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1、第10 章 MIMO-OFDM系统的应用 OFDM作为先进的调制技术已应用于射频领域，并且逐步成为发展快速、充满生机的研究方向。它几乎在每个主要的通信标准中都有成功的应用，例如，无线局域网（IEEE802.11a/g，也被称为Wi-Fi）、数字视频和音频标准（DAV/DAB）及数字用户环路（DSL）。因此，来自计算机领域的全球互通微波存取（WiMAX或IEEE 802.16）和来自电信领域的长期演进（LTE），这两个相互竞争的第四代（4G）移动网络标准，均采用OFDM作为其物理接口的核心技术。10.2 OFDM在数字音频广播(DAB)中的应用 10.2.1 数字音频广播介绍数字音频广播介绍 1
2、995年，欧洲电信标准（ETSI）首次提出DAB标准，此标准是使用OFDM技术的第一个标准。它是在现有的AM和FM音频广播的基础上发展起来的，比起这两者，DAB能够提供更优质的语音质量、更快的数据业务以及更高的频谱效率。20世纪80年代以来，由于数字技术的日新月异，无线电广播技术进入了革命性的数字广播技术时代。DAB为Digital Audio Broadcasting 的简写，它是继AM、FM传统模拟广播之后的第三代广播数字信号广播，它的出现是广播技术的一场革命。数字音频广播模拟音频广播传输内容声音、文字、图片等多媒体声音行动性可高速行动接收高速行动接收容易是信号受到干扰而产生噪声音质 可确
3、保音质音质受地形、其他信号干扰而产生噪声频道负载通过较佳的压缩技术，一个频道给以传输多个近CD的节目一个频道只能传送一个标准音质的节目频谱 可采用单频网络需采用多频网络表10-1 数字音频广播与模拟音频广播的比较表10-2 4种模式不同组的OFDM参数模式1模式2模式3模式4子载波个数1536384192758子载波间隔1kHz4kHz8kHz2kHz符号时间长度1.246ms311.5s155.8s623s保护间隔246s61.5s30.8s123s载频频率275MHz1.5GHz3GHz1.5GHz发射机距离96km24km12km48km 如图所示，时延是由距离d1和d2产生的。两个信号
4、以此时延先后到达，对于用户来说，相当于两径的衰落信道，因此只要两个信号之间的传播差异小于OFDM符号的保护间隔，就不会出现ISI和ICI。两个时间移位信号的叠加，使得合成信号处于深度衰落的概率要远远小于一个信号处于深度衰落的概率，因此相当于获得了分集的好处。另外，系统中还存在着多普勒频移和接收机内本地振荡器的频率波动，这就要求在载波直接按必须存在最小频率间隔，也就是说存在最大的符号周期长度的限制。比如对工作于240MHz的DAB系统来说，如果移动速度为31m/s，则多普勒频移可以达到25Hz。为了减少多普勒频移造成的子载波间的干扰，子载波间隔必须远远大于多普勒频移。1）音频编码器接收两路的音频
5、输入立体声数字采样值，采样频率为48kHz，且每个采样值包括16bit，因此每个信道的总速率为768kbit/s；2）音频编码器的输出与伪随机序列进行模2加，实现加扰，其中伪随机序列可以来自9bit的反馈一位寄存器。加扰的目的是需要考虑采用的额外的加密算法；3）卷积编码。首先经过编码速率为1/4，约束长度为7的卷积码进行编码，以达到对抗衰落的能力，然后可以通过打孔，把编码效率提高到8/n，其中n可以为932之间的任何整数；4）对编码数据在频域内进行交织，避免深衰落对一组子载波造成的不利影响；5）将多个音频信道复用，并将包含其他数据的信号组合起来。信号以帧为单位进行组织，帧结构如图 10-3 所
6、示。图10-3DAB帧结构10.2.3 DAB信号的形成信号的形成图10-2 DAB信号形成框图2）欧洲数字视频地面广播（Digital Video Terrestrial Broadcasting-Terrestrial，DVB-T）标准采样的编码正交频域复用（Coded Orthogonal Frequency Dlvision Multiplexing，COFDM）调制。欧洲ETSI在1994年和1996年先后公布了DVB-S（卫星广播）、DVB-C（有线电视广播）和DVB-T（地面广播）的标准等，欧洲的数字电视有了完整的标准系列。欧洲各国自1996年以来先后在卫星直播、有线电视和地面广
7、播等方面开展了SDTV业务，考虑到市场需求的原因，目前尚未开展HDTV业务。在地面传输方面，它采用多载波OFDM调制（ADSL中相似的技术称为DMT）。DVB-T使用了1705（2k）或6817（8k）个子载波。而且它有更多的选项，以适应不同的应用需求，例如可变的载波调制类型。和美国的8-VSB调制技术相比，COFDM技术属于正在不断发展和提高的新技术。除了欧洲国家以外，澳大利亚、新加波、印度、巴西先后在1998年和1999年宣布采用欧洲的DVB标准。3）日本地面综合业务数字广播（Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial，ISDB-
