，使调制符号时间间隔远大于信道的时延扩展，从而能够在较大的失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效的保护。扩展了信号持续时间，减小了系统对迟延扩展的敏感程度，也就减小了码间干扰O s I)的影响。虽然，O F D M 系统具有一定的抗I S I 特性，但在严重衰落的无线传播环境下，码间干扰I S I 的影响仍然是不可避免的。
30、实际中，由于信道衰落以及迟延扩展的影响，使各个子载波以不同的幅度和相位接收，同时多径传播引起的线性失真也可能使各子信道的能量扩展到邻近信道，形成邻道干扰(I C I)。解决这一问题最简单的方法是增加符号周期(即增加载波数目)，使失真的影响相对减弱。但是，增加符号周期的同时也减小了载波的间距，考虑到载波稳定性，多普勒频移，F F T 规模大小以及迟延扩展的因素，这一方法受到很大的限制。在传输前对码元符号加循环前缀，可以作为一种附加措施。由于循环前缀的加入，延长了O F D M 调制信号的持续时间，从而减小了0 F D M 信号对信道影响的敏感程度，可以抵消I S I 的影响。但只是在循环前缀内加
31、零，就会破坏予载波问的正交性，从而导致相邻载波问干扰。最有效的循环前缀是使用符号的循环扩展，简言之把符号结尾的一段复制加到符号的开始。这样由于码元符号是周期性的，如果循环前缀大于信道响应的长度，那么就保持了载波的正交性，从而减小I C I 的影响：同样，相邻符号不会相互重叠，而完全消除了I S I 的影响。因此，只要循环前缀大于信道的迟延扩展，就会消除码间干扰 S I 和邻道干扰I C I。当然，添加循环前缀在消除码问干扰的影响的同时，也降低了系统的频带利用率。所以，在设计O F D M 传输系统时，系统要在消除码间干扰能力和频带利用率之间进行权衡【2“。2 6 3 抗衰落O F D M 将数
32、据流调制到N 个子载波上，每一子信道中的数据速率降低为R。N，相应信号带宽减小为R。，N；，只要子载波数N 足够大，信号带东北大学硕士学位论文第二章0FDM 系统模型宽将远小于信道响应的相关带宽，这样在符号持续时间内信道频率响应可以认为保持恒定，使得每一子信道内的信号经历平坦衰落。可见，O F D M有很强的抗频率选择性衰落的能力。另一方面，由于个子载波彼此正交，由于每个载波上的信息是不相关的，它们按指数规律相加，在时域内的合成信号是非常近似予白噪声的。要克服多径衰落地影响，信道中传输地最佳信号形式应该具有白噪声的统计特性。这也说明了O F D M 系统抗多径衰落的能力。此外O F D M 采
33、用空间频率联合分集技术，频域均衡等技术，也对抗十扰能力有很大程度的增强【2”。东北大学硕士学位论交第三章基带OFD M 系统设计第三章基带0 F D M 系统设计基于上一章所建立的模型，本章详细设计了一个基带O F D M 系统，包括帧结构的定义、信道编码设计和同步技术研究。由于在无线传输时总有一些O F D M 子载波衰减得很厉害，并且S N R 很低，这就会产生大量的错误比特1 1 7】，因此信道编码设计尤为重要。这也是本章的重点。3 10 F D M 帧结构设计和许多数字通信系统一样，在O F D M 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帧结构借鉴了欧洲D V
34、B T 标准，每一帧的持续时间设为T，包含6 8 个O F D M 符号。每4 帧组成一个超级帧。当F F T 长度为2 0 4 8 个点时(2 K 模式)，每一个O F D M 符号由一组长度K 等于1 7 0 5 的子载波组成，每个符号的持续时间为T。每个符号由两部分组成：数括部分和保护间隔部分。传输数据部分的持续时间长度为T u，保护间隔持续时间长度T。，这也是本文前面所提到的在O F D M 系统中起到很大作用的循环前缀所占据的时间段。如图3 1 所示：T，+4超级帧：由4 个O F D M 帧：由6符号：由数据和图3 1O F D M 帧结构F i g3 1T h es t r u
