（通信与信息系统专业论文）基于matlabsimulink的多载波无线通信系统仿真及性能分析.pdf

基于m a t l a r f s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 基于m a t l a b s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿 真及性畿分析 摘要 以正交频分多路复用( o f d m ) 为代表的多载波传输技术已经成为第四代 移动通信系统中的关键技术。o f d m 能够有效抵抗多径衰落，并且频谱利用率 高，适用于无线环境下的高速数据传输。s i m u l i n k 是m a t l a b 软件的扩展， 它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它的模块库包含了许多实现不同 功能的模块，使得研究者可以方便地构建功能清晰、结构合理的仿真系统。 本文设计了基于s i m u l i n k 的o f d m 多载波无线通信系统的仿真平台， 并在此平台上对o f d m 的子载波调制方式、信道估计算法和同步算法作了比较 全面的仿真和性能分析。全文主要由四个部分构成：o f d m 的基本原理和系统 组成、子载波调制方式抵抗信道干扰的性能分析、信道估计对提高系统抗干扰 能力的作用和o f d m 系统中的同步技术。 通过本文对o f d m 系统的研究，我们获得了很多有价值的仿真数据，比如 在多径信道下不同调制方式的性能参数，时域信道估计算法在各种信道下的表 现，以及最大似然估计同步算法的实现与分析。这些数据不仅验证了o f d m 系 统各组成部分的性能，而且为系统的进一步改进提供了依据。 综上所述，本论文完成了o f d m 多载波无线通信系统的仿真，提供了对 o f d m 技术进行研究的平台，并在此平台上对o f d m 系统的各项性能进行了分 析和研究，为今后o f d m 技术的改进和完善奠定了基础。 关键词：s i m u l i n k ；正交频分多路复用；信道估计；同步 基于m a t l a b s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 s i m u l a t i o na n da n a l y s i so fm u l t i c a r r i e rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nm a t l a b s i m u l i n k a b s t r a c t m u l t i - c a r t i e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i cw h i c ht a k e so f d ma sr e p r e s e n t a t i v eh a s b e e nt h ek e yt e c h n o l o g i eo f4 g o f d mc a l lr e s i s tt h em u l f i p a t he f f e c te f f e c t i v e l y ，a n d m a k e sg o o du s eo ff r e q u e n c ys p e c t r u m i ti ss u i t a b l ef o rt r a n s m i t t i n gh i g hs p e e dd a t a u n d e rt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t s i m u l i n ki sa ne x p a n s i o no fm a t l a b i ti sa s o f t w a r ep a c k e tt h a tc a l lc a r r yo u td y n a m i cs y s t e mm o d e l i n g i t sm o d e ll i b r a r y c o n t a i n sal o to fm o d e l sw h i c hc a r lc a r r yo u td i f f e r e n tf u n c t i o n s t l l i sm a k e r e s e a r c h e r sc o n s t r u c ts i m u l a t i o ns y s t e mw i t hc l e a rf u n c t i o na n dr e a s o n a b l es t r u c t u r e e x p e d i e n t l y t h es i m u l a t i o np l a t f o r mo fo f d ms y s t e mb a s e do ns i m i ，i n ki sd e s i g n e di n t h i sp a p e r a n di nt h i sp l a t f o r m ，w ed i dr e l a t i v e l yc o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o na n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fs u b c a r r i e rm o d u l a t i o ns t y l e ，c h a n n e le s t i m a t i o na r i t h m e t i c a n ds y n c h r o n i z a t i o na r i t h m e t i c ni n c l u d e sf o u rm a i np a r t si nt h i sp a p e r ：f u n d a m e n t a l p r i n c i p l ea n ds y s t e mc o n s t i t u t i o no fo f d m ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fs u b - c a r r i e r m o d u l a t i o ns t y l er e s i s t i n gc h a n n e li n t e r f e r e n c e ，e f f e c to fc h a n n e le s t i m a t i o nr e s i s t i n g c h a n n e li n t e r f e r e n c ea n ds y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g i c b yr e s e a r c h i n go f d ms y s t e m ，w eg a i nm u c hv a l u a b l es i m u l a t i o ni n f o r m a t i o n ， s u c ha sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fd i f f e r e n tm o d u l a t i o ns t y l ei nm u l t i - p a t hc h a n n e l ， p e r f o r m a n c eo fc h a n n e le s t i m a t i o na r i t l l i m e t i ci nt i m ef i e l di nd i f f e r e n tc h a n n e l s ，a n d r e a l i z a t i o na n da n a l y s i so fm ls y n c h r o n i z a t i o na r i t h m e t i c t h e s ei n f o r m a t i o n sn o t o n l yv a l i d a t et h ec a p a b i l i 够o fa l lp a r t s ，b u ta l s op r o v i d eb a s i so fs y s t e mf u r t h