第7章:OFDM 信道估计与均衡(5)
第7章(5)内容如下:
- 一、参考资料
- 二、OFDM相关问题继续探讨
- 三、CP和ZP对OFDM系统的影响(完整可运行MATLAB代码及其注意点)
- 四、总结
本已打算更新OFDM同步方面的内容了,但在这之前仍有许多问题浮现在脑海,比如
(1)保护间隔(GI)和循环前缀(CP)、补零(zero padding,ZP)的区别
(2)OFDM与IFFT、FFT的关系
(3)子载波(ICI)和符号间干扰(ISI)的区别
解决以上的问题,明晰一些概念,也是为OFDM同步的内容做知识储备。
我一直提到的《MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现》下载地址是:https://github.com/LyricYang/MIMO_OFDM,该书有的代码版本可能老旧,因此需要偶尔改改代码适应新的MATLAB版本才可以正常运行。
因此,本文先讨论以上提到的问题,然后集中在OFDM采用ZP或者CP,经过多径衰落信道的误码率分析,并附上完整可运行的代码,代码下载地址:123kevin456/OFDM-5。
若出现代码缺少子函数,可在《MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现》的下载地址中https://github.com/LyricYang/MIMO_OFDM 找到相应函数。
一、参考资料
1、《MIMO-OFDM的无线通信技术及其MATLAB实现》
2、孙宇彤《LTE教程:原理和实现》
此书对于刚开始接触LTE协议的我来说,有一定的帮助。该书没有复杂的计算公式,也没有代码的相关验证,用大量的例子和图示来通俗讲明白LTE协议的许多概念,不错。
3、CSDN的《OFDM专题之子载波间干扰问题(一)》和《OFDM专题之子载波间干扰问题(二)》、《给“小白”图示讲解OFDM的原理》,这几篇文章均不错,值得多次反复学习,我时不时会翻出来阅读,认真消化。
二、OFDM相关问题继续探讨
1、子载波干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)是什么?出现这两种干扰后,各自的应对方法是什么?保护间隔(GI)和补零(ZP)、循环前缀(CP)的区别?
每次用到保护间隔时都是以CP的形式吗?用了CP后会有子载波干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)吗?
2、IFFT与FFT等技术与OFDM实现的关系?OFDM是不是就一定要用到IFFT和FFT技术?或者更本质的讲,IFFT与FFT等技术在OFDM实现中,到底起到什么样的作用?
3、下图(a)中,为什么是不同子载波信号是加到一起再进行发送呢?而不是各自发送?这是受到什么约束了呢?
接下来对各个问题依次回答。
1、子载波干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)是什么?出现这两种干扰后,各自的应对方法是什么?
在OFDM系统,最基本的传输单位是OFDM符号。由于同一信号的不同分量经过不同路径到达接收端的时间不一样。
如图4.14所示,如果保护间隔长度小于最大多径时延扩展,对于前一个OFDM符号的尾部已经影响到下一个OFDM符号的前端,这样就造成ISI。
有了符号间干扰怎么来解决呢?
当出现这个问题的时候,有的书籍便就立马引出来CP的概念了,但不解释清为什么。
其实有了符号间干扰后,我们的目的依然是让不同的OFDM符号区分开来,只需要加入保护间隔(GI)即可。
而保护间隔有两种插入方法,一种是补零(ZP),即在保护间隔中补充0。这便可以使得第n个符号经过最长路径后也不会影响到第n+1个符号,但这会给系统带来ICI。
(思考下为什么带来ICI?可以看《OFDM专题之子载波间干扰问题(一)》和《OFDM专题之子载波间干扰问题(二)》,这两篇文章解释得非常好)。
另一种便是CP。这个在《第7章:OFDM 信道估计与均衡(1)》中也已经讲到过其作用。
CP是既起到了保护间隔作用,避免了ISI,同时又使得循环扩展(为了某种连续性,可以说是为了循环卷积)消除了ICI,真是非常巧妙。
加CP和加ZP,对应在下面的代码中,是信号在接收端的处理方式有所不同。
function y=remove_GI(Ng,Lsym,NgType,ofdmSym)if Ng~=0if NgType==1 % cyclic prefixy=ofdmSym(Ng+1:Lsym);elseif NgType==2 % zpy=ofdmSym(1:Lsym-Ng)+[ofdmSym(Lsym-Ng+1:Lsym) zeros(1,Lsym-2*Ng)];endelsey=ofdmSym;
end
2、IFFT与FFT等技术与OFDM实现的关系?OFDM是不是就一定要用到IFFT和FFT技术?或者更本质地讲,IFFT与FFT等技术在OFDM实现中,到底起到什么样的作用?
