OFDM系统的仿真及实现.doc

兰州交通大学本科生课程设计 中文题目: OFDM系统仿真与实现 英文题目: Simulation and implementation of OFDM system 课程：移动通信技术 学院：电信学院 专业：通信工程 班级：通信1101班 组长：邹志平(201109505) 组员：高 琦(201109515) 于济华(201109525) 戴志刚(201109535) 李学政(201109545) 祁自刚(201109555) 马志强(201109565) 指导教师：邸敬 完成日期： 2014年7月2日 成绩 ： 课程设计任务分配表序列学号姓名设计任务（1）201109505邹志平课程设计整体排版系统软件仿真操作（2）201109515高 琦资料的筛选和整理论文摘要部分编写（3）201109525于济华设计中图形的绘制所有图片最终整理（4）201109535戴志刚课程设计资料查找原理部分内容编写（5）201109545李学政软件仿真资料查找使用软件功能编写（6）201109555祁自刚仿真程序步骤优化论文致谢部分编写（7）201109565马志强参考文献部分整理总结部分内容编写移动通信技术课程设计任务书课题OFDM系统仿真与实现指导教师邸敬人 数7人设计任务1、学习OFDM的基本原理及关键技术；2、阐述OFDM载波调制和解调过程；3、应用MATLAB实现OFDM系统；4、仿真分析OFDM的性能。设计要求1、文献阅读：查阅相关文献与技术资料，学习与课程设计题目相关的知识，认真做好读书笔记和学习心得，做到潜心分析，真正理解并掌握设计任务要求的学习内容；2、组织形式：各课程设计题目设组长一名，负责设计总体事务，组中各同学相互合作、合理分工、组织讨论、完成报告；3、学习交流：设计完成后，组长们组织同学们开展学习讨论，各组向其他同学汇报设计内容，使同学们对各课程设计的内容均有认识和了解；4、文档整理：依据设计任务制定学习和写作计划，严格按照设计规范要求完成各个环节的任务，各设计需要提供课程设计论文一本，要求按照课程设计论文格式认真撰写、按时完成设计论文；5、文档结构：上交文档包含以下内容：封面、摘要、目录、正文、参考文献、附录（程序文件、交流时使用的PPT等）。摘 要随着人们对通信数据化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在无线接入领域得到了广泛的应用，OFDM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、多载波传输技术结合在一起，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(DVB-T)、无线局域网等领域得到广泛应用。它将是4G移动通信的核心技术之一。本文主要分为四个部分：首先简要概述了OFDM技术的发展状况、基本原理、应用方面和关键技术；然后采用Matlab仿真的方法，对由于高斯噪声而产生的码间干扰等问题进行了仿真和讨论；其次通过SystemView构建OFDM可视化仿真系统，通过在不同信道条件下分析OFDM系统的抗干扰能力；最后通过Simulink工具搭建OFDM系统仿真模型，在通过高斯白噪声信道中设置不同信噪比对其进行抗噪性能方面的分析。整个仿真过程中，先基于MATLAB强大的符号运算功能，进行了系统的仿真；由于其程序调试过程中参数修改等问题，同时又通过SystemView系统进行了一个可视化界面的系统仿真；最后为了进一步了解和掌握每一个模块的具体功能，借助Simulink软件强大的模块化结构功能进行了具体的仿真操作。关键字：OFDM；MATLAB；SystemView；SimulinkAbstractAs thedemand fordata communication,personality and mobility,OFDMtechnology has been widely used in thefield ofwirelessaccess,OFDMis a special multicarrier transmission scheme,whichcombines the digital modulation,digital signal processing,multi carrier transmissiontechnology together,is currentlyusing the knownthe spectrum ofaCommunication systemwasthe highest,and has the advantages offast transmission speed,strong ability ofantimultipath interference.At present,the OFDM technologyin the digital audio broadcasting(DAB),digital video broadcasting terrestrial(DVB- T),are widely used inthe areas of wireless lan.It will be one of thekey techniques in 4G mobilecommunication.This paper is divided into four parts:firstly,briefly summarizes the development,the basic principle of OFDM technology,applicationand keytechnology;then