8、T）采用的频带分段传输正交频分复用（Band Width Segmented Transmission OFDM，BST-OFDM）。日本1998年11月公布了用于地面数字电视广播的ISDB-T标准。系统采用的调制方法称为频带分段传输BST-OFDM。由一组共同的称为BST段的基本频率块组成。日本的ISDB-T是基于自己的国情，在欧洲COFDM基础上的一种改进，特别是针对多媒体广播和移动接收的需求。在发射端，数据被分为若干组，每组内包含188B，它们通过加扰码和外码R-S编码，能够在204B帧内纠正8个错误字节。然后，对经过编码的比特由交织器在12B深度内进行交织。并再按编码效率为1/2，约束
9、长度为7，生成多项式为（171，133）的卷积码进行编码。通过打孔，编码效率可以提高到2/3、3/4、5/6以及7/8。最后，经卷积编码的比特再经过内交织器的交织，被映射为QPSK、16QAM或64QAM。10.4 OFDM在IEEE 802.11 中的应用10.4.1 协议与网络结构图10-8 IEEE 802.11的协议体系结构图10-9 IEEE 802.11的网络结构图10-10 IEEE 802.11a的工作频率图10-11 IEEE 802.11a对OFDM信号功率谱要求10.4.3 系统结构图10-11 IEEE802.11a发射机框图图10-12 IEEE 802.11a接收机
10、框图10.4.4 帧结构与相关信号处理 IEEE 802.11a标准是第一个使用OFDM进行分组数据传输的标准。考虑到分组数据传输的突发性特点，IEEE 802.11a的帧结构与DAB和DVB等连续传输系统的帧结构有很大不同。如图10-13所示，IEEE 802.11a的帧长不固定，这一点与传统以太网的帧类似。其中，IEEE 802.11a的帧分为3个部分：物理层汇聚协议（PLCP）前导（preamble）部分、信号（signal）部分以及长度可变的数据（data）部分。其中前导部分由12个OFDM符号组成，包括10个长度为800ns的短训练符号和两个长度各位4s（实际上是一个长度为8s的OF
11、DM符号，在时间上可等价于两个普通的OFDM符号）的长训练符号组成。图10-14 IEEE 802.11a的帧结构 前导的主要作用是识别帧的开始、自动增益控制、载波和符号同步以及信道估计。信号部分的主要作用是通知接收机有关数据部分的调制类型、编码速率以及数据长度信息。数据部分包含要传送的数据以及用于同步接收机扰码器的信令信息。图10-15 IEEE802.11a 中的前导符号图10-17 Mode1的频带划分图10-18 Mode2的频带划分2.信道划分 MB-OFDM采用视频编码（TFC）划分信道，对于不同的微微网使用不同的时频编码，并且不同的时频编码对应于不同的前导图案。在Mode1中，T
12、FC的长度为3；在Mode2中，TFC的长度为7。在一个微微网内，不同的用户设备（DEV）采用TDMA进行信道划分。3.发射信号 MB-OFDM系统采用了OFDM技术，实际的射频（RF）发射信号可以用复基带信号表示为10.5.2 MB-OFDM UWB发送原理发送原理 MB-OFDM UWB方案采用了时频交织（TFI，Time Frequency Interleaving）技术，即信息比特在不同的子带之间进行交织。图10-20 为MB-OFDM UWB时频交织示意图。图10-20 MB-OFDM UWB时频交织示意图 MB-OFDM UWB系统的发射机结构如图10-21所示，图中OFDM符号的
13、合成方法与传统的OFDM系统类似，只是符号长度、子载波间隔、循环前缀等具体参数有较大的差别。图10-21 MB-OFDM UWB系统的发射机结构图10-23 MB-OFDM UWB系统接收机原理图10.6 MIMO-OFDM在多模光纤中的应用 MMF（多模光纤）广泛用于LAN（局域网）和光的互连。许多已经安装的骨干以太网都是以MMF为基础的且能支持大约1Gb/s的数据率。许多研究都致力于把1Gb/s的骨干以太网提到10Gb/s。因为OFDM（正交频分复用）在各种各样的无线信道都表现出很好的鲁棒性，它已经被很多通信标准，如无线LAN（Wi-Fi）、数字电视、音频广播标准、数字用户线（DSL）和全
14、球微波互连接入（WiMAX或者IEEE802.16）等所采用。OFDM可以将高速的数据流分解成许多低速子数据流，利用相互正交且重叠的多个子载波同时传播，因此，利用OFDM技术可以有效地补偿长距离光通信中的色度色散和偏振模色。对于克服不同类型的色散影响，包括MMF链路中的多模色散具有很好的鲁棒性，这一点在很多公开发表的文章中已得到证明。10.6.1 MMF链路中的光链路中的光OFDM图10-24 给出了基于MMF链路传输的DMT系统的方框图。图10-24 基于MMF传输的DMT系统框图 在DMT中的2N点IFFT可通过下面的公式得到 相应的通过并/串转换的离散时间信号则可以写成 在接收端 10.
15、6.2 应用于中长应用于中长MMF链路的光链路的光OFDM 图 10-26 给出了一个利用MMF的再循环回路搭建的实验环境，它适于研究基于MMF链路的相干OFDM，该方案已被Shieh等人使用。图10-26 基于MMF再循环回路的偏振多路复用相干OFDM的研究实验装置10.6.3 基于基于MMF链路的广播链路的广播MIMO光光OFDM图10-27给出了一个在MMF上使用相干检测实现MIMO-OFDM信号发送的例子。图10-27 基于MMF的相干光MIMO-OFDM 对于一个基于MMF的配有发射机和系统，其相应的输入输出关系为接收机的MIMO以矩阵的形式表示为 图10-28（a）给出了一个使用直接检测的MIMO-OFDM系统的实现方案。图10-28 基于MMF的直接检测光DMT-MIMO