毕业设计（论文）-基于Matlab的OFDM系统设计与仿真.pdf

本科生毕业设计（论文） 题目： 基于 matlab 的 ofdm 系统设计与仿真 基于 matlab 的 ofdm 系统设计与仿真 姓名： 学号： 班级： 任 务 下 达 日 期 ： 2008 年任 务 下 达 日 期 ： 2008 年 2 月月 25 日日 毕业设计日期：毕业设计日期： 2008 年年 2 月月 25 日至日至 2008 年年 6 月月 20 日日 毕业设计题目：毕业设计题目：基于matlab的ofdm系统设计与仿真基于matlab的ofdm系统设计与仿真 毕业设计专题题目：毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求：毕业设计主要内容和要求： 主要内容和要求： 实现对 ofdm 系统的基本仿真实现基于 matlab 软件的 ofdm 系统的一些基本仿真， 实现以下要求： (1)学习和掌握 ofdm 的基本原理； (2)在掌握 matlab 软件的基础上，设计 ofdm 系统并进行仿真； (3)对 ofdm 系统的抗噪声性能进行分析，并得出 ber 曲线，在此基础上完成毕业 设计论文。 院长签字： 指导教师签字： 毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力； 研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及 工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等） ： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所 学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点； 写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等） ： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 提 出 问 题 回 答 问 题 正 确 基本 正确 有一 般性 错误 有原 则性 错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 摘 要 随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，ofdm 技术在综 合无线接入领域得到广泛的应用，它将是 4g 移动通信的核心技术之一。 ofdm(orthogonal frequency division multiplexing)是一种特殊的多载波传输 方案，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，是目 前已知的频谱利用率最高的一种通信系统，具有传输速率快、抗多径干扰能力强 的优点。目前，ofdm 技术在数字音频广播(dab)、地面数字视频广播(dvbt)、 无线局域网等领域得到广泛应用。 本文分析了无线信道的特点，简要概述了 ofdm 技术的发展状况、原理、数 学表示、部分关键技术，采用 matlab 仿真的方法，对由于高斯噪声而产生码间干 扰等问题进行了仿真和讨论,并对 qpsk 调制技术进行了较为全面的仿真和分析。 文中通过仿真得出了在一定信噪比范围内的 ber 性能曲线。 关键词：正交频分复用；调制； 解调 正交频分复用；调制； 解调 abstract as people on the needs of data communication, broadband, individuals and mobile, ofdm technology accesses a wide range of applications in the field of integrated wireless , it will be one of the core technology of 4 g mobile communications. ofdm (orthogonal frequency division multiplexing) is a special multi-carrier transmission scheme , it combines some technologies such as figure modulation, digital signal processing, multi-carrier transmission .it is the maximum utilization of the spectrum communication system ,with the advantages of faster transfer rates ,anti-multipath interference. currently known at present, ofdm technology is widely used in the digital audio broadcasting (dab), terrestrial digital video broadcasting (dvb-t) and wireless lan. the paper analyzes the features of wireless channel, and briefly summarizes the development, principles, mathematics denotation, some key technology