在实现OFDM时,IFFT和FFT不是唯一的方法,但是一种比较好的方法。
孙宇彤《LTE教程:原理和实现》还介绍了OFDM信号的其他生成算法,比如反向离散哈特利变换(IDHT)、离散余弦变换等等。
接下来再举孙宇彤《LTE教程:原理和实现》中讲到IFFT作用,这与我在别的地方看到的不一样,可做参考。
三、CP和ZP对OFDM系统的影响(完整可运行MATLAB代码及其注意点)
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 检查正弦信号间的相交性 %%%%%%%%%%%%%%%%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% OFDM_basic_myself3.m %%%%%%%%%%%%%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% data:2020年12月11日 author:飞蓬大将军 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%程序说明
%%%(1)CP和ZP作用 (2)子载波干扰与符号间干扰的区别及其消除方法%%%%%% 仿真环境
%软件版本:MATLAB R2019a%**************************** 程序主体 **************************%
clear all;%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%参数设定%%%%%%%%%%%%%%%%%选择CP或ZP
NgType = 1; %对于ZP或CP NgType = 1或2
if NgType == 1nt = 'CP';
elseif NgType == 2nt = 'ZP';
end%%%%选择信道类型
Ch = 0;
if Ch == 0chType ='AWGN'; %高斯白噪声信道 Target_neb = 100;
elsechType ='CH';Target_neb = 500;
end
figure(Ch+1);
clf;PowerdB = [0 -8 -17 -21 -25]; %信道抽头功率特性'dB'
Delay = [0 3 5 6 8]; %信道时延
Power = 10.^(PowerdB/10); %信道抽头功率特性 '线性'
Ntap = length(PowerdB);
Lch = Delay(end)+1;
Nbps = 2; %调制阶数 2/4/6
M = 2^Nbps; %QPSK、16-QAM、64-QAM
Nfft = 64; %FFT大小%Ng = 3;Ng = Nfft/4; %保护间隔(GI)长度,若没有保护间隔,Ng = 0
Nsym = Nfft + Ng; %符号周期%%%调整Nvc
Nvc = Nfft/4; %Nvc若等于0,则没有VC(虚拟子载波)
% Nvc = 0; %Nvc若等于0,则没有VC(虚拟子载波)Nused = Nfft - Nvc; %Nused为用于传输数据的子载波数EbN0 = [0:2:20]; %Eb/N0
% EbN0 = 50; %Eb/N0
N_iter = 1e5; %对于每一次EbN0的迭代次数
Nframe = 3; %每一帧的符号数
sigPow = 0; %初始信号功率
file_name = ['OFDM_BER_' chType '_' nt '_' 'GL' num2str(Ng) '.dat'];
fid = fopen(file_name,'w+');
norms = [1 sqrt(2) 0 sqrt(10) 0 sqrt(42)]; %BPSK 4-QAM 16-QAMfor i = 0:length(EbN0)randn('state',0);rand('state',0);Ber2=ber(); %初始化BERNeb = 0; %初始化误比特数Ntb = 0; %初始化总比特数for m = 1:N_iterX = randi([0 M-1],1,Nused*Nframe);Xmod = qammod(X,M,'gray')/norms(Nbps);if NgType~=2x_GI = zeros(1,Nframe*Nsym);elseif NgType == 2x_GI = zeros(1,Nframe*Nsym+Ng);end
% kk1 = 1:Nused/2;
% kk2 = Nused/2+1:Nused;kk1 = [1:Nused/2];kk2 = [Nused/2+1:Nused];kk3 = 1:Nfft;kk4 = 1:Nsym;for k = 1:Nframeif Nvc~= 0X_shift = [0 Xmod(kk2) zeros(1,Nvc-1) Xmod(kk1)];elseX_shift = [Xmod(kk2) Xmod(kk1)];endx = ifft(X_shift);x_GI(kk4) = guard_interval(Ng,Nfft,NgType,x);kk1 = kk1 + Nused;kk2 = kk2 + Nused;kk3 = kk3 + Nfft;kk4 = kk4 + Nsym;end%%%%%能量检测if i == 0 %只测量信号功率sigPow_temp = x_GI*x_GI';;endif Ch==0y = x_GI; %没有信道else %多径衰落信道channel =(randn(1,Ntap)+1j*randn(1,Ntap)).*sqrt(Power/2);h = zeros(1,Lch);h(Delay+1) = channel;y = conv(x_GI,h);endif i == 0 %只测量信号功率y1 = y(1:Nframe*Nsym);sigPow = sigPow + y1*y1';continue;end%******************** 信道 ***********************%snr = EbN0(i) + 10*log10(Nbps*(Nused/Nfft)); %%方便fig标号,(1),原书公式