uses the methodofMatlab simulation,due tothe Gauss noiseand intersymbol interferenceproblemsare simulated anddiscussed;secondly,through theSystemView to construct thevisual simulation system ofOFDM,through the analysis ofthe anti-jamming ability of OFDM systemunder different channel conditions;finally,through the Simulinktool to build asimulation model of OFDM system,through theGausswhite noise channelsetting differentsignal-to-noise ratio ontheanti noiseperformanceanalysis.The whole process of simulation,based ona strong symbolic operationfunction of MATLAB,thesystem simulation;processparameter modificationdue toissues such astheprogramdebugging,andthrough the SystemViewsimulation of the systemwith a visual interface;finally,in order tofurther understandand master thespecific function ofeach module,simulationspecific operationby means of Simulinksoftwaremodular structurefunction.Keywords: OFDM;MATLAB;SystemView;Simulink目 录1.绪论31.1 论文研究背景与意义31.2 OFDM概述及应用31.2.1 OFDM的发展及应用31.2.2 OFDM的关键技术41.2.3 OFDM的优缺点41.3 论文的总体结构52.OFDM的基本原理62.1 原理及数学描述62.1.1 OFDM的载波调制62.1.2 OFDM的调制解调原理62.1.3 串并转换72.1.4 保护间隔和循环前缀72.1.5 OFDM的基本参数72.1 调制方式82.2.1 16QAM调制82.2.2 QPSK调制83.基于MATLAB的OFDM系统仿真93.1 MATLAB的特点与功能93.2 MATLAB仿真系统93.2.1 仿真结构图93.2.2 主要模块93.3 仿真结果及性能分析124.基于SystemView的OFDM系统仿真164.1 SystemView的功能与特点164.2 Systemview仿真系统164.2.1 仿真原理164.2.2仿真模块164.3 仿真结果及性能分析185.通过Simulink的OFDM系统仿真195.1 Simulink的功能与特点195.2 Simulink仿真系统195.3 仿真的结构图195.3.1 16QAM调制方式的OFDM系统仿真195.3.2 QPSK调制方式的OFDM系统仿真205.4 仿真模块及参数设置205.5 仿真结果及性能分析25总 结27致 谢28参考文献29附 录301.绪论1.1 论文研究背景与意义在近几年以内，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。由于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，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。OFDM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。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 OFDM概述及应用1.2.1 OFDM的发展及应用由于技术的可实现性，在二十世纪90年代，OFDM广泛用于各种数字传输和通信中，如移动无线FM信道，高比特率数字用户线系统(HDSL)，不对称数字用户线系统(ADSL)，甚高比特率数字用户线系统HDSL，数字音频广播(DAB)系统，数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统。1999年，IEEE802.11a通过了一个SGHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达54MbPs。这样，可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。OFDM由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识。而上行技术的选择上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，一些则认为可以通过滤波，削峰等方法限制峰均比。不过，经过讨论后，最后上行还是采用了SC-FDMA方式。