of the ofdm. at the same time, imitate and discuss deeply about some problems, such as isi and qpsk modulation by using the method of matlab simulation. this paper simulates the scope of ber performance curve within a certain signal to noise ratio. key words: ofdm; modulation; demodulation 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 1 1.2 无线通信 1 1.2.1 无线通信概述 . 2 1.2.2 无线信道特性 3 1.3 ofdm概述及应用 3 1.3.1 ofdm的应用 3 1.3.2 ofdm的发展 5 1.3.3 ofdm的关键技术 6 1.3.4 ofdm的优缺点 7 1.4 论文的结构 8 第 2 章 ofdm基本原理 . 9 2.1 原理及数学描述 9 2.1.1 ofdm基本原理 9 2.1.2 串并转换 10 2.1.3 子载波调制 11 2.1.4 dft变换 13 2.1.5 傅立叶变换的过采样 15 2.1.5 保护间隔、循环前缀和子载波数选择 15 2.2 调制方式 21 2.2.3 qpsk调制 21 2.2.4 qpsk信号的产生 23 2.5 本章小结 25 第 3 章ofdm的系统仿真 . 26 3.1 matlab特点与功能 26 3.2 ofdm系统收发机 27 3.3 ofdm系统仿真 27 3.3.1 串行数据的产生 . 27 3.3.2 串并转换 29 3.3.3 qpsk调制 30 3.3.4 qpsk调制星座图 32 3.3.5 ifft/fft运算 33 3.3.6 保护间隔和循环前缀 34 3.3.7 并串转换 36 3.3.8 加入高斯噪声 36 3.3.9 qpsk解调 38 3.3.10 接收信号 38 3.4 系统误码率的分析 38 3.5 ber性能曲线 39 3.6 本章小结 40 第 4 章 总结 . 41 4.1 完成的工作 41 4.2 不足与展望 41 参考文献 . 43 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 附录 . 44 英文原文 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 中文译文 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2008 届本科毕业设计 第 1 页 1 绪论 1.1 课题背景 进入 21 世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。随着用户 对各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以预计，未来的 无线通信及技术将会有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利，其网络结 构也将发生根本的变化。为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度， 在下一代的无线通信中必须采用频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输 技术。 多径效应引起的时域扩展是限制数据通信速率的主要因素。目前无线通信中 存在并行制和串行制两种体制。并行体制是将发送的是数据并行分配到多个子通 道上传输，串行体制使用单载波调制发送信息。 串行体制的特点是在一个话路带宽内采用单载波串行发送高速数据信号，因 此提高了短波发射机的功率利用率，克服了并行体制功率分散的缺点。由于串行 体制采用了高效的自适应均衡，序列检测和信道估计算法等综合技术，能够改善 由于多径传播和信道畸变引起的符号间干扰。 并行体制已经存在几十年了，上个世纪 90 年代中期以前，并行体制的各个子 载波在频率上是互相不重叠的，采用的不是正交频分复用（ofdm）技术，如在美 国的第三代军用标准mil-std-188-141b和mil-std-188-110b在并行调制方式中 定义 16 音和 39 音两种模式，子载波之间不相交。 ofdm（orthogonal frequency division multiplexing）是一种特殊的多载波传 输方式，由于各子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱互相重叠，与常规的 频分复用系统相比，ofdm 可以最大限度的利用频谱资源。同时他把高速数据通 过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，降低了子信道的 信息速率，将频率选择性衰落信道转换为平坦衰落信道，从而具有良好的抗噪声、 抗多径干扰的能力， 适于在频率选择性衰落信道中进行高速数据的传输。 在 ofdm 中引入循环前缀，克服了 ofdm 相邻块之间的干扰（ibi） ，保持了载波间的正交 性，同时循环前缀长度大于信道扩展长度，有效地抑制了码间干扰（isi） ，可以看 出，ofdm 技术抗多径能力强、频谱利用率高、易于实现的优势对短波数据通信 具有广阔的应用价值，为提高短波通信频谱利用率和传输速率提供了新的解决方 案。 