现代通信技术作业.docx
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现代通信技术作业
2010年研究生“现代通信技术”试题
姓名：
班级:
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说明1-5题每题10分，6题为论文题，选作1题为50分。
打印装订在A4纸上，16周前交。
1.指出3G移动通信的三大标准，说明3G的技术特点和主要技术指标，说明CDMA技术的优点。
2.说明无线信道的三级模型，画出宽带无线通信多径传播信道的模型框图，并用单位脉冲序列相应描述该系统。
3.自己设计BPSK，QPSK，16QAM各一种基带映射星座方案，写出其软解调输出的对数最大似然比函数LLR
4.指出OFDM系统主要优点3个和缺点2个，画出一般的基带OFDM系统的发射和接收方框图。
5.指出MIMO系统的两种不同的应用方法，和三种接收合并技术，指出MIMO系统的优点。
6.选择下述一个方面的内容，做一遍论文，要求内容完整，按论文标准化格式，有独立见解，或有仿真结果。
完全题目自己确定，抄袭者本题算0分
1）CDMA直接序列扩频系统研究与仿真
2）基带编码技术研究
3）基带调制与解调系统仿真
4）信道建模与仿真
5）OFDM系统研究
6）MIMO系统研究
7）LTE系统的有关研究与仿真
1．指出3G移动通信的三大标准，说明3G的技术特点和主要技术指标，说明CDMA技术的优点。
答：
3G移动通信的三大标准为：
WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA。
WCDMA全称为WidebandCDMA，其是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。
CDMA2000是由IS-95技术发展而来的宽带CDMA技术，由美国主推。
TD-SCDMA全称为TimeDivision-SynchronousCDMA（时分同步CDMA），是由中国大唐电信公司提出的3G标准。
3G的技术特点：
2009年问世的第三代（3G）与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无缝漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。
为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特／每秒）、384kbps（千比特／每秒）以及144kbps的传输速度。
（此数值根据网络环境会发生变化）。
3G参数：
WCDMA
RTTFDD
异步CDMA系统:
无GPS
带宽:
5MHz
码片速率:
3.84Mcps
中国频段:
1940MHz-1955MHz（上行）、2130MHz-2145MHz（下行）
TD-SCDMA
RTTTDD
同步CDMA系统:
有GPS
带宽:
1.6MHz
码片速率:
1.28Mcps
中国频段:
1880-1920MHz、2010-2025MHz
2300-2400MHz
CDMA2000
RTTFDD
同步CDMA系统:
有GPS
带宽:
1.23MHz
码片速率:
1.2288Mcps
中国频段:
1920MHz-1935MHz（上行）、2110MHz-2125MHz（下行）
列表如下
CDMA技术的优点如下：
（1）绿色手机低辐射。
CDMA采用码分多址及功率控制技术，接收灵敏度高，发射功率小，对人体的辐射几乎可以忽略不计。
（2）话音清晰。
CDMA采用话音激活语音编码技术，大大抑制了背景噪声，加上系统优越的通信质量，使得话音更清晰，甚至可以与固定电话效果无异。
（3）通话稳定。
CDMA网络采用软切换技术，有别于GSM的硬切换技术，可减少由于切换引起的掉话。
（4）保密性更强。
CDMA采用伪随机码（ＰＮ）作为地址码，加上独特的扰码方式，在防止串话、盗用等方面具有优于其他网络的优点，使得CDMA网通信保密性更强。
（5）优异的数据应用性能、上网速率和稳定性。
CDMA1ｘ技术的最大特点是具有高速数据传输能力，理论上的最高传输速度为307．2Ｋ／秒，现在的实际应用峰值传输速率也高达153．6Ｋ／秒，差不多是GPRS速度的4倍。
2.说明无线信道的三级模型，画出宽带无线通信多径传播信道的模型框图，并用单位脉冲序列相应描述该系统。
答：
无线电波在传输过程中的信号损耗有路径衰耗、阴影衰落和多径衰落三类。
路径衰耗是指电波直线传播的损耗，包括在自由空间中传播时固有的与距离二次方成反比的衰耗以及散射和吸收等导致的衰耗等。
路径衰耗与距离的n次方成比例，n称为路径衰耗指数，不同传输环境取不同的值。
阴影衰落是另一种情况。
无线电波在传播路径中遇到起伏的地形、建筑物和高大的树木等障碍物时，会在障碍物的后面形成电波的阴影。
接收机在移动过程中通过不同的障碍物和阴影区时，接收天线接收到的信号强度会发生变化，造成信号衰落，这种衰落称为阴影衰落。
统计测量表明，阴影衰落损耗是服从对数正态分布的随机变量。
以上两种信号衰落可以用无线信道的大尺度模型来描述，相对无线电波的频率来说变化比较缓慢，通常称为慢衰落。
而在实际通信环境中，无线电信号在短时间（数十毫秒数量级）或短距离（可以和无线电波波长相比拟）传播中会发生信号幅度的剧烈的起伏变化，变化幅度有时达到20～30 dB，这种衰落称为快衰落，又称为小尺度衰落，这种衰落是由于信号的多径传播引起的，统称为多径衰落。
由于受到周围建筑物以及地面的反射和散射作用，往往使同一波源发出的信号沿多条不同的传输路径，以不同的时间到达接收机。
这些经不同路径到达的波，称为多径波。
由于不同路径的信号的传播距离及传播时延不同，到达接收机时的相位也就不同，从而使接收到的信号的幅度有时因同相叠加而增强，有时又因反相叠加而减弱。
这样，接收信号的幅度就会产生剧烈的变化，造成畸变和衰落，这就是无线电波传输中的多径衰落。
衰落的程度依赖于多径波的强度、相对传播时间以及传播信号的带宽。
假定信道的单位冲激响应为h（t），则接受信号为：
，
或用付氏变换表示为：
R（f）=H（f）S（f）+N（f）。
由公式看出接受信号为一个加和，信号经过多次反射后的延时再到达接收端。
3.自己设计BPSK，QPSK，16QAM各一种基带映射星座方案，写出其软解调输出的对数最大似然比函数LLR
答：
星座映射：
最大似然比函数：
BPSK符号比特为C，
有
QPSK符号的比特组合为（Z（0）,Z
（1））可以看出Z（0）在星座图左半平面为1，右半平面为0，同样，Z
（1）在下半平面为1，上半平面为0,，对于判决准则
（1）
有
（2）