拥有我国自主知识产权的3G标准一一TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD-CDM-OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目标，并希望在2010年予以实现。B3G/4G的目标是在高速移动环境下支持高达100Mb/S的下行数据传输速率，在室内和静止环境下支持高达IGb/S的下行数据传输速率。而OFDM技术也将扮演重要的角色3 。1.2.2 OFDM的关键技术(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。(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。(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。(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，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。(5) 自适应技术在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。21.2.3 OFDM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。(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。(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技术的不足： 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。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。31.3 论文的总体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、SystemView、Simulink进行仿真和性能分析。第一部分主要对OFDM的应用背景、发展以及关键技术方面做一个简洁的介绍。第二部分主要对OFDM的基本原理方面进行一个阐述。第三部分通过MATLAB进行系统仿真以及性能分析。第四部分通过SystemView进行系统仿真以及性能分析。第五部分通过Simulink进行系统仿真以及性能分析。2.OFDM的基本原理2.1 原理及数学描述2.1.1 OFDM的载波调制正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。下图是OFDM基带信号处理原理图。其中，（a）是发射机工作原理，（b）是接收机工作原理。图2.1 OFDM基带信号处理原理图2.1.2 OFDM的调制解调原理OFDM通过把需要发射的数据流分解为若干个并行的数据子流，这样每个数据子流在速率上就会降低很多，然后再进行相关调制，将它们调制到一组总数为N，频率之间的间隔相等，且又两两正交的子载波上。OFDM的调制可以用离散傅里叶反变化(IDFT)来实现，相应的有在解调端可以用离散傅里叶变换(DFT)来实现。而这两种傅里叶变换都有相应的快速算法，在系统的效率和相应时间上会有所提高。系统的实际应用中一般采用IFFT和FFT技术。2.1.3 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。2.1.4 保护间隔和循环前缀应用OFDM的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。通过把输入数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍。为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号间插入保护间隔(GI)，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。2.1.5 OFDM的基本参数各种OFDM参数的选择就是需要在多项要求冲突中进行折中考虑。通常来讲，如前所述，首先要确定3个参数：带宽、比特率以及保护间隔，按照惯例，保护间隔的时间长度应该为应用移动环境信道的时延均方根值的24倍。一旦确定了保护间隔，则OFDM符号周期长度就可以确定。为了最大限度的减少由于插入保护间隔所带来的信噪比的损失，希望OFDM符号周期长度要远远大于保护间隔长度。但是符号周期长度又不可能任意大，否则OFDM系统中包括更多的子载波数，从而导致子载波间隔相应减少，系统的实现复杂度增加，而且还加大了系统的峰值平均功率比，同时使系统对频率偏差更加敏感。因此在实际应用中，一般选择符号周期是保护间隔长度的5倍，这样由于插入保护比特所造成的信噪比损耗只有1dB左右。2.1 调制方式可以通过改变发射的射频信号的幅度、相位和频率来调制信号。对于OFDM系统来说，只能采用前两种调制方法，而不能采用频率调制的方法，这是因为子载波是频率正交，而且携带独立的信息，调制子载波频率会破坏这些子载波的正交特性，这是频率调制不能在OFDM系统中采用的原因。2.2.1 16QAM调制16QAM 是用两路独立的正交 4ASK 信号叠加而成，4ASK 是用多电平信号去键控载波而得到的信号。它是 2ASK 体制的推广，和 2ASK 相比，这种体制的优点在于信息传输速率高。16QAM 信号采取正交相干解调的方法解调，解调器首先对收到的 16QAM 信号进行正交相干解调，一路与 cos c t 相乘，一路与 sin c t 相乘。