1.2 无线通信 纵观移动通信的发展史，第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据； 第 2 页 第二代数字移动通信系统的数据传输速率也只有 9.6bit/s，最高可达 32kbit/s；第三 代移动通信系统数据传输速率可达到 2mbit/s；而我们目前所致力研究的第四代移 动通信系统可以达到 10mbit/s至 20mbit/s。 虽然第三代移动通信可以比现有传输速 率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求，第四代移动通信系统的提 出便是希望能满足提供更大的频宽需求。第四代移动通信系统计划以ofdm(正交 频分复用)为核心技术提供增值服务，它在宽带领域的应用具有很大的潜力。较之 第三代移动通信系统， 采用多种新技术的ofdm具有更高的频谱利用率和良好的抗 多径干扰能力，它不仅仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体 通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品 质地传送出去。ofdm（orthogonal frequency division multiplexing）是目前已知 的频谱利用率最高的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输 等技术有机结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性 方面综合起来有很强的竞争力，是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主 要技术之一。1 1.2.1 无线通信概述无线通信概述 到目前为止，无线通信大约经历了四个阶段。 (1)1g 阶段 主要采用的是模拟技术和频分多址(fdma)技术。由于受到传输带宽的限制， 不能进行移动通信的长途温游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动 通信有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质 量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。 (2)2g 阶段 主要采用的是数字的时分多址(tdma)技术和码分多址(cdma)技术。 全球主要 有 gsm 和 cdma 两种体制。gsm 技术标准是欧洲提出的，目前全球绝大多数国 家使用这一标准。我国移动通信也主要是 gsm 体制。目前使用 gsm 的用户占国 内市场的 97。 cdma 是美国高通公司提出的标准。 由于第二代采用不同的制式， 移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进 行全球漫游，由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用， 也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。 (3)3g 阶段 与从前以模拟技术为代表的第一代和目前正在使用的第二代移动通信技术相 比，3g 将有更宽的带宽，其传输速度最低为 384k，最高为 2m，带宽可达 5mhz 以上。 目前全球有三大标准， 分别是欧洲提出的 wcdma、 美国提出的 cdma2000 和我国提出的 tdscdma。第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联 网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。提供包括卫星在内的全球覆盖 第 3 页 并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接。 (4)4g 阶段 由于第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统，尽管其 传输速率可高达 2 mb/s，但仍无法满足多媒体通信的要求，因此，第四代移动通 信系统(4g)的研究随之应运而生。第四代移动通信技术的概念可称为广带 (broadband)接入和分布网络，具有非对称超过 2 mb/s的数据传输能力，对全速移 动用户能提供 150 mb/s的高质量影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输。 他包括广带无线固定接入、 广带无线局域网、 移动广带系统和互操作的广播网络(基 于地面和卫星系统)。其广带无线局域网(wlan)能与b-isdn和atm兼容，实现广 带多媒体通信，形成综合广带通信网(ibcn)，他还能提供信息之外的定位定时、 数据采集、远程控制等综合功能。8 1.2.2 无线信道特性无线信道特性 无线信道包括了电波的多径衰落，时延扩展，以及多普勒效应，在移动通信 中，必须要充分考虑这些特性，并提出相关的解决方案。 (1)时延扩展 无线信道中电波的传播不是单一路径，而是许多路径来的众多反射波的合成。 由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也 就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信 号由许多不同时延的脉冲组成，这被称之为时延扩展。 (2)多径衰落 由于各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信 号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同） ，有时迭加而减弱（方向相反） 。 