【学习笔记】OFDM的原理和技术介绍以及仿真结果分析附代码--MATLAB

参考资料：
OFDM完整仿真过程及解释（MATLAB）

一、ofdm总体概述

• 含义：正交频分复用技术，是一种特殊的多载波调制传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。

• 本质：OFDM是一种多载波的传输方法，它将频带划分为多个子信道并行传输数据，将高速数据流分成多个并行的低速数据流，然后调制到每个信道的子载波上进行传输。由于它将非平坦衰落无线信道转化成多个正交平坦衰落的子信道，从而可消除信道波形间的干扰，达到对抗多径衰落的目的。

• 正交频分复用（OFDM）是对多载波调制（MCM）的一种改进，在。它的特点是：各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减少了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。

• OFDM够很好的对抗频率选择性衰落和窄带干扰

二、基本原理

（一）OFDM系统接收机的典型结构图

（其中步骤根据实际需要可增/删部分）

OFDM系统接收机的典型结构图

• 其中，上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。
• 过程介绍–发送端： OFDM发射机的输入位首先要进行编码（有冗余），以减少特定信道的误差，编码后的位通过调制在相位和正交（IQ）平面上映射成星座，得到的IQ数据用复数表示。在IQ数据中插入导频和保护频带，形成频域OFDM符号。频域OFDM符号通过反离散傅里叶变换(IDFT)转化为时域，再通过并行到串行(P/S)的转换转化为一维(1D)。循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，是将时域IQ数据从末尾的一段复制到时域IQ数据的开头，形成一个完整的时域OFDM符号，然后，基带IQ数据流被向上转换为射频(RF)，并通过RF前端进行空中广播。通过无线信道传播的无线电波被接收机的射频前端接收并下变频为基带数字IQ数据。
• 过程介绍–接收端：载波同步器回收时域OFDM符号，并将其发送到基带接收器。在接收机上，首先去除CP，其余的IQ数据通过FFT转换到频域。信道均衡器估计信道的响应，并对接收到的被衰落信道扭曲的IQ数据进行均衡。接下来，经过均衡的频域IQ数据被解调为软位（浮点数），再由信道解码器将其进一步解码为二进制位。输出的比特流被送到下一层，并回收成数据包。请注意，信道均衡是针对衰减而不是加性高斯白噪声（AWGN）信道的。
• 这里理解为传输的频域信号是因为IFFT是从频域到时域，实际上这里IFFT充当的是一个实现子载波正交的作用，

（二）OFDM调制与解调

• 一个OFDM符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以收到psk（相移键控）和qam（正交幅度调制）的调制。

• OFDM发射机将信息比特流映射成一个psk或qam符号序列，之后将串行的符号序列转换为并行符号流。每N个经过串并转换的符号被不同的子载波调制。

三、过程中涉及的技术

（一）信道编码

纠错码分类图

详细讲解可以参考：信道编码技术

• 作用：由于移动通信存在干扰和衰落，在信号传输过程中将出现差错，故对数字信号必须采用纠、检错技术，即纠、检错编码技术，以增强数据在信道中传输时抵御各种干扰的能力，提高系统的可靠性。
• 原理：信道编码技术是通过给原数据添加冗余信息，从而获得纠错能力，适合纠正非连续的少量错。
• 方法：
  　1.发送用卷积编码:是现代数字通信系统中常见的一种前向纠错码，区别于常规的线性分组码，卷积编码的码字输出不仅与当前时刻的信息符号输入有关，还与之前输入的信息符号有关。
  　2.接受用Viterbi译码

（二）交织

• 作用：将突发错误转换为随机错误，有利于前向纠错码的译码，提高了整个通信系统的可靠性
• 原理：交织技术是改变数据流的传输顺序，将突发的错误随机化，提高纠错编码的有效性。
• 方法：由两个变换过程组成
  　1. 第一次变换保证了相邻的编码比特被映射到不相邻的子载波上。
  　2. 第二次变换保证了相邻的编码比特被分别映射到星座图的重要和非重要比特上，避免出现长时间的低比特位映射。
• 交织块的长度Ncbps，对qpsk、16qam、64qam分别为2、4、6，s=Ncbps/2，d=16。

（三）扩频

• 本质：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据
• 优点和作用：
  1.根据香农定理，带宽和信噪比可用互换，扩频扩展了带宽，则对信噪比的要求可降低
  2.对背景的噪声（noise）、干扰（interference）以及自体多路径干扰（Multipath interference）有免疫力。
  3.对人为的刻意干扰（jamming）信号有良好的抵御能力

