摘 要:正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波数字调制技术,OFDM技术属于多载波调制,能提高载波的频谱利用率。OFDM系统能够有效地消除无线信道带来的影响,还可以结合其它技术最大限度地提高物理层信息传输的安全性。OFDM系统中,可以从时域和频域两个角度使用FEC来对抗频率选择性衰落和实践选择性衰落。为了达到这个目的,通常使用的一种技术是交织编码技术。
关键词:OFDM技术 编码技术 仿真分析
中图分类号:TN919文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)11(c)-0003-02
1 绪论
1.1 概述
正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波数字调制技术,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,预计第三代以后的移动通信的主流技术将是OFDM技术。
1.2 OFDM技术的发展
正交频分复用(OFDM)技术的应用已有近40年的历史,第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。进入20世纪90年代之后,数字信号处理技术和大规模集成电路技术的发展,使多载波调制技术的大规模应用成为可能。多载波调制陆续在数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、非对称数字用户线(ADSL)等领域得到应用。
1.3 OFDM技术的应用
正交频分复用除了应用于数字声音广播(DAB)、高清晰度电视(HDTV)、移动通信、无线局域网,还在短波电离层反射通信、对流层散射通信、高速话带及群带调制解调器、高速数字用户线(HDSL)、非对称数字用户线(ADSL)等领域获得了广一泛的应用。
2 OFDM基本原理
OFDM技术属于多载波调制,能提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波的调制,采用了一种叫作HomePlug的处理技术,来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理,把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。
2.1 OFDM系统的实现
2.1.1 OFDM的基本模型
OFDM系统的一个重要优点就是可以利用快速付立叶变换实现调制和解调,从而可以大大简化系统实现的复杂度。
2.1.2 OFDM系统实现
由上面的原理分析可知,若要实现OFDM,需要利用一组正交的信号作为子载波。我们再以码元周期为T的不归零方波作为基带码型,经调制器调制后送入信道传输。
2.2 OFDM中的关键技术
在具体应用中,OFDM系统需要解决的关键问题包括以下几个方面:
同步技术、信道估计、峰均比、信道编码、信道时变性的影响、自适应技术、其他相关技术如需要考虑的问题包括:上下行链路的实现方式,多址接入方法等。
3 OFDM系统中的编码技术
3.1 Turbo码的编码结构
3.1.1 Turbo码编码器的基本结构
C.Berrou提出的Turbo码是一种并行级联循环系统卷积码,它由两个循环系统卷积码编码器通过一个交织器并联而成,信息位u直接进入编码器1产生校验位c1,经过交织器后进入编码器2产生校验位c2。
3.1.2 交织器
交织是Turbo码通常将交织器放在编码器和信道之间,将发送信息序列重新排序,同样,接受端在信道和译码器之间放置交织器。交织器和解交织器共同工作就可以把突发错误分散。常用的交织器有分组交织器和伪随机交织器两种。
3.1.3 截断器
Turbo码编码器如果使用RSC编码器作为其分量码编码器,就要使用截断器,周期性地删除一些校验码。
3.2 差错控制
从差错控制的角度来看,可以把信道分为3类:随即信道、突发信道和混合信道。当信道中的加性干扰主要是高斯白噪声时,错码的出现是随机的,而且各错码之间互相独立,称这种信道为随即信道。当信道中存在脉冲干扰或者衰落现象时,错码是集中成串出现的,称为突发错码,称这种信道为突发信道。既存在随即错码又存在突发错码的信道,就称之为混合信道。根据差错控制理论,对于不同类型的信道,应采用不同的差错控制技术。
3.2.1 差错控制方式
常用的差错控制方式有4种:前向纠错、检错重发、反馈校验和混合纠错。前向纠错方式利用系统中的纠错码在接受端自动发现并纠正传输中出现的错误,传输效率高、实时性好,但编译码设备更复杂。检错重发方式是一旦在接受端发现错误,就立即经过反向信道通知发送端重发该信息码元,直到接受端确认收到正确的信息为止。
3.2.2 差错控制编码
差错控制编码的基本思路是:在发送端给被传输的信息附加一些冗余的监督码元,这些监督码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联。接受端按照这种既定的规则校验信息码元与监督码元之间的关系,一旦传输发生差错,信息码元与监督码元的关系就会遭到破坏,从而接受端可以发现错误乃至纠正错误。
