毕业设计(论文)-卷积编码技术在OFDM系统中的应用研究.doc
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1、- 1 - 目录目录 第一章第一章 绪论绪论- 2 - 1.1 信道编码的重要作用.- 2 - 1.2 OFDM 系统的历史和研究现状.- 3 - 1.3 本文的研究内容- 6 - 第二章第二章 卷积编码原理和维特比译码卷积编码原理和维特比译码- 7 - 2.1 卷积码原理.- 7 - 2.1.1 卷积码的树图描述- 8 - 2.1.2 卷积码的网格描述- 10 - 2.1.3 卷积码的状态图描述.- 11 - 2.2 VITERBI译码算法的基本原理- 12 - 2.2.1 最大似然译码- 12 - 2.2.2 VITERBI译码- 14 - 2.3 卷积码的性能分析- 16 - 第三章第三
2、章 OFDMOFDM 系统的基本介绍系统的基本介绍- 18 - 3.1 OFDM 基本原理- 18 - 3.2 OFDM 系统的频域分析- 20 - 3.3 OFDM 系统的优缺点- 21 - 3.3.1 OFDM 系统的优点- 21 - 3.3.2 OFDM 技术的不足之处包括以下方面.- 23 - 3.4.3 训练序列/导频及信道估计技术- 25 - 第四章第四章 OFDMOFDM 的仿真研究的仿真研究- 26 - 4.1 系统模型.- 26 - 4.2 卷积编码和维特比译码的实现- 26 - 4.3 仿真结果及分析- 29 - 4.3.1 系统误码率分析- 29 - 4.3.2 不同编码
3、的系统性能仿真- 30 - 第五章第五章 总结总结- 33 - 参考文献参考文献.- 34 - 致谢致谢.- 36 - 附录附录 程序清单程序清单- 37 - - 2 - 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 信道编码信道编码的的重要重要作用作用 OFDM 技术提高了系统的整体性能和频谱利用率、系统容量,减小了接收机内均 衡器的复杂程度,最大限度提高物理层信息传输的可靠性。适用于多用户的高灵活 度、高利用率的通信系统。 但是在 OFDM 系统中,频域的各个子载波之间是互相独立的,这样的话如果遇到 窄带干扰或者是频选衰落导致某些子载波上传输的信息出错概率较高,那就会影响 性能。引入了卷积编码技术
4、之后,通过对各个子载波的卷积编码,提高系统的抗衰落 能力。OFDM 技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有 必要再加时域均衡器。通过将各个信道卷积编码,则可以使系统性能和传输的可靠 性得到提高。 当调制好的信号在信道里进行传输的时候,必然要受到信道的影响。信道的影 响可以分成以下三个主要方面:第一是信道本身对信号产生的衰落:由于信道本身 频率响应特性不理想,造成对信号的破坏;第二是信道中的各种噪声,如背景噪声、 脉冲噪声等,这些噪声叠加在信号上面,改变信号的幅度、相位和频率,使信号在 解调时产生错误;第三是信号在传输过程中由于反射、折射或沿不同路径传播从而 带来的叠加效
5、应,即通常所说的多径效应,这会带来时间上前后信号互相干扰。总 而言之,这三种影响都会导致在接收端信号解调的错误,使系统的误码率大大增加。 因此在一个实用的通信系统中,必须采取一定的措施来纠正错误,提高系统的 误码率性能。信道编码就是一种非常有效的措施。信道编码的任务就是,在发送端 以可控的方式在信号中加入一定的冗余度,而在接收端这些冗余度可以用来检测并 且纠正信号通过信道后产生的错误。当然,冗余度的加入降低了系统的工作效率, 但是和系统误码率的降低(即信号更加正确地传送)相比,这些代价是可以接受的。 - 3 - 1.21.2 OFDMOFDM 系统的系统的历史和研究现状历史和研究现状 OFDM
6、 是正交频分复用的英文缩写。正交频分复用技术(OFDM)是一种多载波数字 调制技术,虽然 OFDM 的概念已经存在了很长时间,但是直到最近随着多媒体业务的 发展,它才被人们认识到是一种实现高速双向无线数据通信的良好方法。在典型的 无线信道中,发送信号的多次反射导致了多径传播不同的传播路径具有不同的延迟, 从而使得信道有时间色散特性由此引起的符号间干扰(Inter Symbol Interference ISI)是无线传输系统需要考虑的因素。特别是宽带系统,码元传输速率高。 如果数据率较低,而且信道的最大延时比符号的持续时间短,那么不需任何均 衡技术来处理 ISI。无绳电话就属于这种情况。随着数