（四）导频

• 本质：导频不携带信息,导频是双方已知的数据,因为所有子载波会产生一定的相位偏移，在信号中插入导频是提供相位参考，来做接收信号时候的信道估计。

• 原理：将训练信号（导频）插入帧中，以便接收器可以根据导频和数据类似地失真的假设来估计信道响应。 设计了一种适当的导频模式来满足这种假设。 OFDM系统中的典型导频模式为：块，梳状和分散式。如下图所示。
  

• 使用原因：在接收机中，虽然利用接收到的段训练序列、长训练序列可以进行信道均衡、频率偏差校正，但符号还会存在一定的剩余偏差，且偏差会随着时间的累积而累积，会造成所有子载波产生一定的相位偏移。因此，还需要不断地对参考相位进行跟踪。要能实现这个功能，需要在非0子载波中插入导频符号。

（五）保护间隔

• 作用：多径信道会对OFDM符号造成ISI影响，破坏了子载波间的正交性。故需要采取一些方法来消除多径信道带来的符号间干扰（ISI）影响，即插入保护间隔。

• 方法：

1. 补零（zp），即在保护间隔中填充0
2. 另一种是插入循环前缀（cp）或循环后缀（cs）实现OFDM的循环扩展（为了某种连续性）,cp是将OFDM后部的采样复制到前面，长度为Tcp，故每个符号的长度为Tsym=Tsub+Tcp，Tsub为数据部分子载波数。Tcp大于或等于多径时延，符号间的ISI影响将被限制在保护间隔中，因此不会影响下一个OFDM的FFT变换。

（六）RF射频调制

• 方法：OFDM调制器的输出产生了一个基带信号，将此基带信号与所需传输的频率进行混频操作，利用模拟技术或数字上变频可完成。
• 由于数字调制技术提高了处理I、Q信道之间的匹配性和数字IQ调制器相位的准确性，将会更加精确。

（七）信道估计

• 本质： 在OFDM系统的相干检测中需要对信道进行估计，获得详细的信道信息，从而在接收端正确地解调出发射信号，是衡量一个无线通信系统性能的重要指标

四、IQ信号的解调与解调

（一）IQ调制

• IQ调制就是数据分为两路，分别进行载波调制，两路载波相互正交。I是in-phase（同相）, q是 quadrature（正交）

（二）IQ信号调制和解调

1.调制和解调原理图

IQ信号调制和解调原理图

2.调制原理

具体理论可参考： 调制与变频、基带信号与射频信号中的IQ调制（又称矢量调制）

IQ信号调制原理图

（三）通信信号处理中为什么要分为Ｉ、Ｑ两路

• 把要传输的数据分成并行的两路（I和Q路）分别进行扩频/加扰。分成两路并行处理的目的是充分利用星座图进行调制，星座图有X和Y轴，正好对应I和Q路。
• I/Q两路采样可以降低采样率，可以获取信号的相位信息：
  　　1.方便地将信号采用复信号的方法表示；
  　　2.是可以降低每个支路的采样率（因为如果用幅度检波后的 采样率将是其两倍），降低对ADC的要求；
  　　3.是可以保留原始信号的相位信息。

（四）星座映射

• Q:什么是星座映射？
• A:是将比特流在数值上变换为以星座图表示的规范的数值，这个过程叫星座映射。星座映射的调制方式相对应，调制的方式有BPSK、QPSK、QAM等等。在如下图中左边QPSK调制方式举例，当输入比特流“00”，根据星座映射输出是一个复数-1+1i。

不同调制方式星座图

五、OFDM仿真结果分析

代码和PPT下载：OFDM仿真代码+OFDM原理和技术介绍PPT

该OFDM代码实现的是一种信号通过25个不同信噪比的信道，计算各自产生的误码率以及对比调制前和信号和解调后的信号。

（一）不同信噪比对比误码率

分析：信噪比越大，误码率越低
本人疑问：为什么译码前的误码率，还可以随着信噪比的增大而降低，译码后就不可以了

（二）接收端解调和未解调IQ信号星座映射对比

分析：模拟产生的IQ信号其实刚开始也是如右图中一样，IQ信号都是重复的，所以在图中点太小，估计看不清。左图就是出现的信号是经过信道有噪声的结果。

（三）发送信号和接受信号对比

分析：对比上下两个图，可以看出信号解调后完全一样。