OFDM实验指导书

实验六 OFDM 调制和频域均衡一、实验目标掌握 OFDM 收发原理以及均衡算法，在 Labview+USRP 平台下实现 OFDM 收发信号。二、实验介绍OFDM OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用 技术，实际上是一种多载波调制技术。将信道分成若干正交子信道，将每个子信 道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰 落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的 一小部分，在接收端进行简单的线性均衡，信道均衡变得相对容易。 OFDM 广 泛用干各种数字传输和通信中，如 IEEE802.11g、IEEE802.11a、IEEE802.11n、； 包括 WIFI (IEEE802.16)在内的宽带无线接入；移动宽带无线接入IEEE802.20； 数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统。循环前缀CP持续时间由最大时延扩展决定，作用是防止码间干扰(ISI)、 子载波间干扰( ICI )以及降低对定时偏差的敏感程度。带宽一定前提下，子载 波间隔与FFT点数N成反比，N越大子载波间隔越小，随着N增大频谱效率提 高但同时也会造成对频偏更加敏感。普遍来说 OFDM 系统并不是所有子载波都是有用的，总会在频域有一些空 载波。由于直流射频失真存在，零频或者直流一般是空的。在频率响应的边缘一 般也是空的用作保护带以防止邻频干扰。频率选择性信道会破坏子载波正交性，因此需要做某种形式的均衡。 OFDM 使用循环前缀使频域均衡成为可能。这是因为 OFDM 将频率选择性信道分成若 干个在频域复用的平坦性衰落子信道，因此每个子信道上可以应用简单迫零均 衡。OFDM的优势并不仅仅体现在低复杂度均衡上面，它还提供了一种框架可以应用许多先进的数字通信技术例如自适应调制和功率均衡。当然多载波相对于单 载波并不都是优势，我们这个实验将要探讨频率选择性信道和 OFDM 系统对频 偏敏感度问题。三、实验任务你需要提交三个子 vi(OFDM_modulate.vi，OFDM_demodulate.vi 以及 FEQ.vi)，而且需要回答第四部分提出的问题1、完成OFDM调制模块图 1OFDM 发送机和接收机结构在发送端OFDM调制首先图片转换成比特，经过星座图映射后得到频域符号(M是星座调制阶数)sm。对符号sm进行1： N-K串并变换(K是空子载波数、N是子载波数)，插入K个零值得到smN-1。再进行N点IFFT变换，生成包 m=0Smnsmejn (n = 0,.,N -1)，N 一般取 2N。然后添加循n=0环前缀其长度为 L ，最后生成序列，此处为了简化省略了载波恢复和同步，接 cp收端单抽头频域均衡。1 N 1m ( n L,)wn=乙 smej2兀n 'n = 0,., N + L 1Ncn=0其中n = L ,L +1,.,N + L 1是输入符号smN1离散傅里叶变换。 c ccm=0wn = wn + N n =。丄,L 1c说明开始 L 和最后 L 个采样点相同，也就是所说的循环前缀，循环前缀是为了 cc防止符号间干扰，同时有助于将线性卷积转换为循环卷积。编写 OFDM_modulate.vi 模块我们提供需要创建的 OFDM 调制子 vi 模板并且给出了输入输出，你需要做的是完成框图构建实现其功能。表 1 OFDM modulate.viOFDM_modu1ate.vi-实现 OFDM 调制输入inputsymbols一维数组（复数双精度）用于OFDM调制的输入符号流输出output samples一维数组（复数双精度）OFDM调制后样本流：一个OFDM符号包括N + L个样点c2、添加IEEE802.11a短序列在发送端对生成 OFDM 符号打包发送需添加训练序列用于接收端同步和信 道估计，然后还需要在包头添加保护带，用来防止邻频干扰。训练序列由 IEEE802.11a 短序列产生：在序数是偶数的子载波发送伪随机序列，在序数是奇 数的子载波发送零数据，经过IFFT变化得到前后样本值系统的特殊训练序列。3、添加信道在发送端添加人为定义的信道：AWGN和ISIAWGN: yn = wn + vn（3）ISI: yn = i hlwn -1 + vn对 OFDM 符号进行上采样再送到脉冲成型滤波器（脉冲成型是在频域加窗使频谱成型）此时Labview基带处理已经完成准备送到NI USRP进行发送。4、OFDM 解调和均衡NI USRP 接收天线收到信号经过射频和中频处理恢复到基带信号。接收信号 经过匹配滤波器、符号定时、下采样和帧同步以及载波同步后的信号，去除控制 信息后进行 OFDM 解调：串并变换、去除 CP、FFT 变换、进行频域均衡。5)yn = i hlwn -1 + vnl=0去掉循环前缀(即丢掉前L个采样点)yn = yn + L 频域采用迫零均衡算法 cc。