这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了快衰落。此外，接收信号除瞬时值 出现快衰落之外，场强中值（平均值）也会出现缓慢变化。主要是由地区位置的 改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播随时间变化而变化，多径传 播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信 号变化，称为慢衰落。这种衰落是由多种路径引起的，所以称为多径衰落。 (3)多普勒效应 由于移动通信中移动台的移动性，如前所述，无线信道中还会有多普勒效应。在移动通 信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低。这就是有多普勒效应效应引 起的。 1.3 ofdm概述及应用 1.3.1 ofdm的应用的应用 采用 ofdm 技术的一个主要障碍是现在存在许多不兼容版本且没有统一标 准。 第 4 页 ofdm 技术有以下几种。 (1)v-ofdm 由宽带产品供应商iospan公司和cisco系统公司开发v-ofdm(vector ofdm)。 该系统使用空间分集技术，利用多重信号发射以提高带宽，通过使用特殊天线和 信号处理来实现。天线接收信号再进行信号处理，使延迟信号合并变为更高的数 据流。v-ofdm 大多用于固定无线城域网(man)。 (2)w-ofdm 目前， w-ofdm(wideband ofdm)已经正式通过 ieee 组织的认证， 成为 ieee 802.16a 标准(无线城域网的国际通用标准)物理层调制技术。 ofdm 论坛称 wi-lan 公司的 w-ofdm 应该是标准版本。w-ofdm 使用的不是 紧压缩正交载波，而是 在正交信道之间引入额外频率空间。通过在 w-ofdm 数据的每一帧插入一些已知 数据计算出传输信道的“估计”(这个“估计”就是理论 中的“传输函数”)， 并利用这个 “估计”来纠正选频衰落的影响。这能更好地减少干扰，并且对 ofdm 传输中存在 的一些问题如抖动有了更高的容忍度。无线互 联网商务服务供应商在城域网中使 用 w-ofdm，因为城域网中的收发信机往往是在室外并需要更高的容错能力。 (3)f-ofdm f-ofdm(flash ofdm)是 1998 年由 bell 实验室发明，后来由朗讯科技下设的 flarion 公司推出商用化产品。相对 v-ofdm、w-ofdm 而言，它的特点是 能在 移动环境下工作，是一种移动宽带接入 internet 解决方案。f-ofdm 在 ofdm 中 引入快速跳频扩频技术，该技术在传输中不断变换频率，即在每 个时隙中可以根 据跳频图样来选择每个用户所用的子载波频率。这种系统在比 ofdm 所需频带更 宽的频带上传输信号， 将信号能量扩展到更宽频谱上， 提高了信号 的抗干扰能力。 且由于高速切换子载波，因而相邻节点可以使用相同频率的子载波，可提高频率 利用效率。该技术与 gsm 后向兼容，可以为蜂窝电话用户和其他移 动用户提供 宽带服务。flarion 公司 2004 年 3 月 17 日发布了针对笔记本电脑、台式 pc、pda 和手机的芯片组、参考设计包和两款调制解调器，希望 以此提高其 f-ofdm 技术 的采用率。美国通信运营商 nextel communications 于 2004 年 4 月 14 日开始提供 无线互联网服务“nextel wireless broadband”，最大下行数据传输速度为 3mbit/s。 用户每月交纳数十美元便可永久接入无线互联网。该服务采用就是 f-ofdm。利 用 f- ofdm 的无线互联网技术投入实际商用，此前尚无先例。 (4)mimo-ofdm 多输入多输出(mimo)ofdm由iospan wireless公司开发， 是ofdm和mimo 技术结合产生的一种新技术。mimo 是该项技术的核心，是在收发两端使用多个 天线， 每个收发天线对之间形 成一个 mimo 子信道，若各发射接收天线间的通道 响应独立，则 mimo 系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独 立地传输信息使得数据传输率 得以提高。 而 ofdm 技术有极好的抗衰落特性， 通 第 5 页 过在 ofdm 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，可结合二者优点，使无线系 统对噪声、干扰、多径的容限 大大增加，而且大大提高频谱利用率和业务覆盖范 围。由于 mimo 和 ofdm 在提高无线链路的传输速率和可靠性的巨大潜力，使得 这两种技术特别是二者的结合 有望成为过渡到 4g 的潜在技术。 (5)multiband ofdm multiband ofdm 联盟由 50 多个世界知名企业所组成，手机芯片制造商德州 仪器(ti)是该联盟的发起人之一。 samsung、 panasonic 及 nokia 都是该联盟的成员。 multiband ofdm 联盟称，与 w-ofdm 相比，该技术产品的数据将更为强大，其 中包括能轻松处理视频流的能力。 1999 年 12 月，包括 erisson、nokia 和 wi-lan 在内的 7 家公司发起国际 ofdm，致力于策划一个基于 ofdm 技术的全球性单一标准。 据分析，wi-lan 和 cisco 很可能在 ofdm 的标准化方面相互争霸。我国的信息产业部也参加了 ofdm 论坛，可见 ofdm 在无线通信的应用已经引起 国内通信界的重视。