35、c t u r eo fO F D Mf r a m e一2 4 东北大学硕士学位论支第三章基带OFD M 系统设计O F D M 信号包含许多独立调制的载波，所以可以认为每一个O F D M 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。每个O F D M 帧中的符号标记是从0 到“6 7”。每个符号都包括数据和参考信息。除了传输数据，一个完整的O F D M 帧应包括：分散的导频单元：连续的导频单元；T P S(T r a n s m i s s i o nP a r a m e t e rs i g n a l i n g，传输参数)载波。导频用于帧同步，频率
36、同步，时间同步，信道估计；传输参数用于识别系统当前使用的传输模式。载波的下标为k，其中k K。K。，K“。=O；K 一=1 7 0 4(2 K模式下)相邻载波问隔为1 T。，子载波K m 与K 一问的间隔由(K 1)T。决定1 7 1。具体参数如表3 1 所示：表3 1O F D M 符号的参数(带宽8 M)T a b l e3 1T h ep a r a m e t e ro fO F D Ms y m b o l(b a n d w i d t h8 M)1 41，81 1 61 3 2保护间隔长度Tg T u符号中数据长度T“2 0 4 8 T=2 2 4 珊5 1 2 X T2 5 6
37、 X T1 2 8 T6 4 T保护闯隔长度Tg5 6 珊2 8 9 s1 4 珊7 肛2 5 6 0 T2 0 3 4 T2 1 7 6 T2 1 1 2 T符号长度T“+Tg2 8 0 珊2 5 2 占2 3 8 山2 3 1 p sT：基本时间单位T=7 6 4 雎表3 2O F D M 系统参数(带宽8M H z)T a b l e3 2T h ep a r a m e t e ro fO F D Ms y s t e m(b a n d w i d t h8 M)载波数K1 7 0 5最小载波值K mO晟人载波值K 一1 7 0 4T 持续长度2 2 4 地子载波间隔1 T“4 4
38、6 4 H z载波K。与K。闻隔由(K-1)T。7 6 1 M H zO F D M 射频信号可表达为东北大学硕士学位论文第三章基带OF D M 系统设计s(t)：R。2 卯宝艺笠。叫y 州“f)(3 1)_-0 1=0k=k n舯一 0 m 打帆；茹8 郧f 9 时，1 0 0 0 0 点的蒙特卡罗仿真东北大学硕士学位论文第三章基带OFD M 系统设计误码率已经等“0”。图3 6 是采用R s(2 5 5，2 3 9，8)编码后的6 4 Q A M的性能仿真结果 16 l。从图3 6 可见，R S 编码码长的增加，使得误码率大幅降低，当P N。2，1 0 0 0 0 点的蒙特卡罗仿真已经全为
39、“0”。可见R S 码的编码长度适当的提高，可以降低系统的误码率。图3 51 6 Q A M 经R S 编码后的误码率仿真F i g3 5T h eB E Rs i m u l a t i o no f1 6 Q A Mb yR S图3 6R S 编码后的6 4 Q A M 的误码率F i 9 3 6T h eB E Rs i m u l a t i o no f6 4 Q A Mb yR S东北大学硕士学位论文第三章基带OFD M 系统设计3 4 2外层交织接下来对R S 编码后的纠错包进行外交织编码。交织编码原理如图3 7所示利，I气f1入，每个缱蓍_2 1 7一个字节2I3 1 7J1