16QAM一个符号的比特组合（S（0）,S
（1），S
（2），S（3））,对应S（0），星座图左半平面为1，右半为0，对S
（1），下半为1，上半为0，因此
（3.1）
对于第3个比特，以I=-2d和I=2d画两条垂直于I轴的分界线，在两条分界线的外侧，第3个比特为1，夹在内侧为0，因此有
同理，对于第4个比特，有
（3.3）
4.指出OFDM系统主要优点3个和缺点2个，画出一般的基带OFDM系统的发射和接收方框图。
答：
OFDM系统主要优点：
（1）抗衰落能力强。
OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。
同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。
因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。
（2）频率利用率高。
OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。
（3）适合高速数据传输。
OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。
当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。
当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。
再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。
因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。
OFDM技术的不足之处包括以下方面：
（1）对频偏和相位噪声比较敏感。
OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。
频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1％的频偏就会使信噪比下降30dB。
因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。
（2）功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。
与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。
对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。
当然这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。
高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。
一般的基带OFDM系统的发射和接收方框图如下：
5.指出MIMO系统的两种不同的应用方法，和三种接收合并技术，指出MIMO系统的优点。
答：
MIMO系统的两种不同的应用方法：
空间复用和空间分集。
MIMO的三种接收合并技术：
（1）选择式合并。
选择式合并是指检测所有分集支路的信号,以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。
由上可见,在选择式合并器中,加权系数只有一项为1,其余均为0。
两个支路的中频信号分别经过解调,然后作信噪比比较,选择其中有较高信噪比的支路接到接收机的共用部分。
选择式合并方法简单、实现容易。
但是,由于未被选择的支路信号丢弃,因此抗衰落效果差。
（2）最大比值合并。
最大比值合并是一种最佳合并方式,它对多路信号进行同相加权合并,权重是由各支路信号所对应的信号功率与噪声功率的比值所决定的,最大比合并的输出SNR等于各路SNR之和。
所以,即使当各路信号都很差使得没有一路信号可以被单独解调出时,最大比算合并仍有可能合成出一个达到SNR要求的可被解调的信号。
（3）等增益合并。
等增益合并无须对信号加权,各支路的信号是等增益相加的。
等增益合并方式实现比较简单,其性能接近于最大比值合并。
MIMO系统的优点
利用MIMO信道可以成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。
MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流，能够增加无线范围并提高性能，同时可以提高信道的可靠性，降低误码率。
OFDM系统研究
摘要：
在无线通信系统中,存在着严重的频率选择性衰落、快衰落和慢衰落,以及各种噪声的干扰和多径传播下的码间串扰等问题，正交频分复用（OFDM）正是为了解决这些问题而提出的,它是第四代移动通信的核心技术。
该文首先简要介绍了OFDM基本原理，然后给出OFDM系统模型，并从频域的角度分析OFDM信号的性质及DFT实现，最后用MATLAB语言实现了整个系统的计算机仿真并给出参考设计程序。
关键词：
OFDM;多载波;系统仿真；MATLAB
Abstract:
Therearesomesevereproblemsinwirelesscommunicationsystems,suchasfrequencyselectivefading,fastfadingandslowfading,variousnoiseinterferencesandICIS（intercodeinterferences）inmultipathtransmissionchannel.Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing（OFDM）isproposedtosolvetheseproblems,itisthecoretechnologyofthefourthgenerationmobilecommunication.InthisarticleOFDMbasicprincipleisbrieflyintroduced,then,givenOFDMsystemmodel,andanalysisthenatureandDFTrealizationofOFDMsignalsfromthepointofviewoffrequencydomain.Finally,basedonthegivensystemmodel,OFDMsystemiscomputersimulatedwithMATLABlanguageandthereferentialdesignprocedureisgiven.