% snr = EbN0(i) + 10*log10(Nbps);
% snr = EbN0(i) + 10*log10(Nbps*(Nfft/Nsym)); %%方便fig标号,(3)CP消耗能量noise_msg = sqrt((10.^(-snr/10))*sigPow/2);y_GI = y + noise_msg*(randn(size(y)) + 1j*randn(size(y)));%%%%%%%%%%%接收端kk1 = (NgType==2)*Ng + [1:Nsym];kk2 = 1:Nfft;kk3 = 1:Nused;kk4 = Nused/2 + Nvc + 1:Nfft;kk5 = (Nvc~=0)+[1:Nused/2];if Ch ==1H = fft([h zeros(1,Nfft-Lch)]); %信道频率响应H_shift(kk3) = [H(kk4) H(kk5)];endfor k =1:NframeY(kk2) = fft(remove_GI(Ng,Nsym,NgType,y_GI(kk1)));Y_shift = [Y(kk4) Y(kk5)];if Ch ==0Xmod_r(kk3) = Y_shift;elseXmod_r(kk3) = Y_shift./H_shift; %均衡器endkk1 = kk1 + Nsym;kk2 = kk2 + Nfft;kk3 = kk3 + Nused;kk4 = kk4 + Nfft;kk5 = kk5 + Nfft;endX_r = qamdemod(Xmod_r*norms(Nbps),M,'gray');Neb = Neb + sum(sum(de2bi(X_r,Nbps)~=de2bi(X,Nbps)));Ntb = Ntb + Nused*Nframe*Nbps;
% if Neb>Target_neb
% break
% endendif i == 0sigPow = sigPow/Nsym/Nframe/N_iter;fprintf('Signal power= %11.3e\n', sigPow);fprintf(fid,'%%Signal power= %11.3e\n%%EbN0[dB] BER\n', sigPow);elseBer = Neb/Ntb;fprintf('EbN0=%3d[dB], BER=%4d/%8d=%11.3e\n', EbN0(i), Neb,Ntb,Ber)fprintf(fid, '%d\t%11.3e\n', EbN0(i), Ber);if Ber<1e-6break;endend
end %end for i
if(fid~=0)fclose(fid);
end
disp('sumualtion is finished');
plot_ber(file_name,Nbps);%%%%选择CP或ZP
if Ch == 1if NgType == 1a = load(file_name);save('ofdm_basic_myself3_cp16_rayleigh','a');elseif NgType == 2b = load(file_name);save('ofdm_basic_myself3_zp16_rayleigh','b');end
else%%%%%%%%%%%%%%实验记录
%%%%2020年12月11日
%%%%CP和ZP都能起到保护间隔的作用,消除了子载波干扰和符号间干扰
%%%%在AWGN和瑞利信道下均能画出正确误码率曲线
在上面的代码中,有以下几点值得注意:
(1)SNR其实是ES/N0
原书公式snr = EbN0(i) + 10log10(Nbps)+10log10*(Nused/Nfft)),其实是EsN0(i) = EbN0(i) + 10log10(Nbps)+10log10*(Nused/Nfft)) 有10*log10(Nbps)这一项是很好理解的,因为一个调制后的符号能量是Nbps个比特的能量。后面的10*log10*(Nused/Nfft))让我想了非常久。
由EbRb=EsRs{E_b}{R_b} = {E_s}{R_s}EbRb=EsRs ,得到 EsN0=EbN0RbRs\frac{{{E_s}}}{{{N_0}}} = \frac{{{E_b}}}{{{N_0}}}\frac{{{R_b}}}{{{R_s}}}N0Es=N0EbRsRb 。
Rb=NusedNbpsTsym+TGI{R_b} = \frac{{{N_{used}}Nbps}}{{{T_{sym}} + {T_{GI}}}}Rb=Tsym+TGINusedNbps ,而 Rs=NfftTsym+TGI{R_s} = \frac{{{N_{fft}}}}{{{T_{sym}} + {T_{GI}}}}Rs=Tsym+TGINfft ,有了这两个公式,便可以理解上面EsN0与 EbN0的换算关系了。
而书中给出了时域信噪比和频域信噪比的概念,这是我第一次听说这两名词。
在这里没有考虑我之前的通信有效性与可靠性的衡量,即将保护间隔当做冗余处理。
(2)以上的代码是基带仿真!基带仿真!基带仿真!