40、l 1 7I 0lhr-11 1 1t。f1解交织辖At晖交织输出剖：II斗，l图3 7 卷积交织框图F i g3 7T h ef r a m em a po fc o n v o t v ei n t e r l a c e这是一种卷积交织，交织深度为1=1 2。理论上说，交织深度越深越好，但深度越深，系统的延时越大。交织器由1=1 2 个分支组成。通过输入切换开关与输入的数据依次循环连接。任一分支j 由一个先入先出的移位寄存器组成，寄存器的单元数为J M 个，其中M=1 7=N 1，N；2 0 4。每一个输入输出单元可以容纳一个字节，开始工作前，所有单元的初始状态为“0”。并且，输入与输出
41、的切换开关是同步的。经卷积交织后的数据的开头部分东北大学硕士学位论文墨三兰垄堡竺里里竺墨堕堡兰还必须继续补输入多个零，直并且这样所有的寄存器单元被会插入了许多零，在输入数据输入完毕后，到寄存器备单元中所有的待传数据被移出，重新置零【20 1。在交织器部分，第J 分支的延时为J。延时是以字节为单位，也就是每移位一次是整个字节的移动。j=O 时字节的延时为“0”，数据可以直接通过。经过交织后，原来在一个R S 纠错码字中的相邻的两个字节现在最近的距离为1 2。这样就可以提高R S 码的纠错能力。一个R S 码字的可以纠正最多连续8 个符号的错误，经过交织后，最多可以纠i】三8 1 2 个连续的符号
42、错误。解交织器的原理与交织器相似。只是分支的下标被反转。这时；O 的分支有最大的延时，第J 分支的延时为1 2-j。j=1 2 时的延时最少。经过解交织后，数据重新恢复成了R S 编码后的码字。3 4 3 内层编码卷积码是1 9 5 5 年由爱里斯提出，它与分组编码不同。分组码中本组中的n-k 个校验元仅与本组中的k 个信息元有关，与其他组的码元无关。分组码译码时，也只从本组中提取有关译码信息。但卷积编码中，编码码字与不仅与本组的信息有关，而且与前时刻的其他组的信息有关。同样，译码时不仅从此时刻收到的码组中提取译码信息，而且还利用以前一段时刻收到的码字。卷积码以“位”为单位进行，因此编码设备结
43、构比分组码简单。设卷积编码中有n 1 个存储器，则m+l=N 为编码约束度，表示编码过程中相互约束的码元个数：n。表示编码器的输出的码元个数，N n。表示编码约束长度。k。表示输人的码元个数。所以卷积码可表示为(n。，k。，m)。内层编码采用的是删余卷积码。这种编码的母码是基子码率为1 2、有6 4 中状态的卷积编码。该卷积编码的结构如图3 8 所示。经过外层编码的数据在进行内层编码前，先要进行二进制转换，卷积编码的输入是以位为单位的二进制数据。1 2 卷积码的输入只有路，相继经过6 个移位寄存器，每个寄存器延时1 位(B i t)。两路输出x、Y 分别根据各自的生成多项式计算本路输出的数据。
44、该卷积码的主成多项式为东北大学硕士学位论文第三章基带OF D M 系统设计X；G I=1 7 1。口Y：G2=1 3 3 D 口O C T 表示8 进制。该卷积码可表示为(2，l，6)整图3 81 2 卷积编码F i 9 3 81 2c o n v o l v ec o d e内层编码还包括对并行输出的卷积编码数据X Y 的删余及并串转换。图3 9 内编码与内交织F i 9 3 9i n n e rc o d i n ga n di n n e ri n t e r l a c e由于1 2 卷积码只有两个输出，因此不用进行删余，只需并串转换。但如果是码率为2 3、3 4 等其他码率时，先要进
45、行删余处理，删余图样见表3 5。东北大学硕士学位论文第三章基带OFD M 系统设计表3。51 2 卷积码删余图样T a b l e3 51 2c o n v o l v ec o d i n gd e l e ts u r p l u sd r a w i n g码率删余图样并串转换X：1X l 一l，2Y：lX：1 0 x ly l Y22 3Y：l lX：1 0 1盖l Y2 X33 4Y：1 0 1卷积交织编码后的性能仿真结果如图3 1 0 所示。3 4 4 内交织图3 1 01 2 卷积编码误码率T a b l e3 1 01 2c o n v o l v ec o d i n gB
