OFDM实验指导书.docx

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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

OFDMOFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）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）

。

对符号

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

。

再进行N点IFFT变换，生成包含N个点的OFDM符号

，N一般取

。

然后添加循环前缀其长度为

，最后生成序列，此处为了简化省略了载波恢复和同步，接收端单抽头频域均衡。

（1）

其中

是输入符号

离散傅里叶变换。

（2）

说明开始

和最后

个采样点相同，也就是所说的循环前缀，循环前缀是为了防止符号间干扰，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1OFDM_modulate.vi

OFDM_modulate.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

outputsamples

一维数组

（复数双精度）

OFDM调制后样本流：

一个OFDM符号包括

个样点

2、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ISI

AWGN:

（3）

ISI:

（4）

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NIUSRP进行发送。

4、OFDM解调和均衡

NIUSRP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）

去掉循环前缀（即丢掉前

个采样点）

。

频域采用迫零均衡算法

（6）

这些采样点进行傅里叶变换后得

（7）

简单通过

除以

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2OFDM_demodulate.vi

OFDM_demodulate.vi-实现OFDM解调

输入

inputsamples

一维数组

用于OFDM调制的输入符号流

channelestimate

一维数组

时域信道估计用于频域均衡

numberofdatasymbols

32位整数

需要恢复的QPSK/BPSK符号数

Equalizechannel?

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

FDchannelestimate

一维数组

时域信道估计的频域响应

表3FEQ.vi

FEQ.vi-实现频域均衡

输入

input

二维数组

并行符号块（FFT输出），每一行对应一个符号块

channelestimate

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，每一行对应一个符号块

FDchannelestimate

一维数组

时域信道估计的频域响应

5、完成收发端框图

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OFDMdemodulate.vi，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是采样周期

●

是OFDM符号周期

●

是循环前缀持续时间

发送端top_ofdm_tx.vi参数设置如下：

●Modulationtype=QPSK

●Channelestimatelength=4

●FFTsize（N）=64

●LengthofCP（

）=16

●Nulltones={0，30，31，32}

图5top_ofdm_tx.vi

图6OFDMparameters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

●TXsamplerate=4MSam/sec

●TXoversamplefactor=4

●RXsamplerate=4MSam/sec

●RXoversamplefactor=4

在成功发送包后，在接收端top_ofdm_receiver.vi前面板（如图7所示）通过ChannelResponse、PowerDelayProfile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。

图7top_ofdm_rx.vi

回答以下问题：

1、OFDM符号速率

2、宽带信道有效长度

3、描述宽带信道频域响应是平坦的还是频率选择性的？

以及宽带信道有效长度关系。

（2）频偏敏感度

这个实验我们观察在频偏存在前提上OFDM系统的性能表现。

参数设置如下：

●TXsamplerate=4MSam/sec

●TXoversamplefactor=4

●RXsamplerate=4MSam/sec

●RXoversamplefactor=4

●FrequencyOffset=200Hz

为了观察频偏对系统的影响，需要将在top_ofdm_rx.vi前面板设置Correct

FrequencyOffset控件为false。

我们将考虑不同N值的OFDM系统。

OFDM参数设置如下：

●FFTsize（N）=64

●LengthofCP（

）=16

●Nulltones={0，30，31，32}

观察频偏值如何影响接收星座图和接收端OFDM频谱以及系统误码率。

然后改变OFDM系统参数，同样观察频偏值如何影响接收星座图以及系统误码率。

●FFTsize（N）=1024

●LengthofCP（

）=32

●Nulltones={0，511，512，513}

回答以下问题：

1.频率偏移随着时间变化引起相位偏移造成接收星座图旋转，考虑为什么OFDM系统频率偏移造成的影响与单载波系统不同？

进一步说就是为什么对星座图的影响不同?

2.取N=1024和64是子载波间隔分别是多少？

3.哪个系统对频偏更敏感以及为什么（N=64或者1024）？

4.你可能遇到的问题以及如何解决这些问题。

回答以上问题并在实验报告提交上述答案。