有的同学可能觉得经过IFFT之后,信号便被“调制”了。调制的目的是“搬移频谱”,做IFFT变换只是在基带上搬移了。
经过IFFT后的信号当做一个整体,再去乘以coswt,进行上载波,整体的搬移,信号才搬移到带通信号了。
图1 CP和ZP对AWGN下OFDM的误码率影响
(3)调整NgType、CH的值、不同的调制方式、Ng的长度便可以得到相应的实验结果。
下面的图中,AWGN analytic是AWGN信道下的理论误码率曲线、Rayleigh fading analytic是多径瑞利信道下的理论误码率曲线,下同。
simulation是根据实验条件的仿真曲线,比如是加入CP还是ZP、在AWGN信道还是多径瑞利信道、CP或ZP的长度对实验的影响等等。
图2 多径瑞利信道,CP长为16的误码率曲线图
图3 多径瑞利信道,ZP长为16的误码率曲线图
从图2和图3,可以看出CP和ZP长度大于最长路径时延时,且接收端完美知道信道状态信息,并能对有信道进行补偿后,都可使得两者的误码率曲线接近理论误码率曲线,实验正确。
改变CP和ZP的长度为3:
图4 多径瑞利信道,ZP、CP长为3的误码率曲线图
图5 多径瑞利信道,ZP或CP为0的误码率曲线图
(4)代码中还未对基带信号进行加窗处理,或者升余弦滚降处理,后续再考虑。
四、总结
OFDM系统中概念确实较多,然通过死记硬背不能充分理解各个知识点的前因后果,便常在脑海中有许多为什么?
《MIMO-OFDM的无线通信技术及其MATLAB实现》中大量的数学公式和代码,但较枯燥;
而CSDN的《OFDM专题之子载波间干扰问题(一)》和《OFDM专题之子载波间干扰问题(二)》、《给“小白”图示讲解OFDM的原理》,作者会结合图例与自己的理解,以更加通俗的方式讲出来。
以上两类材料,相得益彰,一起阅读,效果更好。因此,同一个知识点,看不同的人讲,交叉验证,能帮助学习更扎实。
欢迎你双击屏幕、点赞、收藏、转发和分享,关注我的知乎号、CSDN号,也欢迎读者朋友就相关技术问题与我交流,一起学习,共同进步。请你也别忘了把这篇文章分享给你身边正在学习通信专业的同学们,也许能够帮到Ta。
这是《陈老湿·通信MATLAB》仿真的第7章,期待下次更新见!
第7章:OFDM 信道估计与均衡(5)相关推荐
- 第7章:OFDM 信道估计与均衡(1)
第7章(1)内容如下: 一.OFDM相关书籍 二.OFDM基本原理 三.OFDM经过高斯白噪声信道的误码率分析 三.总结 本人最近搞懂了OFDM的一些知识,便给本章取名为第7章--OFDM信道估计.均 ...
- 第7章:OFDM 信道估计与均衡(4)
第7章(4)内容如下: 一.导频结构与图案 二.基于导频的信道估计算法和插值方法 本文所有可运行代码下载地址是:123kevin456/OFDM- 一.导频结构与图案 前三讲介绍了OFDM经过AWGN ...