Keyword:
OFDM;Multi-carrier;SystemSimulation;MATLAB
1引言
OFDM是一种多载波调制（MCM）技术，它将串行高速信息数据流变换成为若干路并行低速数据流，每路低速数据被调制在彼此正交的子载波上，然后所有子载波叠加在一起构成发送信号。
和传统的单载波系统相比，OFDM系统的各子载波信道频谱相互重叠，因此具有较高的频谱利用率，其频谱效率比单载波高出近一倍。
同时，OFDM通过串/并转换，使高速数据流变成多个在子载波上并行传输的低速数据流，减小了无线信道对系统的影响，增强了抗多径和频率选择性衰落的能力[1]。
此外，OFDM的正交子载波将频率选择性衰落信道等效为若干并行的平坦衰落信道，将信道的影响等效为复数因子，简化了信道均衡。
而且，OFDM还可以通过动态功率分配技术和比特自适应调制技术使系统达到最优性能。
因此，OFDM作为一种高效传输技术深受关注，并陆续成为多个标准的关键技术，如数字音频广播DAB、数字视频广播DVB、无线局域网、数字电视DTY以及第四代移动通信等。
MATLAB是一套面向科学和工程计算的软件，具有强大数值分析、矩阵计算和图形处理功能。
结合丰富的工具箱使得该软件特别适合于系统设计与仿真[2]。
2OFDM的基本原理
OFDM是一种特殊的多载波传送方案，它的基本思想是将串行的数据,并行地调制在多个正交的子载波上,这样可以降低每个子载波的码元速率,增大码元的符号周期,提高系统的抗衰落和干扰的能力,同时由于每个子载波的正交性大大提高了频谱的利用率,所以非常适合衰落移动场合中的高速传输[3]。
单个用户码周期为Ts的信息流被串/并变换为N路并行低速率码流（100Hz~50kHz）,转换后的并行信号周期为T（T=NTs）,每个码流都用一条载波发送,子载波的频率满足
，n=0,1,…,N-1,即子载波的频谱相互正交,发射信号为:
（1）
用
，（m=0,1,…,N-1）对进行采样可得到N个样值:
（2）
图1和图2分别给出OFDM调制和解调原理,Cn,0…Cn,N-1为需传送的数据比特经数字调制（如MPSK,MQAM等）后的复信号,这样,子载波的调制和解调可以通过N点IFFT和FFT变换完成。
图1OFDM调制图2OFDM解调
3OFDM系统仿真模型
根据OFDM基本原理,图3给出了OFDM系统的DFT实现方式原理。
串行数据经串并变换后进行通过N点IDFT变换,完成多载波调制,使信号能够在N个子载波上并行传输,中间加入循环前缀后经并串转换、D/A后进入信道,接收端经过N点DFT变换后进行信道估计,将解调后的数据并串变换后得到原始信息比特。
图3OFDM系统的DFT方式实现原理
下面从频域的角度分析OFDM信号d（t）的性质及DFT实现[4]。
设第k个符号
调制第k个载波（表示第k道载频的幅度和相位）为
则在[0,T]内的任一时刻t，OFDM信号可以表示为：
，
（3）
将式（3）离散化,可得到X（t）信号的抽样：
（4）
该信号经过并/串变换并滤波以后便可经上变频在信道中传输。
在解调时,利用式（4）得到出信号:
（5）
式（4）是离散傅立叶反变换（IDFT）的一般形式,而式（5）是离散傅立叶变换的一般形式,这就是利用数字信号处理技术实现多载波并行传输的基本原理，大大简化了多载波并行系统的结构,且可利用快速傅立叶变换（FFT&IFFT）高速算法,增强系统的实用性。
OFDM系统的一般处理过程:
（1）发送端,将{
}做IFFT得到信号{X（k）},然后经并/串转换和滤波,则得到了OFDM信号。
（2）接收端,将接收到的信号抽样后得到{X（k）},然后对其进行FFT得到{
}的估计。
OFDM系统中各载波为
其中Δf=1/T=1/n·
（
为串行数据的符号周期）。
然而,以上所推导的结果是在不考虑符号间干扰、多径衰落等的情况下得出的。
而信道中的多径传输,以及瑞利衰落会破坏子载波间的正交性,其结果会使信号无法正确解调,更谈不上质量问题了。
因此,系统采用了增加保护时隙的方法。
OFDM信号的符号周期为T,现在要增加为T′=T+Δ（Δ就是保护时隙）,式（3）变换成式（6）:
，