46、E R内交织包括位交织和符号交织两部分1 5 1。这两种交织都是将二进制数-3 6 东北大学硕士学位论文第三章基带0FD M 系统设计据重新分组，交织就基于这些分组进行。位交织首先对卷积编码输出的串行数据转换成v 路并行的数据，每一路只对本路的输入进行位交织。v 的值要根据I F F T 前采用的符号映射有关。采用Q P S K 时，v=2；采用1 6 Q A M 时V=4；采用6 4 Q A M 时V=6。本文仿真时采用的是6 4 Q A M，所以v=6。内交织的原理框图如3“。图3 1 1 内交织原理F i g3 11i n n e ri n t e r p l a c em a p串行输
47、入的数据每6 个为一组，每组中的6 个数据分别映射到相应的交织器的输入上。如x。映射到吃，d。上。映射按以下规则进行2。X 女。bd m 岍i v，2 卜2、m 机咧)1，d i v；(d i v 是整数除法)当采用6 4 Q A M 时，具体的映射规则如表3 6 所示。表3 66 4 Q A M 映射规划T a b l e3 66 4 Q A Mm a p p i n gr u l eXd ib,d oXo6 0。X 16 2oX2b 4oX3b I，oXd6 3。X 5玩。串并转换后的每一路数据的交织都由一个单独的交织器完成，所以交织器的个数由v 决定。6 4 Q A M 就有6 个交织器
48、，分别表示为I O、l l、1 2、东北大学硕士学位论文第三章基带OFD M 系统设计1 3、1 4、1 5。每一个交织器的交织深度相同，但交织方式不一样。交织深度为1 2 6 位，每个O F D M 符号包括15 1 2 个数据符号(2 k 模式)，每个数据符号为6 位(B i t)。因此交织器进行1 2 次交织后，就可完成一个O F D M符号。对每一个交织器，输入的位向量定义为：B(e)=(6；6；也；b e l l 2 5)其中e 代表第e 路交织，0 e v 一1。输出的向量定义为：A(e)=(a e o：n；口“；口“：5)其中：a。2 b。、W 2 0，l 2，1 2 5这里的H
49、 e(W)是每个交织器的排列函数，各交织器的排列因数均不样，具体各路的定义如下：I O：H。(W)=W1 1：l(w)=(w+2 1)m o d(1 2 6)1 2：日2(w)=(W+1 0 5)m o d(1 2 6)1 3：日，(w)=(w+6 3)m o d(1 2 6)1 4：H。(w)=(w+8 4)m o d(1 2 6)1 5：H s(叻=(w+4 2)m o d(1 2 6)每个交织器的输出重新构成个vB i t 的数据符号，这样每个v 位的数据符号就都刚好由来自V 个交织器的一位组成。交织后输出的v 位的码字Y 的定义是：_ y：=0；口。；4，“。)。符号交织：每个O F
50、D M 符号有1 5 1 2 个(2 k 模式)数据子载波，交织的目的就是将V B i t 的数据符号映射到相应的子载波上。因此，符号交织以15 1 2 个v位字为一组进行。1 2 组1 2 6 个数据字依次从位交织器读入到向量Y(Y o，y：，y 知y：。)中，符号交织的输出向量Y=(，Y。，Y。，Y*m)定义如下：偶数符号；Y H(们=y 厶q=O 1，1 5 1 1奇数符号：Y g=嵋(神q=O 1，1 5 1 1其中H(q)是一个排序函数，其算法如下q=O；f o r(i=0；i 2 0 4 8 1；i；i 十1)N-1 H(q)=(i m o d 2 2 耻1)+R)2；j=oi f