只有 尽快开发出我国自主知识产权的技术，我国才能成为未来标准的真正制定者之一。 1.3.2 ofdm的发展的发展 ofdm 由多载波调制(mcm)发展而来。美国军方早在上世纪的 50-60 年代就 创建了世界上第一个 mcm 系统，在 1970 年衍生出采用大规模子载波和频率重叠 技术的 ofdm 系统。但在以后相当长的一段时间，ofdm 迈向实践的脚步放缓。 由于 ofdm 的各个子载波之间相互正交，采用 fft 实现这种调制，但在实际应用 中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功 率放大器的线性要求等因素制约了 ofdm 技术的实现。 经过大量研究， 在 20 世纪 80 年代， mcm 获得了突破性进展， 大规模集成电路促进了 fft 技术的实现， ofdm 逐步进入高速 modem 和数字移动通信的领域。90 年代，ofdm 开始被欧洲和澳 大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信，数字音频广播(dab)、高清晰度数字电 视(hdtv)和无线局域网(wlan)。随着 dsp 芯片技术的发展，格栅编码技术、软 判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应用，ofmd 技术的实现和完善指日可 待。 由于 ofdm 可以有效地消除信号多径传播所造成符号干扰(isi)，ofdm 技术 良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。随着因特网的发展，人们对数 据业务的需求也不断增大，人们希望移动通信系统能提供更广泛的业务种类，包 括话音、视频、多媒体和宽带数据业务等。为了实现真正意义上的宽带无线系统， 国际电信联盟已开始着手制定下一代移动通信系统，即 4g。随着 4g 标准的制定， ofdm 将作为主流技术写入 4g 标准中。而 ofdm 已存在的许多不兼容的标准， 会影响其广泛的使用。 第 6 页 1.3.3 ofdm的关键技术的关键技术 与下一代移动通信系统有关的 ofdm 系统的关键技术有以下几方面。 1. 时域和频域同步 ofdm 系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中与 fdma、tdma 和 cdma 等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与其他数字通信 系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端 广播发送同步信号，所以下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中，来 自不同移动终端的信号必须同步到达基站才能保证子载波间的正交性。基站根据 个移动终端发来的子载波所携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站 发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域同步和 频域同步，也可以时域和频域同时进行同步。 2. 信道估计 在 ofdm 系统中， 信道估计器的设计主要有两个问题： 一是导频信息的选择， 由于信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断 的发送；二是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。在实际设计 中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是互相关联的，因为估计器的性 能与导频信息的传输方式有关。 3. 信道编码和交织. 为了提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰 落信道衰落中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可 以采用交织技术。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个 系统的性能。在 ofdm 系统中，如果信道衰落不是太严重，均衡是无法再利用信 道的分集特性来改善系统性能的，因为 ofdm 系统自身已经具有利用信道分集特 性的能力。但是，ofdm 系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成 cofdm 方式。编码可以采用各种码，例如分组码、卷积码等，其中卷积码的效果 要比分组码好。 4.降低峰值平均功率比 由于 ofdm 信号在时域上表现为 n 个正交子载波信号的叠加， 当这 n 个信号 恰好均以峰值相加时，ofdm 信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的 n 倍。 尽管峰值功率出现的概率较低， 但为了不失真地传输这些高 papr 的 ofdm 信号， 发送端对高功率放大器 （hpa） 的线性度要求很高， 从而导致发送效率极低， 接收端对前端放大器以及 a/d 变换器的线性度要求也很高。因此，高 papr 使得 ofdm 系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提 出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低 ofdm 系统 papr 的方法。 