多载波调制与OFDM传输系统的研究

毕业设计（论文）中文题目大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计（论 文）大连民族学院本科毕业设计（论文）题目学 院（系）： 信息与通信工程学院 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2013 年 6 月 3 号 毕业设计（论文）中文题目摘 要多载波调制是一种多路复用技术，它是将高速的数据流经过串并转换后变为多路低速的数据流在信道中传播从而来抵抗由于无线信道的多径传输所引起的信道干扰和码间干扰。正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波调制技术，除了具备多载波调制系统的优点，OFDM 中采用了子载相互叠加且正交的方式来节省频带宽度，提高了频谱利用率。OFDM 系统的研究主要着重于同步、峰均比的降低、均衡和信道的估计几个关键的技术研究，本文在第三章重点论述了 OFDM 系统中的同步问题。Matlab 软件能够仿真 OFDM 调制过程和结果，通过与另外的一种调制技术对比，可以进一步了解 OFDM 技术调制的优势。OFDM 技术于 70 年代首次被提出，由于它相对于单载波调制系统和其它多载波调制系统更具优越性，因此它发展非常迅速，尤其是今年来无线通信系统中到处有正交频分复用的身影，可以料想，OFDM 即将成为第四代移动通信技术的中流砥柱。本文首先大致介绍了多载波调制与 OFDM 技术的原理以及正交频分复用的发展历程和背景，在接下来的第二章便重点讨论了 OFDM 技术的主要原理，用仿真结果对其时域和频域波形进行了必要的分析。论文的第三章针对 OFDM 中最重要的同步技术进行了基本方面的探讨并分析了时间和频率两种同步。第四章是基于 Matlab 的 OFDM系统的仿真，将加入保护间隔后的 OFDM 系统与 QAM 调制方式对比来验证本文阐释的理论。关键字：OFDM；同步技术；Matlab毕业设计（论文）中文题目IAbstractMulti-carrier modulation is a multiplexing technique, it is the high-speed data flow through the string and converted into a multi-speed transmission in the channel data streams so as to resist the radio channel caused by multipath transmission channel interference and intersymbol interference. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a special multi-carrier modulation technique, addition to the advantages of multi-carrier modulation system, OFDM sub-carriers used in a superposed on each other and orthogonal to save the bandwidth and improve the spectrum utilization rate. OFDM system research mainly focuses on synchronization, PAPR reduction, equalization and channel estimation several key technologies, this paper focuses on the third chapter discusses the synchronization problem in OFDM systems. Matlab software can simulate OFDM modulation process and results, through a modulation technique with another comparison, you can learn more about the advantages of OFDM modulation technology. OFDM technology was first proposed in the 1970s, as it is relative to a single carrier modulation system, and other multi-carrier modulation system is more advantageous, so it is growing very rapidly, in particular to a wireless communication system in this everywhere orthogonal frequency division multiplexing figure, you can expect, OFDM is about to become the fourth generation mobile communication technology backbone.This paper first introduces the general multi-carrier modulation and OFDM technology principle and orthogonal frequency division multiplexing development history and background, the next chapter will focus on the main principles of OFDM technology, with its time-domain simulation