OFDM实验指导书

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）s[m]。对符号s[m]进行1：N-K串并变换（K是空子载波数、

N1N是子载波数），插入K个零值得到{s[m]}m0。再进行N点IFFT变换，生成包

N1n0mnN含N个点的OFDM符号s[m]ej2(n0,...,N1)，N一般取2N。然后添加循

环前缀其长度为Lcp，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。

j21N1w[n]s[m]eNn0m(nLc)Nn0,...,NLc1 （1）

N1其中nLc,Lc1,...,NLc1是输入符号{s[m]}m0离散傅里叶变换。

w[n]w[nN]n0,1,...,Lc1 （2）

说明开始Lc和最后Lc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1 OFDM_modulate.vi

OFDM_modulate.vi-实现OFDM调制 输入 input symbols 输出 output samples

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: y[n]w[n]v[n] （3） ISI:y[n]h[l]w[nl]v[n]l0L一维数组 （复数双精度） 一维数组 用于OFDM调制的输入符号流 OFDM调制后样本流：一个（复数双精度） OFDM符号包括NLc个样点

（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。

y[n]h[l]w[nl]v[n]l0L（5）

去掉循环前缀（即丢掉前Lc个采样点）y[n]y[nLc]。频域采用迫零均衡算法

y[n]h[l]w[nLcl]n0,...,N1l0L1N1Nh[l]s[m]el0m0m0LN1j2m(nLcLcl)N

(h[l]el0N1Lj2mlN)s[m]ej2mnN （6）

这些采样点进行傅里叶变换后得

Y[k]DFT[y[n]]H[k]s[k]v[k] （7） H[k]hl[e]l0Lj2klN

简单通过Y[k]除以H[k]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.vi

OFDM_demodulate.vi-实现OFDM解调 输入 input samples 一维数组 用于OFDM调制的输入符号流 channel estimate number 一维数组 时域信道估计用于频域均衡 of 32位整数 需要恢复的QPSK/BPSK符号数 data symbols Equalize channel? 输出 demodulated symbols FD channel 一维数组 时域信道估计的频域响应 一维数组 布尔型 决定是否应用频域均衡。默认值为真 OFDM解调后数据符号流 estimate 表3 FEQ.vi

FEQ.vi-实现频域均衡 输入 channel estimate 输出 demodulated symbols 二维数组 input 二维数组 一维数组 并行符号块（FFT输出），每一行N1对应一个符号块{Y[K]}k0 时域信道估计用于频域均衡 均衡后符号块，每一行对应一个N1符号块{X[K]}k0 ˆ[K] X[K]Y[K]HFD channel 一维数组 时域信道估计的频域响应estimate ˆ[K]DFT[h(l)] H5、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OFDM demodulate.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

 T(NLc)是OFDM符号周期  LcT是循环前缀持续时间 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(Lc)=16  Null tones={0，30，31，32}

图5top_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.vi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。

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：

 TX sample rate=4MSam/sec  TX oversample factor=4  RX sample rate=4MSam/sec  RX oversample factor=4  Frequency Offset=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 Frequency Offset控件为false。我们将考虑不同N值的OFDM系统。OFDM

参数设置如下：

  

FFT size(N)=64 Length of CP(Lc)=16 Null tones={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。

  

FFT size(N)=1024 Length of CP(Lc)=32

Null tones={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。