（6）
由此,在任意时刻,OFDM信号可以表示为
（7）
OFDM信号中的保护间隔是由g（t）函数来实现的,g（t）定义为
（8）
从OFDM系统的基本结构可看出,一对离散傅立叶变换是它的核心,它使各子载波相互正交。
OFDM信号发射周期为[0,T],在这个周期内并行传输的N个符号为
其中,
为一般复数,并对应调制星座图中的某一矢量。
比如
A（0）和B（0）分别为所要传输的并行信号,若将其合为一个复数信号,很多个这样的复数信号采用快速傅立叶变换,同时也实现对正交载波的调制,这就大大加快了信号的处理调制速度（在接收端解调也同样）。
由于实际发送的是复数的实部,因此在IFFT的算法中会将处理后的信号都映射为实数,然后经过射频调制发出。
4信道估计方法
这里简要介绍两种信道估计方法。
一是LS（LeastSquare）估计法,就是以最小平方为目的的信道估计。
LS信道估计器的表达式为:
（9）
LS信道估计器的性能不是很好,但是在保证一定误码率的情况下,其复杂度相对非常低。
二是MMSE（MinimumMeanSquareError）估计法,就是以最小均方误差为目的的信道估计方法。
在文[5]中对其进行了详细的讨论,MMSE信道估计器的表达式为:
（10）
其中，
为信道的冲激响应，
=
，
为信道矢量的自协方差矩阵，F是DFT矩阵，
为噪声信号的方差。
5OFDM系统仿真与结果分析
本文采用MATLAB语言编写M文件来实现基带OFDM系统，记录下各个阶段的仿真图，并作对比分析。
M文件包括脚本M文件和函数M文件,M文件的强大功能为MATLAB的可扩展性提供了基础和保障,使得MATLAB能不断完善和壮大,成为一个开放的、功能强大的实用工具[6]。
M文件通过input命令可以轻松实现用户和程序的交互,通过循环向量化、数组维数预定义等提高M文件执行速度,优化内存管理,此外,还可以通过类似C++语言的面向对象编程方法等等。
附件给出主要仿真程序和说明，本文采用16QAM调制和FFT变换。
仿真主要参数如表1所示，其它参数见附录程序。
Table1
子载波数
200
每子载波含符号数
12
FFT点数N
512
循环前缀长度
1/4N
窗函数滚降系数
1/32
循环后缀长度
20
调制方式
16QAM
图4和图5分别是第一个OFDM符号的频谱及相位图；图6是第一个OFDM符号的波形和第一个OFDM符号添加循环前缀和后缀的波形以及第一个符号加窗后的波形对比图；图7是加窗后循环后缀和循环前缀不叠加发送信号波形和两者叠加发送信号波形对比图；图8将未加窗和加窗的OFDM频谱作对比通过对OFDM信号加窗前后的信号频谱进行仿真比较，得到加窗后信号的带外衰减大幅减少，但是事实上它对信号的误码率也有一定的影响[7]；
图9表示XY坐标接受信号的星座图。
图4图5
图6图7
图8图9
5结论
本文针对OFDM技术进行计算机仿真研究,在OFDM仿真模型的基础上用MATLAB语言编写出OFDM发送、信道及接收整个系统,并对各个阶段信号做了对比分析。
今后,作者将在这一仿真基础上进行OFDM系统的FPGA实现。
参考文献
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附录：
clearall;
closeall;
carrier_count=200;
symbols_per_carrier=12;
bits_per_symbol=4;
IFFT_bin_length=512;
PrefixRatio=1/4;
GI=PrefixRatio*IFFT_bin_length;
beta=1/32;
GIP=beta*（IFFT_bin_length+GI）;
SNR=15;
%================信号产生=======================================================
baseband_out_length=carrier_count*symbol
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