results and frequency domain waveform of the necessary analysis. In the third chapter of the most important for the synchronization of OFDM technology for the fundamental aspects discussed and analyzed two synchronization of time and frequency. The fourth chapter is based on the Matlab OFDM system simulation, will join the guard interval of OFDM systems with QAM modulation contrast to validate the theoretical interpretation.Key Words：Multi-carrier modulation ；OFDM technology；synchronization 毕业设计（论文）中文题目II目录摘 要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 多载波调制 .11.2 OFDM 调制技术 .11.2.1 OFDM 的发展状况及意义 .21.2.2 OFDM 的优点与不足 .31.2.3 OFDM 系统中的关键技术 .32 多载波调制与 OFDM 系统原理的概述 .52.1 多载波调制 .52.2 OFDM 系统的调制和解调原理 .52.3 OFDM 信号的时域及频域波形 .62.4 OFDM 的循环前缀和保护间隔 .83 OFDM 的同步技术 .123.1 几种同步简要介绍 .123.2 OFDM 系统的时间同步和频率同步 .134 OFDM 系统 matlab 仿真 .154.1 MATLAB 简介 .154.2 参数设定及算法的说明 .154.2.1 参数的设定 .154.2.2 算法的说明 .164.3 实验仿真结果 .164.4 误码性能分析及实验结论 .20结 论 .22附录 .24毕业设计（论文）中文题目01 绪论1.1 多载波调制多载波即 Multi-Carrier-Modulation，简称 MCM。过去通信系统中一般使用用单个载波来调制携带信息的传输的信号。在过去的通信环境中，数据传输的速率不是很快、由于无线信道不稳定的多条路径对信号所产生的干扰不足以导致传输信息出错的前提下，合适地选用均衡器和设计均衡计算的方法能够维持系统正常工作。然而对于有些用户来说，由于他们使用的数据传输量大，要求的速度快，所以信道的多径传输会使信息传输过程中前后符号顺序错乱，产生符号间干扰。使得均衡技术要进一步改进，需要引入更加复杂的均衡算法，比较不容易实现。而且，一旦传输信号的带宽大于或等于通过信道的带宽时，仍然会造成信号的频率选择性衰落。多载波调制(Multicarrier Modulation)方法通过多个信号来载波。它把一个信号流分解为多个子信号流，这样使每个信号流的传输速率与分解前整个信号传输的速率慢得多，而后再利用这些数据分别去调制若干个载波，各信道的带宽也小于系统的总带宽。因此数据在传输的信道中，信号的传输速率相对较低，一个信号的的持续时间变长，如果延迟的时间和一个信号的周期的比值小到一定程度时，时间的延迟对于接收端的信息提取和处理就可以忽略，所以采用多路载波调制信息无线传送就大致可以避免因信道多样性而产生的干扰。实现多载波调制的方法有很多种，除了典型的正交频分复，还有多音调制、MC-CDMA 和编码 MCM（Coded MCM） 。OFDM 的优越性在于采用载波正交的方式，既利用接收端提取信息，也可以克服信道多种路径带来的干扰，是当前研究的一个热点。1.2 OFDM 调制技术OFDM 调制的思路是把要传输的速率很高的信息流分成多个速率相对比较低的信息流来传输并且将每个传输信息的信道相互正交来节省带宽，变成低速率的 N 路并行数据流，此时每一路的数据速率变成了原来的 1/N，符号周期扩大为原来的 N 倍，这样保证数据符号的持续时间远大于信道的时延扩展，避免了复杂的信道均衡的影响。同时将因瑞利衰落而产生的突发错误随机地分布在各个子信道上，这样每个符号都有受到影响待都不会太大，每个符号携带的信息都能够被完整地取出，如果干扰施加在特定的几个符号上，那么这几个符号所携带的信息将完全丢失。另外，还可以在每个 OFDM 信号前加上该信号的的副本作为循环前缀，以此来避免符号间的相互影响，所以符号间干扰就可以得到明显的减少，从而达到克服信道时延扩展所带来的符号间的干扰。OFDM 有多载波传输具备的先天很强的避免无线通信信道多样和不确定对信号产生的影响以及应对突发性错误的能力，很适合于高速无线数据传输。毕业设计（论文）中文题目1OFDM 使用正交的子载波作为子信道，各子载波有 1/2 的重叠，如图 1.1 所示。但相邻子信道传输的载波是相互正交的，解调端对于相互正交的信号能够根据相关的算法将他们所携带的信号无失真地提取出来，如果采用信道分离的方式，那么还需要用每个频段对应的滤波器滤波，载波正交极大地提高了频偏利用率，当子载波个数越多时，系统的频谱利用率越高。除了克服信道时延扩展和信道宽度所带来的符号间的干扰，并通在频谱上编排子载波时使其相互正交并传输，OFDM 还易于和其他多种接入方法结合使用。OFDM 多载波调制技术还能应用在智能化无线天线、专门抗干扰环节，子载波频域内相互正交控制空等技术中。图1.1 OFDM频谱示意图1.2.1 OFDM 的发展状况及意义OFDM 思想最始于上个世纪 50 年代末。60 年代，人们在理论上发现把要传输的速率很高的信息流分成多个速率相对比较低的信息流来传输并且将每个传输信息的信道相互正交可以节省带宽。1971 年，美国的一位科学家在一家权威专业做杂志用IFFT 对相邻子信道传输的载波实施解调上的文章引起了广泛关注，这种方法不用专门的仪器来产生子载波在接收端也不用设计专门的滤波器去分离正交的子载波，为应用数学来实研究 OFDM 系统奠定了理论基础。