然后经过低通滤波器，低通滤波器 LPF 滤除乘法器产生的高频分量，获得有用信号，低通滤波器LPF 输出经抽样判决可恢复出电平信号。16 进制的正交振幅调制是一种振幅相位联合键控信号。16QAM 的产生有 2 种方法：（1）正交调幅法，它是有 2 路正交的四电平振幅键控信号叠加而成；（2）复合相移法：它是用 2 路独立的四相位移相键控信号叠加而成。2.2.2 QPSK调制QPSK是在2PSK（二相调相）的基础上发展而来的一种多进制相位调制。QPSK是利用载波的四种不同相位来表征传送的数字信息。在QPSK调制中，首先对输入的二进制数据按二位数字编成一组，以此构成双比特码元。其组合共有4种，即有4种不同状态。故可以用M=4种相位或相位差来表示。这里M=4，故称为四相调相。同样，若采用八相调制方式，在一个码元时间内可传送3位码，其信息传送速率是二相调制方式的3倍。由此可见，采用多相调制的级数愈多，系统的传输速率愈高，但相邻载波之间的相位差愈小，接收时要区分它们的困难程度就愈大，将使误码率增加。3.基于MATLAB的OFDM系统仿真3.1 MATLAB的特点与功能MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。43.2 MATLAB仿真系统3.2.1 仿真结构图图3.1 系统仿真原理图3.2.2 主要模块（1）串并转换 OFDM系统是多载波传输的一种特殊方式，而发送端产生的数据为串行的，因此需要进行串并转换。OFDM将高速输入的串行数据比特流转换成并行传输的低速数据流，而且串并转换之后会提高系统的抗干扰能力。串并转换的示意图如图3.2。图3.2 串并转换示意图（2）QPSK调制QPSK调制的方法有两种，一种是数字方法，另一种是相位选择法。本程序中选择的是利用数字的方法来调制信号。这里通过调用一个子函数qpskmod，程序如下：function iout,qout=qpskmod(paradata,para,nd,ml)m2=ml./2;paradata2=paradata.*2-1;count2=0;for jj=1:nd isi = zeros(para,1); isq = zeros(para,1); for ii = 1 : m2 isi = isi + 2. ( m2 - ii ) .* paradata2(1:para),ii+count2); isq = isq + 2. ( m2 - ii ) .* paradata2(1:para),m2+ii+count2); end iout(1:para),jj)=isi; qout(1:para),jj)=isq; count2=count2+ml;end（3）IFFT/FFT运算通过N点的IDFT运算，把频域数据符号变换为时域数据信号，经调制后发送到信道中去。在实际应用中，一般采用FFT/IFFT运算，因为它可以显著的降低运算的复杂度。在Matlab软件里可以使用函数fft()和ifft()来对数据进行FFT/IFFT运算，可以省去很多复杂的运算。（4）保护间隔和循环前缀 在OFDM系统中，保护间隔是一种循环复制增加了符号的波形长度，在符号的数据部分，每一个子载波内有一个整数倍的循环，此种符号的复制产生了一个循环的信号，即将每个OFDM符号的后一段时间的样点复制到OFDM符号的前面，形成前缀，在交接点没有任何的间断。当信道的最大多径时延扩展小于保护间隔的时间时，OFDM系统可以完全克服ISI的影响。具体的m语言实现为： ich3=ich2(fl-gl+1:fl,:);ich2; qch3=qch2(fl-gl+1:fl,:);qch2; （5）并串转换 这一过程是串并转换的逆过程，将N个子载波的数据传送到一个载波信道中去，将并行数据转换为串行数据序列进行传输。示意图如图3.3。图3.3 并串转换示意图（6）加入高斯噪声 白噪声是根据噪声的功率谱密度是否均匀来定义的，而高斯噪声则是根据它的概率密度函数呈正态分布来定义的，高斯型白噪声称高斯白噪声，在通信系统的理论分析中，特别是在分析、计算系统抗噪声性能时，经常假定系统中信道噪声（即前述的起伏噪声）为高斯型白噪声。在matlab软件里产生高斯噪声的函数一般有两个WGN和AWGN。Awgn的用法为： y = awgn(x,SNR) 在信号x中加入高斯白噪声。信噪比SNR以dB为单位。x的强度假定为0dBW。如果x是复数，就加入复噪声。y = awgn(x,SNR,SIGPOWER) 如果SIGPOWER是数值，则其代表以dBW为单位的信号强度；如果SIGPOWER为measured，则函数将在加入噪声之前测定信号强度。本程序正是采用的ReData=awgn（TrData，SNR，measured）来给复数发射数据TrData加入高斯噪声。（7）QPSK解调在进行解调之前，信号要完成去掉保护间隔和进行FFT运算的任务。去掉保护间隔也就可以去掉符号间的干扰。这里通过调用一个子函数qpskdemod，具体的m语言实现为： function demodata=qpskdemod(idata,qdata,para,nd,ml)demodata=zeros( para,ml*nd );demodata(1:para),(1:ml:ml*nd-1)=idata(1:para),(1:nd)=0;demodata(1:para),(2:ml:ml*nd)=qdata(1:para),(1:nd)=0;（8）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。3.3 仿真结果及性能分析通过图3.4可以看出，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。