yn = S hlwn + L -1n = 0,., N -1 cl=0= S hl S smej 2N l =0m=0=艺疋 hl e - j 2k Y） smej 2k 7 Nm=0 l =0这些采样点进行傅里叶变换后得Y k = DFT yn7)=H k sk + vk H k =iL hl e-j2KNl=0简单通过Yk除以Hk实现均衡。因为OFDM将频率选择性信道分为N条平坦 衰落子信道。因此 OFDM 每条子信道可以使用简单的迫零均衡实现均衡。经过 频域均衡的信号再经过删除空值、并串变换，QPSK解调，由比特恢复图片，最 后进行误比特计算。编写 OFDM_modulate.vi 和 FEQ.vi 模块我们提供需要创建的 OFDM 解调和均衡子 vi 模板并且给出了输入输出，你 需要做的是完成框图构建实现其功能。表 2 OFDM demodulate.viOFDM_demodulate.vi-实现 OFDM 解调input samples输入一维数组用于OFDM调制的输入符号流channel estimate一维数组时域信道估计用于频域均衡numberofdata symbols32位整数需要恢复的QPSK/BPSK符号数Equalize channel?布尔型决定是否应用频域均衡。默认值为真输出demodulatedsymbols一维数组OFDM解调后数据符号流FD channel estimate一维数组时域信道估计的频域响应表 3 FEQ.viFEQ.vi-实现频域均衡输入input二维数组并行符号块(FFT输出)，每行 对应一个符号块Y K n-ik=0channel estimate一维数组时域信道估计用于频域均衡输出demodulatedsymbols二维数组均衡后符号块，每行对应个符号块X K N-1k=0X K = Y K /H K FD channel estimate一维数组时域信道估计的频域响应H K = DFT h(l)5、完成收发端框图Scale energ¥ to compensate for IFFT|图 2OFDM_transmitter.vi 框架结构图 3OFDM_receiver.vi 框架结构将代码嵌入到OFDM_transmitter.vi和OFDM_receiver.vi后。通过观察收发星 座图以及 OFDM 收发频谱是否满足选择调制方式验证代码。在这个实 验，我 们 在真实无线 链路 实 现 OFDMmodulate.vi 和 OFDM demodulate"，结合我们已经提供的模块和自己编码的模块完成收发信机 OFDM_transmitter.vi和 OFDM_receiver.vi。实验框架如图 4 所示。图 4OFDM 框架层次结构OFDM 参数： T是米样周期 T(N L )是OFDM符号周期c L T 是循环前缀持续时间c发送端 top_ofdm_tx.vi 参数设置如下： Modulation type=QPSK Channel estimate length=4 FFT size(N)=64 Length of CP( L )=16c Null tones=0 ， 30 ， 31 ， 32otfiri vifFw-f-iriIo40PX-IIUUE-LH H C4T iUlmawcc-irc«J cur i w fr-aiMicy Oitil+rE+d jai nFj. M2-« eKiimL BidtL pbui*l«rM w u-bMCM'EMbilal i an )M MAtfflnEDFH f "ri-tainE<-JJ*jj«TIfwcmr TI aivtlq irrlar>:t 冲Ek>?t hqvkr/tdiTriLni rif SiqRncR Tfprl«rD r>d Lulh找IwZ Ti理hd”巨Iprln ihn-iir Eilt.r*pilan ahip id( p«r Vi Lnri i'dlw! i "is hr.rr uui I l«i CimliJliil i in I7+ j hjriaSTOPEF»h<l »*±fc Qfaji pmfcil tiritJflnL'arrtr iji.；« v B|i|i|i|i|-o. ml -丰孟話=温盟益孟盘噩ssui图 5 top_ofdm_tx.vi图 6OFDM parameters 簇（1）频率选择性信道首先我们观察频率选择性信道的频谱响应，参数设置如下 TX sample rate=4MSam/sec TX oversample factor=4 RX sample rate=4MSam/sec RX oversample factor=4在成功发送包后，在接收端top_ofdm_receiver.前面板（如图7所示）通过 Channel Response、Power Delay Profile 曲线图观察宽带信道频域响应和即时功 率谱。同时需要注意信道响应的有效长度。在这部分把天线放置到适当高度是很 重要的，确保所有反射路径信号都能到达天线。rr “鼻1鼻厲:聲cl11Sm1 R3hLaB.LEB?Sllli,E>ir F«r,;urnEEE W IK <4t：4-i lrhmnIkiklriirir 匚+yj+ri: + 归出*£| Zmta Fkl L*<i£ihMExkril lai fsr jiils*;LlYTKir41¥1 intUe% BJi.EUI27T>4ir«i ”rti