到了八十年代，OFDM 调制方式已应用在各种无线系统的传输过程中，并且有更多的科学家深入研究了这一技术，此时离散傅氏变换在移动通信中发挥出了巨大的优势，由于避免了调制和解调器的使用，系统的成本和复杂性都大大降低了，但由于随之而来的一些其他技术问题，OFDM 调制方式也没有过于广泛的被采用。进入 90 后，用户需求的信息传送量和传输速率飞速增长，由于研究 OFDM 技术已发展到了民用无线通信中高速率传输中，并且可以进行不断地技术更新去不断地完善传输系统的缺点，因而 OFDM 在民用通信系统中被广泛应用。20 年代以来，由于 DSP 技术发展迅速，OFDM 有多载波传输具备的先天很强毕业设计（论文）中文题目2的避免无线通信信道多样和不确定对信号产生的影响以及应对突发性错误的能力，被广泛地采纳和进一步研究。如今，基于：电气电子工程师学会 802.15 标准的个人信息网、基于电气电子工程师学会 802.16 标准的无线城域网及第四代移动通信系统中都使用了 OFDM 传输系统，该技术在无线通信系统中得到更多的关注。作为一种特殊的多载波传输方案，OFDM 具备单载波传输与非正交载波传输等其它传输技术不具备优越性，例如它能够对抗多径效应对信号所产生的干扰并简化信道的均衡技术。此外 OFDM 主要是把高速的数据流经过串并转换成许多低速数据流来提高数据传输的速度。速率降低后，码元周期增加，当码元周期的长度大于时延扩展时信号就不再受信道时延的影响。另外，每个 OFDM 信号前加上该信号的的副本作为循环前缀，以此来避免符号间的相互影响，所以符号间干扰就可以得到明显的减少。另外，子载波间互相正交不仅可以节省频率，而且只要它们在到达接收端时也能保持正交，那么接收机就能分离出相互正交的子信道的信号，这能大大地提高频谱利用率。综上所述，OFDM 技术拥有巨大的研究价值和发展潜力。1.2.2 OFDM 的优点与不足OFDM 的优点：OFDM 有多载波传输具备的先天很强的避免无线通信信道多样和不确定对信号产生的影响以及应对突发性错误的能力。子载波间互相正交不仅可以节省频率，并且随着子载波个数越的增加，系统的频谱利用率得以提高。将高转换为多条低速信号流，每个 OFDM 信号前加上该信号的的副本作为循环前缀，以此来避免符号间的相互影响。OFDM 调制技术很容易配合其他系统连接技术，它能够与分集、智能天线、空时编码、干扰抑制等技术相结合。OFDM 的缺点：对由突发性错误引起的相位抖动和频率不一致而错失正交性很敏感。OFDM 信号的峰均比较大，这会在接收端用频率范围很大的解调器。OFDM所采用的根据预测信道来调整调制方式自动纠错的技术以及加载算法会增加 OFDM 信号传输系统的复杂度，同时会降低系统效率。1.2.3 OFDM 系统中的关键技术(1)同步技术同步技术是 OFDM 中十分关键的技术，它对 OFDM 系统的影响很大，关系到系统的性能。它是指发送端和接收端在相同的时间内获知一个信号从发送到传输的过程，从而在保持频率一致的情况下发送和接收信号。系统产生的频率偏移会使导致干扰载波间的干扰。在 OFDM 系统中，包括载波同步，符号同步和样值同步。(2)信道估计无线通信信道不固定，信号从发射到被接受要经过不确定的无线信道的传输，毕业设计（论文）中文题目3对无线通信系统的性能影响很大。进行信道估计，可以让我们由传输的信息得到相关解调，预先知道信道的频谱特性，实现信号的正确接收。常见的信道估计方法有基于导频信道和基于导频符号两种。OFDM 系统一般都是时间和频率共同作用，所以可以同时在时间和频率都插入一个专门的信号表明频率信息，通过在接收端接受这个符号来计算信道的性质和传输特点。(3)降低峰值平均功率比OFDM 采用多载波技术，若在某一个时间点上几个波形振动的最大值恰好重叠，这一刻的幅值就很大，最大幅值也平均功率的比值变很大，峰均比就是峰值的功率跟系统总的平均的功率的比值，所以，当峰均比很大时，系统功率放大器线形范需要很宽，不然的话，当峰值很高的信号通过滤波器的放大区时波形会被改变，相邻子信号就不再正交，系统性能降低。然而当信号中出现的波形的峰值很大时发射机的放大范围必须很大，这种高级的发射机一来不容易达到，二来太大的方法范围必然导致工作效率非常低。通信系统终端同样需要高效率的功率放大。有三种方法可解决这个问题：一、限幅类技术。应用窗函数对有效波形进行过滤、用波形发生器发生与已知波形对应的载波使波形相位交错从而最大幅度处波形相互抵消和第三种是利用适当途径限制波形最大值。二、编码类技术。用编码来控制传输的信号码字集合，限制码字幅度，避开信号峰值。三、概率类技术。基本思想降低波形同相叠加的概率。其中降低波形同相叠加的概率实现起来较为可行，成为降低峰均比的技术研究热点。(4)均衡均衡的原理是通过一定手段对信号传输过程中因信道不均和多样行所产生的不完整和错误进行相应补足和修改，等同于 OFDM 技术采用的多径信道分流的特性。在信息损失很严重的传输过程中，信息路径具有持续时间很长的迂回婉转性，有可能一个信号暂时丢失但经过一定时间后又完好无缺的循环回来，这样的化加在 OFDM 符号之前的作为保护间隔的副本的时间长度同样要很长。而循环前缀太长，必然有大量能量损失，特别是当系统中的子载波个数不多时。在这些情况下均衡技术变发挥了用处。(5)信道编码和交织信道编码和交织有助于进一步提高系统性能，信道编码主要应对衰落的信号传输信道中随机产生的干扰；交织技术则是用来应对信号传输过程中产生的突发性的影响。OFDM 系统在实际中一般来说是将信道编码和交织技术结合应用，从而加强系统的抗干扰能力，提高系统的传输性能。毕业设计（论文）中文题目42 多载波调制与 OFDM 系统原理的概述2.1 多载波调制多载波调制的英文全称是 Multi-Carrier-Modulation，在很多文献中它直接被表示成为 MCM。多载波调制就是在传输过程中，把一个信号流分解为多个子信号流，这样使每个信号流的传输速率与分解前整个信号传输的速率慢得多，而后再利用这些数据分别去调制若干个载波，各信道的带宽也小于系统的总带宽。这样数据流中的信号流前后之间就不会有相互的干扰产生，相当于各自在平坦