为了能够很好的观察到QPSK的调制，同时也得到了调制后的星座图。图3.4 发送短信号和接收短信号图3.5 进行IFFT后的I路和Q路波形图3.6 加入噪声后的I路和Q路波形图3.7 进行FFT变换后的I路和Q路波形图3.8 经过调制后的星座图通过仿真可以看出，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。图3.4为发送信号和接收信号的波形图，从中可以看出，通过两者之间的对比，OFDM系统在对抗码间干扰中起到了很好的效果。同时通过图3.5和图3.6以及图3.7进行观察I路和Q路的波形，并通过星座图作为参考，对进行IFFT变换、加入噪声、FFT变换过程中，OFDM系统对抗干扰的性能都有所体现。本次仿真利用了MATLAB强大的符号计算功能，由于在数值计算的同时需要获取问题的解析解，因此就需要涉及到符号运算，而MATLAB软件提供了便捷的符号运算，在利用MATLAB软件的过程中，关于矩阵的计算、多项式的运算以及数据统计分析等功能都起到了重要的作用。有优点的同时也存在很多不足，主要体现在一下几个方面：（1）编写代码过程比较复杂；（2）在仿真观察波形的时候修改参数比较复杂；（3）可视化程度不高。因此针对这些问题，下面通过SystemView进行一个更便捷的系统仿真，同时再次验证OFDM系统的抗干扰性能。4.基于SystemView的OFDM系统仿真4.1 SystemView的功能与特点SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，不用写一句代码即可完成各种系统的设计与仿真，快速地建立和修改系统、访问与调整参数，方便地加入注释。54.2 Systemview仿真系统4.2.1 仿真原理通过信号产生源产生64Hz的伪随机序列，经采样器以64Hz采样送入OFDM调制模块。经过调制后的同相分量信号经过高斯白噪声干扰的Rice信道和正交分量信号经过高斯白噪声干扰的多径衰落信道，两路信号分别进入OFDM解调模块的同相分量通道和正交分量通道。4.2.2仿真模块表4.1 各仿真模块的名称以及相关参数模块编号模块名称模块参数模块0、模块1PN SeqAmp = 1 v Rate = 64 Hz Levels = 2模块2、模块3Sampler InterpolatingRate = 64 Hz模块4、模块5Delay Non-InterpolatingDelay = 2 模块10OFDM ModPer Block = 64 Symbol Time = 1模块25OFDM dModPer Block = 64 Symbol Time = 1模块8、模块9Gauss NoiseStd Dev = 1e-3 v Mean = 0 v模块11、模块12GainGain = 1 Gain Units = Linear模块23、模块24Adder-模块13Rice ChnlCorr Time = 1 secK-Factor = 1模块22Mpath ChnlNo.Paths = 3 Max Delay = 100e-3 模块6、模块28Analysis-模块26、模块27Analysis-模块18、模块19Analysis-下图为系统仿真图，主要通过两路信号：同向分量和正交分量送入OFDM调制模块，然后通过加入噪声后分别经过Rice信道和多径衰落信道后再次送入OFDM进行最后的解调，并通过观察模块观察各路波形。系统运行时的主要设置参数为Stop time=100NO.of Samples=6401Sample Rate =64Hz图4.1 基于Systemview的仿真系统模块图4.3 仿真结果及性能分析图4.2 基于SystemView的仿真运行结果最后得到的运行结果图中主要是同向分量和正交分量的波形图，其中分别包括同向分量采样信号波形、正交分量采样信号波形、调制信号同向分量、调制信号正交分量、解调信号同向分量、解调信号正交分量。经过OFDM模块调制后的信号在加入高斯噪声后，并且分别经过Rice信道和多径衰落信道进行传输之后，对信号分别进行解调之后，所产生的干扰还是相对较少的，所以OFDM有效的保证了系统不受多径干扰引起的码间干扰（ISI）的影响，同时还可以有效对抗多径传播。从图4.2中可以看出，在不同信道条件下（Rice信号和多径衰落信道），OFDM系统都起到了很好的效果。本次仿真主要借助了SystemView系统可视化界面的效果，使整个OFDM系统结构能很清晰的表现出来，更好的了解和掌握OFDM的整个过程，同时在仿真过程中便于随时调整参数和元器件，对整个仿真过程起到了很大的帮助。SystemView的可视化界面操作更加助于我们掌握了OFDM系统的结构原理，但同时图中所加入的所有模块的内部结构我们还是不了解，因为下面借助Simulink的强大模块操作功能帮助我们熟悉一下每个模块的具体结构和参数。5.通过Simulink的OFDM系统仿真5.1 Simulink的功能与特点Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。65.2 Simulink仿真系统图5.1 仿真系统总体框架图5.3 仿真的结构图5.3.1 16QAM调制方式的OFDM系统仿真本模块主要借助Simulink自带的一些模块进行仿真，相对SystemView更为形象生动，通过16QAM的调制后加入OFDM保护模块并在两路进行观测波形图，里面主要包括保护间隔的添加和去除，以及串并/并串转换模块，以及IFFT和FFT运算模块。所经过的信道为AWGN信道。下图为整体仿真结构图。