第 7 页 5. 均衡 在一般的衰落环境下，ofdm 系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。因 为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而 ofdm 技术本身已经利用了多 径信道的分集特性，因此，在一般情况下，ofdm 系统就不必再做均衡了。在高 度散射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀的长度必须很长，才能够使 isi 尽 量不出现。但是，cp 长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很 大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使 cp 的长度适当减小，即通过增加系统的 复杂性换取系统频带利用率的提高。 6.自适应技术 采用ofdm技术的好处是可以根据信道的频率选择性衰落情况动态地调整每 个子载波上的信息比特率和发送功率，从而优化系统性能，称为自适应比特和功 率分配，在许多文献中也称为自适应调制技术。在多用户情况下，如何为每个用 户最优的分配系统资源，从而使系统的发送功率最低或者是系统的传输速率最高， 是一个非常复杂的问题。在ofdm系统中使用自适应技术，还应考虑频率分组、时 间间隔、信道总延迟和信道估计误差等因素，其中信道估计误差对性能的影响较 大。2 1.3.4 ofdm的优缺点的优缺点 ofdm 主要有下列一些优点： (1)ofdm 在对抗干扰及衰落的优势：把高速数据流通过串并变换，使得每个 子载波上的数据符号持续长度相对增加，可有效对抗信号波形间的干扰 isi，适用 于多径信道存在频率选择性，而所有子载波都处于深衰落的概率极小，ofdm 系 统可通过动态比特分配和动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道， 提高系统性能。因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此 ofdm 可以在某 种程度上抵抗这种窄带干扰。ofdm 的以上优势减小了接收机的复杂度，甚至可 以不用均衡器，仅采用插入循环前缀的方法消除 isi 的不利影响，大大节省了系统 花费减小了系统复杂度和功率消耗。 (2)ofdm 系统由于子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因 此与常规的频分复用相比，ofdm 可以最大限度地利用频谱资源。这一点在频谱 资源有限的无线环境中尤为重要，当子载波数目很大时，系统的频谱利用率趋于 2baud/hz。 (3)各子信道的正交调制和解调可通过离散傅利叶反变换(idft)和离散傅利叶 变换(dft)实现。对 n 很大(n32)的系统，可以通过快速傅立叶变换(fft)来实现。 基于 fft 的系统在计算方面更有效， 并且随着大规模集成电路技术和 dsp 的发展， ifft 和 eft 都非常容易实现。 (4)ofdm 的开放灵活性：无论从无线数据业务的使用需求，还是从移动通信 第 8 页 系统自身要求，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而 ofdm 系统可以很容 易使用不同数量的子载波来实现上下链路中不同的传输速率。ofdm 较易与其它 多种接入方式结合，构成 mc-cdma、跳频 ofdm 及 ofdm-tdma 等。 ofdm 技术的不足： (1)由于 ofdm 系统内存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道的 叠加，因此对子信道的正交性有严格要求。而由于无线信道的时变性，还有发射 机载波和本地振荡器的频率偏差，所以 ofdm 易受频率偏差的影响。 (2)如果多个子信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率会远大于信 号的功率，出现较大的峰值与均值功率比(par)，这个比值的增大会降低射频放大 器的功率效率，使系统性能恶化2。 1.4 论文的结构 本文主要研究了 ofdm 调制解调系统，对噪声信道抗干扰能力的研究以及在 实际中的基本应用。利用 matlab 软件进行仿真和性能分析。 第一章主要对课题产生背景，无线通信，无线信道特点，ofdm 发展历史及 应用概述，ofdm 的关键技术及特点进行了简洁的介绍。 第二章介绍了 ofdm 系统的原理，串并转换、子载波调制、dft 的实现、保 护间隔、循环前缀和子载波数的选择等。 第三章是利用此软件建立仿真平台，仿真了 ofdm 系统的抗噪声性能，以及 误码率性能的仿真。 第四章对全文进行总结，并提出本文存在的不足和对 ofdm 技术的展望。 第 9 页 2 ofdm基本原理 2.1 原理及数学描述 正交频分复用（ofdm）技术与已经普遍应用的频分复用（fdm，frequency division multiplexing）技术十分相似。与 fdm 基本原理相同，ofdm 把高速的数 据流通过串/并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输，不同 的是，ofdm 技术更好地利用了控制方法，使频谱利用率有所提高。 图 2.1 常规频分复用与 ofdm 在信道上的分配 2.1.1 ofdm基本原理基本原理 ofdm 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可 以被当作是一种复用技术。