- 第7章:OFDM 信道估计与均衡(2)
第7章(2)内容如下: 一.瑞利衰落信道介绍 二.OFDM经过多径衰落信道的误码率分析 三.总结 本文对应的完整可运行代码下载地址:123kevin456/OFDM-. 一.瑞利衰落信道介绍 第(1) ...
- m基于深度学习的OFDM信道估计和均衡算法误码率matlab仿真,对比了LS,MMSE以及LMMSE等传统的信道估计算法
目录 1.算法描述 2.仿真效果预览 3.MATLAB核心程序 4.完整MATLAB 1.算法描述 随着无线通信的快速发展,5G正逐渐成长为支撑全社会各行业运作的大型基础性互联网络,其服务范围的大幅扩 ...
- m基于matlab的光通信的信道估计,均衡,抑制papr误码率仿真,对比ZF,RLS,MMSE三种算法
目录 1.算法描述 2.仿真效果预览 3.MATLAB核心程序 4.完整MATLAB 1.算法描述 可见光通信的信道估计,均衡,抑制papr. 不考虑光信道,用传统的无线通信的OFDM的信道估计,均衡 ...
- 无线通信——基于MATLAB实现OFDM系统(信道估计与均衡)
基于MATLAB实现OFDM系统基带信号在频率选择性衰落信道条件下的发送与接收 题目及要求: 仿真系统构成:信号输入(为随机比特流).OFDM调制.仿真信道传输.OFDM解调.信号输出(可能存在误码的 ...
- 下行物理信道rs_信道估计与均衡
在LTE系统中采用了MIMO技术,多天线收发.由于天线之间的物理位置差异,收发双方通过多根天线之间的位置关系产生了多种不同的收发路径效果,如果这多种路径效果最终能很有效的结合起来互相弥补不足,则可以达 ...
- 基于LS最小二乘法的OFDM信道估计误码率matlab仿真
目录 1.算法描述 2.仿真效果预览 3.MATLAB核心程序 4.完整MATLAB 1.算法描述 ofdm基本结构如下所示: 信道估计是使用接收信号表现出来的各种状态来对信道的特性进行估计的过程.信 ...
- m基于机器学习MLP的OFDM信道估计误码率matlab仿真,对比LS和MMSE两种信道估计算法
目录 1.算法描述 2.仿真效果预览 3.MATLAB核心程序 4.完整MATLAB 1.算法描述 信道估计器是接收机一个很重要的组成部分.在OFDM系统中,信道估计器的设计上要有两个问题:一是导频信 ...
最新文章
- RT-Thread与智能车比赛
- 加强linux操作系统DNS服务安全
- 数据集的使用方法和技巧
- 基于注释的Spring Security实战
- 你能想象吗?几年后数据科学家纷纷下岗再就业
- ORACLE客户端连接
- QT实现appendSheet
- Oracle Library cache 内部机制 说明
- Spring Security 工作原理概览
- 基于物联网平台开发手机混合 App
- ubuntu18只进入安全模式_Ubuntu安装最佳实践(防踩坑指南)
- 阿里巴巴入选的JCP最高执行委员会,何方神圣?
- linux code lite编译c,CentOS 6.2编译安装CodeLite 5.3
- 在痛苦的日子里笑出声来
- netty-对象池实现Recycler用法测试
- redis数据类型及操作
- Sailfish OS
- 零代码制作客制化87键机械键盘
- 矩阵相似对角化与不能对角化的解释
- vivado添加文件之后出现non-module file的问题
热门文章
- 原创Citrix XenDesktop7.15长期稳定版本虚拟桌面-实施手册
- windows server 2008 R2、windows 10、windows server 2012 R2安装windows media player
- CDOJ 1284 苦恼的郭大侠 map启发式合并
- esxi能直通的显卡型号_没有驱动,显卡不动:amd显卡驱动安装教程
- 重要的软件测试度量和度量指标(1)——附带例子和图表
- 【货干】强制删除文件夹/文件
- Tizen与鸿蒙,被忽视的对手:三星的自研系统,已全球第一,成华为鸿蒙对手
- windows7资源管理器中增加XP下的摄像头图标
- 计算机信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域
- JTable 合并单元格 简易实现