图5.2 基于16QAM的仿真系统结构图5.3.2 QPSK调制方式的OFDM系统仿真在使用16QAM方式进行仿真的同时也进行了QPSK方式的仿真，下图为仿真图。图5.3 基于QPSK的仿真系统结构图5.4 仿真模块及参数设置主要包括16QAM的模块结构图、QPSK模块结构图、RS编码/解码模块图、串并/并串转换结构图、添加和去除保护模块结构图、添加和去除循环模块结构图以及信号源参数和信道参数、IFFT运算模块的系统结构图、FFT运算模块的系统结构图。其他还包括观察模块，噪声模块以及去零模块。（1）16QAM模块结构图5.4 16QAM结构图（2）QPSK模块结构图5.5 QPSK结构图（3）串并转换模块结构图5.6 串并转换结构图（4）并串转换模块结构图5.7 并串转换结构图（5）添加保护模块结构图5.8 加保护模块结构图（6）去除保护模块模块结构图5.9 去保护模块结构图（7）添加CP模块结构图5.10 加CP结构图（8）去除CP模块结构图5.11 去CP结构图（9）RS编码模块结构图5.12 RS编码结构图（10）RS解码模块结构图5.13 RS解码结构图（11）信号源参数设置图5.14 信源参数设置（12）信道参数设置图5.15 信道参数设置（13）IFFT参数设置图5.16 IFFT参数设置（13）IFFT参数设置图5.17 FFT参数设置5.5 仿真结果及性能分析如图5-18和图5-19所示，从所得到的波形图中可以看出在相同的低信噪比下面QPSK 的抗噪能力明显的优于16QAM 的抗噪性能，所以在低信噪比的情况下建议采用QPSK的映射方式来传输，虽然这样所占用的带宽是16QAM 带宽的两倍，但这样保证了数据的有效性.，但在高信噪比的信道中或者对数据有效性要求不是很高的数据传输,采用16QAM 的调制无非不是一件好事，这样可以节约相对于QPSK 一倍的带宽。 在仿真过程中，通过改变信噪比可以发现QPSK相对16QAM的抗噪能力要强一些。图5.18 基于16QAM仿真系统运行结果图5.19 基于QPSK仿真系统运行结果通过图5.18和图5.19的波形图可以看出，信号源的调制波形图和经过IFFT运算以及串并转换、加入保护间隔、通过高斯白噪声信道传输、并串转换、去除保护间隔、去CP循环等一系列过程后，得到通过信道传输的波形图，比较后可以看到在信噪比相对较低的时候使用16QAM可以起到很好的抗噪作用，同时相对于QPSK可以节省带宽，因此16QAM可以用于小型系统，如果信噪比比较高的时候就可以体现出QPSK相对于16QAM的优越性。图5.20 译码后的输出数据和原始数据观察图5.20可以发现，在16QAM和QPSK两种调制方式中，经过译码后的数据和原始数据进行对比，除了延迟波形保持完全一致，在通过误码率（信噪比为10db）计算可以看出这样的误码率为0，从这可以看出OFDM系统的优异性，在相同的信道上传输，OFDM有相对于其他传输系统更好的误码率这样大大提高了信息的可靠性。在加入了保护间隔后的OFDM系统体现出了强大的抗干扰能力，同时在相同信道下，不同的调制方式下同样体现了误码率低的优异性。本次仿真主要表现在对每一个模块都进行了具体的结构参数设置，更进一步的学习和掌握了OFDM系统中每一个模块的具体结构和功能。同时在仿真过程中，通过在相同信道条件下，分别进行16QAM和QPSK两种不同调制方式验证OFDM的误码性能，因此从上述结果可以得出，OFDM系统不论在高信噪比条件或者不同调制方式下都体现出了良好的抗干扰能力和高可靠的传输效果。总 结本文所做的主要工作有：（1）学习并总结OFDM的原理及其技术应用。（2）通过MATLAB平台编写m程序对QPSK的调制的OFDM进行仿真并对其性能方面的分析。体现了MATLAB软件强大的符号运算和数值方面的运算功能，借助了MATALAB运算的灵活性等特点。（3）通过SystemView平台软件构建可视化的仿真程序，更进一步的了解和掌握OFDM技术的特点及其性能方面的分析。（4）通过借助Simulink软件构造每一个系统模块，更加深入的学习了OFDM技术过程中的每一个模块特点及其数学方面的运算。整个过程中主要基于操作方面的相对较多，锻炼了动手能力和对MATLAB软件的使用和了解，以及其他仿真的平台的使用，同时操作的过程中了解和掌握了OFDM的基本原理和相关应用。本文所做工作的不足：在仿真过程中只是针对一些最基本的调制方式以及一些简单的编码方式进行了研究，因此还远远不够，还需要以后对OFDM的一些其他编码技术进行更深入的学习和研究。致 谢经历了一个星期的课程设计终于结束了，最大的感受就是团队很重要，在对整个课程设计的完成过程中充分利用了小组同学的特长，比如搜集资料能力，整理和提取资料的能力，个人想法的创意的提出，以及对计算机的软件的使用，以及最后的排版整理，都需要每一个人共同完成。感谢课程设计过程中参与的小组成员和老师，也很感谢一些老师在整个过程中对我不厌其烦的帮助和指导，才是我们组的课程设计能够按时完成。同时也要感谢所有参考文献的学着，没有这些参考文献的帮助，也学不到那么多东西。由于我的水平还暂时有限，所写论文难免会有不足之处，恳请各位老师和同学进行批评指正。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，20032 曹志刚等现代通信原理北京：清华大学出版社，19923 樊昌信，徐炳祥等通信原理北京:国防工业出版社，20064 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，20055 邓华MATLAB通信仿真及应用实例详解北京：人民邮电出版社,20036 H.sampath et al, A fouth-generation MIMO-OFDM