多载波传输吧数据流分解成若干子比特流，这样每个 子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成低速率多状态符号再 去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。正交频分复 用是对多载波调制（mcm）的一种改进。其特点为各子载波相互正交，扩频调制 后的频谱相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。 选择 ofdm 的一个主要原因在于该系统能很好的对抗频率选择性衰落和窄带干 扰。 ofdm 技术的主要思想是将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道 上进行窄带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。ofdm 单个用户的信息 流被串/并变换为多个低速率码流(100hz-50khz)，每个码流用一条载波发送。 ofdm 采用跳频方式选用即便频谱混叠也能保持正交的波形，所以 ofdm 既有调 制技术，也有复用技术。ofdm 增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。 在单载波系统中，单个衰落或干扰会导致整条链路不可用，但在多载波系统中， 只会有一小部分载波受影响。纠错码的应用可以恢复一些易错载波上的信息。 ofdm允许各载波间频率互相混叠，采用基于载波频率正交的fft调制，由于 各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波的正交。 第 10 页 不通过很多带通滤波器来实现， 而是直接在基带处理， 这也是ofdm有别于其他系 统的优点之一。ofdm的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频， 在一个码元周期内积分，其他载波由于与所积分的信号正交，不会对这个积分结 果产生影响。 ofdm的高数据速率与子载波的数量有关， 增加子载波数目能提高数 据的传送速率。 ofdm每个频带的调制方法可以不同， 增加了系统的灵活性， ofdm 适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统1。 ofdm 调制器如图 2.2 所示。要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成 了 m 个复数序列， 此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为 t 的 m 路并 行码，码型选用不归零方波。用这 m 路并行码调制 m 个子载波来实现频分复用。 在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相 关运算实现解调，恢复出原始信号。ofdm 解调器如图 2.3 所示。 图 2.2 ofdm 调制器 2.1.2 串并转换串并转换 数据传输的典型形式是串行数据流，符号被连续传输，每一个数据符号的频 谱可占据整个可利用的带宽。但在并行守护据传输系统中，许多符号被同时传输， 减少了那些在串行系统中出现的问题。 在ofdm系统中， 每个传输符号速率的大小大约在几十bps到几十kbps之间， 所以必须进行串并变换，将输入串行比特流转换为可以传输的 ofdm 符号。由于 调制模式可以自适应调节，所以每个子载波的调制模式是可变化的，因而每个子 载波可传输的比特数也是可以变化的，所以串并转换需要分配给每个子载波数据 段的长度是不一样的。在接收端执行相反的过程，从各个子载波处来的数据被转 换回原始的串行数据。 第 11 页 图 2.3 ofdm 解调器 当一个 ofdm 符号在多径无线信道中传输时，频率选择性衰落会导致某几组 子载波受到相当大的衰减，从而引起比特错误。这些在信道频率响应上的零点会 造成在邻近的子载波上发射的信息受到破环，导致在每个符号中出现一连串的比 特错误。与一大串错误连续出现的情况相比较，大多数前向纠错编码（fec）在错 误分布均匀的情况下会工作的更有效。所以，为了提高系统的性能，大多数系统 采用数据加扰作为并串转换工作的一部分。这可以通过把每个连续的数据比特随 机的分配到各个子载波上来实现。在接收端，进行一个对应的你过程解出信号。 这样，不仅可以还原出数据比特原来的顺序，同时还可以分散由于信道衰落引起 的连续的比特错误使其在时间上近似均匀分布。这种做法可以提高前向纠错编码 的 ber 性能，并且系统的总体性能也会得到改进。 2.1.3 子载波调制子载波调制 一个 ofdm 符号间之内包含多个经过相移键控（psk）或者正交幅度调制 （qam）的子载波。其中，n 表示子载波的个数，t 表示 ofdm 符号的持续时间 （周期）（i=0,1,2,，n-1）是分配给每个在新到的数据符号，是第 i 个子载 波的载波频率， 矩形函数 rect(t)=1,|t| i d i f t/2， 则从 y tt =开始的 ofdm 符号可以表示为： ttttttfj t ttrectdts ss n i sisi + = = ,)(2exp) 2 (re)( 1 0 (2.1) ss tttttts+0,判为0,当x(t)=0; demodata(1:para),(2:ml:ml*nd)=qdata(1:para),(1:nd)=0; 3.3.10 接收信号接收信号 完成解调之后下面就是进行解调信号的判决得到接收信号， 程序中将发送段的 原始信号和接收端的信号的波形输了出来。