7、据传输距离和速率的增加, ISI 变得很严重,这时必需借助信道均衡技术。比如在 GSM 系统中,5 个符号的 ISI 可以被均衡,需要采用信道估计并计算滤波系数。一个好的均衡器也可以处理更长 的 ISI,但会受到计算复杂度的限制。例如,如果数据以 10 Mb/s 的速率在最大延 时为 10的信道上传输,ISI 将扩展到 100 个符号。这样的话,相应的计算变得非 s 常复杂。 OFDM 应用离散傅里叶变换(DFT)和其逆变换(IDFT)方法解决了产生多个互相正 交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。这就解决了多载波传输系统发送和传 送的难题。应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降
8、低。从此 OFDM 技术开始走向实用。但是应用 OFDM 系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程,而 当时还缺乏数字处理功能强大的元器件,因此 OFDM 技术迟迟没有得到迅速发展。 近些年来,集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展,以及对无线通信高 速率要求的日趋迫切,OFDM 技术再次受到了重视。 在上个世纪 60 年代已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念。 1970 年,美国发明和申请了一个专利,其思想是采用平行的数据和子信道相互重叠 的频分复用来消除对高速均衡的依赖,用于抵制冲激噪声和多径失真,而能充分利 用带宽。这项技术最初主要用于军事通信系统。但在以后相当长的一段时
9、间,OFDM 理论迈向实践的脚步放缓了。由于 OFDM 各个子载波之间相互正交,采用 FFT 实现这 种调制,但在实际应用中,实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器 的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素部成为 OFDM 技术实现的制约条件。 在二十世纪 80 年代,MCM 获得了突破性进展,大规模集成电路让 FFT 技术的实现不 - 4 - 再是难以逾越的障碍,一些其它难以实现的困难也部得到了解决,自此,OFDM 走上 了通信的舞台,逐步迈向高速数字移动通信的领域。 OFDM 传输技术则提供了让数据以较高的速率在较大的信道上传输的另一种途径。 其基本思想是把一个高速的数据流分解
10、成许多低速率的子数据流,以并行的方式在 多个子信道上传输。这样,在每个子信道上,符号持续时间比信道的最大延时大, 从而可以消除 ISI。 60 年代,OFDM 的基本原理被提出。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。 1966 年,R. W Chang 发表了Synthesis of band-limited orthogonal signals for multi channel data transmission一文。文中叙述了在线性带限信 道中,无 ISI 无 ICI (inter channel interferenc
11、e,信道间干扰)的同时传输信息 的原理。 1982 年,韦斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人应用离散傅里叶变换(DFT)和 快速傅里叶方法(FFT)研制了一个完整的多载波传输系统,叫做正交频分复用(OFDM) 系统。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 解决信道间相互干扰的问题上。为了解决 ISI 和 ICI,他们在时域上插入符号间保 护间隔以及加窗的方法。虽然该系统不是很完善,但仍然是 OFDM 发展路途上的一个 里程碑。 另一个重要贡献是 Peled 和 Ruiz 在 1990 年做出的。他们引入了保护间隔 (cyclic prefix, CP
12、)这一概念,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 OFDM 的循环延伸填充了保护间隔。当 CP 的时间比信道的脉冲 响应时间长时,这样就可以在色散信道上保持正交性。 高速数字信号处理芯片(DSP)的发展,使得 OFDM 优越性更突出。DSP 与 FFT 技 术的结合,使得 OFDM 开始迅速发展并被广泛应用。傅立叶变换/反变换、QAM 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引入,人们开始集 中越来越多的精力开发 OFDM 技术在移动通信领域的应用。 正交频分复用技术(OFDM)的应用已有近 40 年的历史,第一个 OFDM 技术的实际 应用是军
