MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB(OFDM)
### OFDM技术基础 #### 一、单载波与多载波传输 ##### 1.1 单载波传输 单载波传输是无线通信中最基本的传输方式之一。在单载波系统中,数据符号通过一个连续的信号进行传输。这种传输方式简单直观,但在存在多径效应或多普勒频移时,会遇到严重的性能问题,特别是当信道条件复杂时。 **1.1.1 单载波基带传输:系统模型** 单载波通信系统的典型配置如图4.1所示。考虑一个带宽为W的带限信道h(t),数据符号{a_n},每个符号周期为T秒,即数据率为R=1/T。发送符号经过发射滤波器g_T(t)后通过信道传播到接收端,在接收端经过接收滤波器、均衡器和检测器处理。设g_T(t)、g_R(t)和h^-1(t)分别表示发射滤波器、接收滤波器和均衡器的冲激响应。 均衡器输出可以表示为: \[ y(t) = \sum_{m=-\infty}^{\infty} a_m g(t-mT) + z(t) \] 其中z(t)是加性噪声,g(t)是整个端到端系统的冲激响应,定义为: \[ g(t) = g_T(t) * h(t) * g_R(t) * h^{-1}(t) \] 均衡器设计用于补偿信道效应。在此节中假设信道效应被均衡器完全补偿,因此整体冲激响应仅受发射和接收滤波器的影响。忽略噪声项时,均衡器采样输出信号可表示为: \[ y(t_n) = \sum_{m=-\infty}^{\infty} a_m g((n-m)T) \] 其中 \( t_n = nT \)。 将第n个样本隔离出来检测a_n,上式可以写为: \[ y(t_n) = a_n g(0) + \sum_{m=-\infty, m \neq n}^{\infty} a_m g((n-m)T) \] 注意g(t)由于信道带宽有限而无法是时间有限的。如果对于所有的 \( m \neq n \),\( g((n-m)T) \neq 0 \),则第二项成为符号间干扰(ISI)。事实上,ISI是由整个冲激响应的尾部引起的,这可能会影响数字通信系统的性能。因此,在实际系统中必须精心设计发射滤波器和接收滤波器,以最小化或完全消除ISI。图4.2展示了接收机中由整体冲激响应尾部引起的ISI情况。 #### 二、多载波传输——OFDM原理 多载波传输是解决单载波传输中面临的符号间干扰(ISI)问题的有效方法之一,而正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)是最具代表性的多载波调制技术。 ##### 2.1 OFDM基本概念 OFDM的基本思想是将高速的数据流分成多个低速子数据流,并在不同的子载波上并行传输这些子数据流。每个子载波上的数据速率较低,从而降低了符号率,有效地对抗了符号间干扰(ISI)。此外,由于子载波之间保持正交性,即使在多径环境下,OFDM也能提供良好的抗干扰能力。 ##### 2.2 OFDM的工作原理 在OFDM系统中,原始数据首先被分割成多个子数据流,然后使用快速傅里叶变换(FFT)来分配这些子数据流到各个子载波上。在发送端,采用离散傅里叶逆变换(IFFT)来生成复合信号;在接收端,则使用FFT来恢复子数据流。为了进一步提高系统性能,通常会在每个OFDM符号之前添加保护间隔,即循环前缀(Cyclic Prefix, CP),以防止ISI。 #### 三、MATLAB仿真程序 《MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB》这本书包含了大量的MATLAB仿真程序,可以帮助读者深入理解OFDM的基本原理及其在不同环境下的应用效果。这些程序涵盖了OFDM系统的关键组件,例如子载波分配、FFT/IFFT实现、循环前缀的添加和去除等。 通过这些仿真程序,不仅可以验证理论分析的正确性,还可以模拟真实世界中的各种信道条件,如瑞利衰落、高斯白噪声等,从而评估不同参数设置对系统性能的影响。 《MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB》不仅是一本关于OFDM基础知识的介绍书籍,还提供了丰富的实践工具,有助于读者深入理解并掌握这一重要的无线通信技术。
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