波形如图3.5，通过将图中发送数据和 接收到的数据进行对比发现，经过ofdm系统的传输后，信号的误码率为0，对 抗码间干扰和时延扩展有很好的效果。 实际ofdm系统中， 子载波的数目较大时， 系统的误码率也是非常低的。 3.4 系统误码率的分析 主要通过比较发送端和接收端的信号是否相同，用noe来计算错误的个数，在 没有接到信号的时候，noe设置为0，是通过发送信号的每一位和接收信号的每一 位进行比较，不同noe就加1，用错误的个数noe和信号的长度nod的比值就是误 码率ber。系统的仿真参数为：128个子载波，ifft/fft长度为128，采用qpsk 调制，循环前缀的长度为32，每帧含有6个ofdm符号，没有采用前向纠错码， 信噪比范围为10db。 具体的m语言程序为： noe2=sum(abs(resig-signal); nod2=length(signal); noe=noe+noe2; nod=nod+nod2; if noe2 =0 eop=eop+1; else eop=eop; end eop; nop=nop+1; fprintf(%dt%et%dn,iii,noe2/nod2,eop); 第 39 页 end per=eop/nop; ber=noe/nod; 0246810121416 0 0.5 1 signal x y 0246810121416 0 0.5 1 resignal 图 3.5 发送短信号和接收短信号 3.5 ber性能曲线 下图3.6所示为高斯白噪声信道下ofdm系统的ber性能曲线。 仿真参数为： 128个子载波，ifft/fft长度为128，采用qpsk调制，循环前缀的长度为32， 每帧含有6个ofdm符号，没有采用前向纠错码，信噪比范围为110db。 通过仿真可以看出，ofdm在高斯信道具有比较良好的性能，信噪比在比较 大的时候，误码率比较低。 第 40 页 12345678910 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 eb/no ber 图 3.6 ber 性能曲线 3.6 本章小结 本章中主要介绍了ofdm系统在高斯噪声信道的仿真过程，对系统的主要模 块进行了详细的解释说明，文中仿真出qpsk星座图以及ber性能曲线，并对 matlab 仿真工具做了简单的介绍。 第 41 页 4 总结 4.1 完成的工作 本文所阐述的主要工作如下: （1）论文分析了将ofdm调制应用于无线通信系统的可行性，并根据无线信 道的特点，以及对传输速率和系统带宽的要求，提出了简单的系统设计方案。对 诸如子载波数、循环前缀长度、调制方式、编码方式等参数的选择方法做了分析 和介绍。 （2） 论文中通过matlab软件作为平台， 用m语言编写仿真程序， 仿真了ofdm 系统的抗噪声性能，并仿真出ofdm系统在高斯噪声下的ber性能曲线。 （3）对qpsk调制方式做了较为详细的介绍，将qpsk调制的星座图仿真出 来。 通过这次设计， 我掌握了ofdm的基本原理和国内国外ofdm技术的发展状 况，对主流的技术标准也都有了初步的了解。同时对matlab软件的使用也更加 熟练，尤其是在m语言的编程上有了较大的提高。这次对ofdm系统基础原理的 仿真，基本达到了预期的设计目的。 4.2 不足与展望 在验证ofdm系统的抗干扰能力中，对于各种信道，包括高斯白噪声，rice 信道，jake移动信道，多径衰落信道等的特性应进行深入的分析和探讨，这样才 能更加准确地研究ofdm系统对它们的抗干扰性能。由于本人能力有限，没能很 好的完成这些方面的研究。在信道编码方面，本论文只是分析了卷积和交织编码， 对于其它编码方式，例如分组编码，格雷码等，以及与qam等调制方式的结合未 能进行仿真。另外，ofdm还有很多其它关键技术深入的研究。这些都是进一步 提升ofdm性能需要进行的工作。 对于将来工作可以考虑在以下几个方面展开研究： （1）在使用推荐的信道估计方法时可以在ifft变换之前加一个汉明窗从而 减少信号的混叠，这样在时域上信号的扩展会变小使信号更集中，这一方面减小 了干扰，另一方面也增强了抵抗噪声的能力 （2）在进行信道仿真时应该对多径进行进一步的仿真，并要考虑到实际中的 信道的复杂性。 （3）多输入多输出（mimo）技术以其显著的带快利用率已成为目前带快无 限研究的一大热点。mimo技术可以有效的改善容量及性能，而且还可以显著的 提高网络的覆盖范围和可靠性。mimo与ofdm技术的结合会大大提高系统性能。 （4）ofdm 信号由于是多载波信号之和，如果其中有某些信号的相位相同就 第 42 页 容易叠加形成峰值， 所以ofdm信号的峰值与平均功率之比非常的大， 如何减小papr 对 ofdm 的性能有很大的影响。 第 43 页 参考文献 1 佟学俭,罗涛.ofdm 移动通信技术原理与应用.北京：人民邮电出版社，2003 年. 2 王文博，郑侃.宽带无线通信 ofdm 技术.北京：人民邮电出版社，2007.8. 4 曹志刚等.现代通信原理.北京：清华大学出版社，1992，17-45 5 樊昌信，徐炳祥等.通信原理.北京:国防工业出版社，2006.6, 161-172 6 胡中豫现代短波通信.北京 ：国防工业出版社，2003. 7 张晖，徐淑正，杨华中等.ofdm 在短波通信中的应用.电子技术应用，2005，9 8 尹长川，罗涛，乐光新.多载波宽带无线通信技术.北京：北京邮电大学出版社，2004 9 袁东风，张海霞等.宽带移动通信中的先进信道编码技术.北京：北京邮电大学出版社， 2004. 10 邓华.matlab 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