13、用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应 用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展,该技术在广播式的音频和视频领域己 - 5 - 得到广泛的应用。主要的应用包括:非对称的数字用户环路(ADSL), ETSI 标准的音 频广播(D AB)、数字视频广播(DVB)等。 1999 年 IEEE802.11 a 通过了一个 5GHz 的无线局域网标准,其中 OFDM 调制技 术被采用为它的物理层标准。ETSI 的宽带射频接入网(BRAN)的局域网标准也把 OFDM 定为它的调制标准技术。 1999 年 12 月,包括 Ericsson, Nokia 不 I I Wi-LAN 在
14、I 匀的 7 家公司发起了 国际 OFDM 论坛,致力于策划一个基于 OFDM 技术的全球性单一标准。现在 OFDM 论坛 的成员已增加到 46 个会员,其中 15 个为主要会员。我国的信息产业部也已参加了 OFDM 论坛,可见 OFDM 在无线通信的应用已引起国内通信界的重视。 2000 年 11 月,OFDM 论坛的固定无线接入工作组向 IEEE802.16.3 的无线城域网 委员会提交了一份建议书,提议采用 OFDM 技术作 IEEE802.16.3 城域网的物理层 (PHY)标准。随着 IEEE802.11 a 和 BRANHyperlan/2 两个标准在局域网的普及应用, OFDM
15、技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网领。OFDM 由于其频谱利用率高、 成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和 移动化的需求,OFDM 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。 我国在采用 OFDM 的数字广播领域也取得了一定的成绩。 1999 年 12 月,在清华大学完成数字电视传输系统计算机仿真系统,并向广电 总局数字电视标准委员会、国家高清晰度数字电视总体组及其他专家、学者汇报演。 2000 年 6 月,完成清华大学 DMB-T 数字电视传输中频硬件系统测试平台调试 (由 25 片 40 万门/片 FPGA 实现的样机)。 2000 年 9 月
16、 11 日到 12 日,清华大学举行了“地面数字多媒体电视传输防议 DMB-T”技术研讨会,中国工程院 9 位院士、国家数字电视系统标准化专家委员会 16 位委员、国家质量技术监督局等政府有关部门官员、电视台及相关企业共 80 多 人出席了会议。与会人员认为清华提出的防议方案跳出了现有的 3 个国际标准,从 中国市场和产业需要出发,采用开放的合作研发方式,在技术上具有后发制人的优 势。 2000 年 9 月 30 口,清华大学 DMB 数字电视传输射频 RF 系统(FPGA)调试成功。 - 6 - 2000 年 11 月 8 口,清华大学 DMB-T 系统编码器芯片和解码器 IC 芯片设计完成
17、, 送给芯片厂家流片。 2001 年 2 月 20 口,清华大学拿到 DMB-T 系统信道编解码器 IC 芯片,开始进行 基于 IC 的演示系统的实现。 2001 年 3 月,信息产业部、广电总局派有关专家赴日内瓦参加国际电联 ITU 召 开的 2001 年年会。会上,我国代表向国际电联介绍中国数字电视的发展情况,并将 清华大学研制开发的 DMB-T 地面数字多媒体电视传输协议通报国际电联。 让我们感到自豪的是:2002 年,OFDM 年会在北京召开!伴随着中国数字电视的发 展,清华大学地面数字多媒体电视传输 DMB-T 系统也经历了不断发展、完善和提高 的过程。清华大学提出的基于 TDS-O
18、FDM 技术的地面数字电视广播网传输协议,借鉴 了这些年来国际国内在数字电视技术方面的经验教训,并目拥有自主知识产权,我 们愿意为我国的数字电视事业做出自己的贡献。 数字电视在我国部分地区开始试行,中国开始进入数字电视新时代。 1.31.3 本文的研究内容本文的研究内容 论文的研究方向是卷积编码技术及其在 OFDM 系统中的应用。论文在分析 OFDM 系统的关键技术和优缺点的基础上,分析了信道编码在 OFDM 系统中的误码率性能; 并结合其他编码方法,研究了 OFDM 系统中卷积编码的重要作用。 论文在第二章介绍卷积码的原理,给出卷积码的几种表示方法及卷积码的性能 描述;接着给出维特比译码算法