(1)基本原理。差错控制编码之所以能够检错和纠错是因为在被传输的信息中附加了一些冗余码,即监督码元。监督码元虽不承载任何信息,但它在信息码元之间具有一定的制约关系,接受端根据这种制约关系就可以检测在传输中信息码元是否出错或者直接进行纠错。
(2)纠检错性能。前面说过,最小码距dmin是衡量一宗编码方案检错和纠错能力的重要依据。实际上dmin完全决定了码的纠检错性能。
①为了检测e个错误,要求最小码距满足dmin≥e+1。②为了纠正t个错误,要求最小码距满足dmin≥2t+1。③为了纠正t个错误,同时检测e个错误,要求最小码距满足dmin≥t+e+1,e>t。
3.3 OFDM系统中的分组编码
3.3.1 Reed-Solomon(RS)码
RS(n,k)码中,输入信号分成km比特一组,每个码元由m个比特组成,因此一个码组包括k个码元。一个能纠正t个码元错误的RS码的主要参数如下:
(1)码长n=2m-1个码元,或m(2m-1)个比特。
(2)监督元数n-k=2t个码元,或m·2t个比特。
(3)最小码距dmin=2t+1个码元,或m(2t+1)个比特。
对于一个长度为n=2m-1的RS码其中每个码元都可以看成是伽罗华域GF(2m)中的一个元素。最小码距为dmin的RS码的生成多项式具体如下形式:
g(x)=(x+a)(x+a2)···(x+admin-1)
其中,a为伽罗华域GF(2m)的本原元素。
表面上看来,由关系式n=2m-1表示的可用码字的长度可变性似乎很小,然而通过截短置零一定数目的输入比特,并将相同数目的对应输出比特截短置零,RS码就很容易截短成任意长度的码字。而且,在RS码的最后再添加一个校验码元,很容易将其扩展成为2的整数幂码长的码字。
采用分组编码系统的差错性能曲线当信噪比达到一定数值时急剧下降,即在该区域内信噪比的微小变化都会带来性能很大的提高。
3.3.2 循环冗余校验码
在数据通信中得到广泛使用的另外一种分组码是循环冗余校验码,简称CRC码,它是常用的检测错误码。CRC-12用于长度为6bit的字符。
在OFDM每一帧的最后,可以插入CRC检错码。一旦接受端通过CRC检测到有错误发生,再结合ARQ等重传技术(即向发送端发出重新发送请求,发送端就重新发送有错误的OFDM帧)就可将系统的差错性能提高到一定程度。
3.4 OFDM系统中的卷积码
卷积码属于非分组码。通常为了达到一定的纠错能力和编码效率,分组码的码长较大。由于编译码时必须把整个码组存储起来,因此处理产生的时延随码长的增加而线性增长。卷积码可以通过凿孔(punc tured)来提高编码效率。
3.5 OFDM系统中的交织编码
实际信道,如果存在脉冲噪声的信道产生的错误往往是突发错误或突发错误与随机错误并存。为了纠正比较长的突发错误或者利用码的纠随即错误能力来纠突发错误,常常使用交织技术。采用交织方法构造出来的码称之为交织码。交织的作用是减小信道中错误的相关性,把长的突发错误离散成短的突发错误或随即错误。交织深度越大,离散程度越高。
需要注意的是,这里只给出了一种简单的交织方法,具体的交织算法还是很多。一般来说,算法效果越好,交织后的离散程度就越大,各差错之间的相关性就越小,算法也更为复杂。
4 正交频分复用的仿真分析
4.1 Viterbi译码
卷积码的译码方式包括门限译码、序列译码、Viterbi译码,其中Viterbi译码的译码性能最好。
Viterbi译码是一种最大似然译码,他根据一定的距离测度准则,根据接受序列在网格图中进行搜索,选择一条最终路径,使相应的译码序列与接收到的序列之间距离最小。在硬判决的情况下,这个距离测度一般是Hamming距;软判决时,一般是欧氏(Huffman)距。
已知编码器是一个(n0,k0,L)的卷积编码器,那么Viterbi译码的步骤如下。
(1)将接受序列分为每段长为的组子序列。(2)根据已知的编码器结构,画出深为m级的网格图。(3)置变量l等于1,从零状态开始译码。并置初始全零状态的度量等于0。(4)对网格图中所有连接第l级到(l+1)级状态的支路求出该接受序列中第l个子序列的距离。(5)将这些距离加到第l级各状态的度量上去,得到第(l+1)级各状态的候选度量。每个状态到对这2k0个候选度量进行比较,取出唯一的一个具有最小度量的支路作为幸存支路,同时将该度量作为第(l+1)级状态的度量,其余支路全部抛弃。(6)若l=m,转入下一步;否则将l加1并回到第(4)步。(7)在第(m+1)即从全零状态开始,沿幸存路径回溯到全零状态,这条路径就是最佳路径;对应这条路径的输入序列就是最大似然解码信息序列。注意该序列的最后(l-1)k0个零应该删掉,这才是对输入比特序列的最好推测。
5 结语
OFDM系统能够有效地消除无线信道带来的影响,还可以结合其它技术最大限度地提高物理层信息传输的安全性。OFDM由于其频谱利用率高、成本低等的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越来越得到广泛的应用。OFDM系统中,可以从时域和频域两个角度使用FEC来对抗频率选择性衰落和实践选择性衰落。为了达到这个目的,通常使用的一种技术是交织编码技术。使用适当的时/频交织技术,结合其他的纠错编码技术组成级联码,也可以取得比较令人满意的效果。
参考文献
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