19、的基本原理。第三章主要阐述 OFDM 系统的基本原理、 OFDM 系统的频域分析、OFDM 系统的优缺点及其关键技术。第四章设计 OFDM 系统模 型,并在 matlab 中进行仿真,通过误码率分析系统的性能。 最后,对论文的工作进行了总结及展望。 - 7 - 第二章第二章 卷积编码原理和维特比译码卷积编码原理和维特比译码 本章首先介绍了卷积码的原理,给出了卷积码的几种表示方法及卷积码的性能 描述;接着给出了维特比译码算法的基本原理。 2.12.1 卷积码原理卷积码原理 图 2-1 卷积码编码器一般原理方框图 卷积码是 1955 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
20、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,编码码字不仅与本组的信息有关,而 且与以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,同时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 此编码设备结构比分组码简单。 卷积码的译码方式有二种:(1)1963 年由梅西(Masse)提出的门限译码,这是一 种码代数结构的代数译码,类似于分组码中的大数逻辑译码;(2)1961 年由沃曾克 拉夫特(Wozencraft)提出,1963 年由费诺(Eano)改进的序列译码,这是基于码树图 结构
21、上的一种准最佳的概率译码;(3) 1967 年由维特比(Viterbi)提出的 Viterbi 算 法,这是基于码的网(trellis )图基础上的一种最大似然译码算法,是一种最佳的 概率译码方法。维特比译码具有最佳性能,但硬件实现复杂;门限译码性能最差, 编码输出 每次输入 k比特 1k 1k 1k 1k 1 k2k3kNk 12n Nk级 移存器 n个模2 加法器 每输入k比特 旋转1周编码输出 每次输入 k比特 1k 1k 1k 1k 1 k2k3kNk 12n Nk级 移存器 n个模2 加法器 每次输入 k比特 1k 1k 1k 1k 1 k2k3kNk 12n Nk级 移存器 n个模
22、2 加法器 每次输入 k比特 1k 1k 1k 1k 1 k2k3kNk 12n 1k 1k 1k 1k 1 k2k3kNk 12n 1k 1k 1k 1k 1 k2k3kNk 1k 1k 1k 1k 1 k2k3kNk 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1k 1 k2k3kNk 1 k2k3kNk1 k2k3kNk 12n12n Nk级 移存器 n个模2 加法器 Nk级 移存器 n个模2 加法器 每输入k比特 旋转1周 - 8 - 但硬件简单;序列译码在性能和硬件方面介于维特比译码和门限译码之间。 卷积码通常用(n, k,
23、m)表示。m 为编码约束长度,说明编码过程中互相约束的 码段个数。k/n=R 同分组码一样称为卷积码的码率。它们是衡量卷积码的重要参数。 典型的(2, 1, 2)卷积编码器如图 2-2 所示。 图 2-2 (2, 1, 2)卷积编码器 2.1.12.1.1 卷积码的树图描述卷积码的树图描述 若一个(n, k, m)卷积码编码器的输入序列是半无限长序列,则它的输出序列也 是半无限长序列。这种半无限的输入、输出编码过程可用半无限树图来描述。 下面以图 2-3 所示的(2, 1, 2)卷积码为例说明。这里用寄存器中的内容来表示 该时刻编码器的状态。由于本例中总共有两个寄存器,所以可能有 4 个状态,
24、这里 用 S0 = (00),S1 = (10),S2 =(01) S3 = (11) 标记这 4 个状态。假设编码器的初始状态为 S0,相继的输入序列为 m =(mo, ml,) 在 t 时刻编码器的输出由该时刻编码器状态和输入数据所决定,同时当前时刻 的状态和输入也决定了下一时刻的编码器状态,可以把整个编码过程用图 2-3 所示 的编码树表示。 编码树从根节点 S0 状态出发,输入 m0 = 0 ,则树向上走一分支,若输入一个 “1“则树向下走一个分支。在每条分支上标有的 2 bit 数字表示这时编码器输出的 两位数据。若 m0 = 0 ,编码树走上面分支,输出(00),进入状态 S0 若
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- 毕业设计 论文 卷积 编码 技术 OFDM 系统 中的 应用 研究
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