e r i m p r o v e m e n t i n s u m m a r y t h i sp a p e rh a sc o m p l e t e d t h eo f d ms y s t e ms i m u l a t i o na n d p r o v i d e dt h ep l a t f o r mf o ro f d mt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，a n dd i da n a l y s i sa n dr e s e a r c h o fa l m o s ta l lp e r f o r m a n c e si nt h i sp l a t f o r m i ta l s oh a sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rs t u d y i n g a n di m p r o v i n gt h eo f d ms y s t e mi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s i m u l i n k ；o f d m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；s y n c h r o n i z a t i o n i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼! 垫显直基丝霞噩挂剔座明 的：奎拦亘至2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者戤：诵抄 签字臁蹄石月i b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学佗论文作者签名： 铂 导师签字 ( i 姑 签字日期：认柙年j 月f 日签字日矽9 7 年彳月1 日 学位论文作者毕业后去向 上作单位： 通讯地址： 电话 邮编 基于m a t l a b s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 i 绪论 进入2 1 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 的无线通信技术将会具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。目前普遍的观点是，下一代的无线通信网络将是基于 统一的i p v 6 包交换方式，向用户提供的峰值速率超过1 0 0 m b w s ，并能支持用户 在各种无线通信网络中无缝漫游的全新网络。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。在当前能提供高速率传输的各种无线解决方案中，以 正交频分复用( o f d m ) 为代表的多载波调制技术是最有前途的方案之一。 1 1 无线通信系统的发展 无线通信越来越广泛地渗透到每个人的日常生活中。成为世界各国最主要的 高新技术支柱产业之一；同时人们对无线通信的各种需求与曰俱增，也推动了无 线通信的飞速发展。从2 0 世纪8 0 年代中期第一代模拟无线通信系统( 1 g ) 商用开 始至今，短短的大约二十年间经历了第二代数字无线通信系统( 2 g ) 从萌芽到完善 的整个发展过程。根据无线通信每1 0 年发展一代的特点，2 0 世纪9 0 年代末自 i t u - r 推出3 g 移动通信的标准之后，各个国家和地区为了在下一代无线通信系 统的标准中占有一席之地，纷纷启动了新一代无线通信系统的技术和标准化研究 工作。有关新一代无线通信系统的名称目前尚不统一，这些名称有4 g 、 b e y o n d 3 0 、b e y o n d l m t 2 0 0 0 等多种，在本文中，我们将其统称为4 g 无线通信 系统。 对4 g 系统研究最为积极的地区和国家当属欧盟，美国，东亚的日本、韩国 和中国。欧盟的研究工作主要包括欧盟信息技术协会( i s t ) 第5 框架和第6 框 架研究计划下的多个研究项目( 如m i n d 、m o b y d i c k 、o v e r d r i v e 、s c o u t 、 m a t r i c e 等) 以及世界无线通信技术研究论坛( w w r f ) 的工作。美国对4 g 的研究比较分散，主要体现在美国电气与电子工程师协会( i e e e ) 主办的各种 会议和研讨会上发表的有关4 9 系统的报导，d a r p a 资助的下一代( x g ) 通信 系统的研究计划和m i t 正在进行的o x y g e n 研究项目。日本的4 g 系统研究机构 主要有移动信息技术论坛( m i t f ) 、日本通信技术研究所( c r l ) 和n t td o c o m o 公司。目前，n t t d o c o m o 公司的4 g 研究工作非常引人瞩目，他们提出了基于 基于m a t l a b s l m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 正交频率码分复用( o f c d m ) 技术具有可变扩频因子的4 g 系统实现方案，并 于2 0 0 2 年1 0 月推出了下行链路速率为1 0 0 m b i t s 、上行链路速率为2 0 m b i t s 的 实验系统。在韩国，对4 g 移动通信系统的研究工作主要由韩国电子通信研究所 ( e 1 砌) 来承担，目前，e n u 已经确定了4 g 系统的远景目标和研究时间表， 并与国内外的大学和研究机构密切协作，全力推动4 g 系统的标准化工作。在中 国，2 0 0 1 年启动的“十五”8 6 3 重大研究计划项目中专门设立了面向4 g 的 f u t u r e 计划，该计划的研究目标是在新技术产生的初期，对国际主流核心技术 的发展以及知识产权的形成有所贡献，实现移动通信技术跨越式发展，开展高技 术研究和试验，侧重于可实现性的关键技术开发与演示，并于2 0 0 5 年底进行关 键技术的演示。 1 9 9 9 年1 1 月，i t u r 在完成了3 g 标准i m t 2 0 0 0 的同时成立了一个新的工 作机构w p 8 f 。w p 8 f 的工作包括两部分：( 1 ) 负责现有3 g 系统的进一步发展， 制定增强型3 g 系统( 也有人称之为3 5 g 系统) 的标准；( 2 ) 制定新的4 g 系 统的标准。2 0 0 2 年l o 月，w p 8 f 完成了一个有关“i m t - 2 0 0 0 系统的未来发展和 b e y o n d l m t 2 0 0 0 系统的远景、框架和总体目标”【6 7 1 的新的标准草案。根据此 标准草案，为了支持新业务和新应用，现有的3 g 系统将不断演化和发展，其支 持的数据传输速率也将不断提高。目前，某些i m t 2 0 0 0 的空中接口的传输能力 已扩展至1 0 m b i t s ，预计到2 0 0 5 年，上述速率可进一步增至3 0 m b i t s 。为了适 应无线通信技术发展的需要，到2 0 1 0 年左右需要一个新的无线接入标准，即4 g 无线通信系统，作为增强型3 g 系统的补充。该4 g 无线通信系统的峰值传输速 率在用户高速移动时可达到1 0 0 m b i f f s ，在用户静止或低速移动时( 如无线局域 网或游牧用户) 峰值传输速率可达到1 g b i t s 。图1 1 为根据i t u - r 的新标准草 案绘制的现有3 g 、增强型3 g 以及4 g 无线系统所支持的数据传输能力与移动性 之间的关系【b 】。根据i t u r 的理解，4 g 系统的传输能力将包括过去各代( 如2 g 、 3 g 、增强型3 g 等) 无线通信系统的传输能力。未来的4 g 网络将包括现有和未 来的各种无线接入系统，这些无线接入系统通过分组核心网络连接在一起，无线 用户根据各自的具体情况( 如终端类型、所处位置等) 可最佳地、随时随地地接 入网络，获得所需要的服务，而且，用户可在所有无线接入网络之间自由切换， 而不需要关注每种网络的不同的工作机制。图1 - 2 示出了根据上述观点所绘制的 4 g 网络的组成结构瞪j 。 2 基于m a t l a b s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 蓐两建! l 斌| ! 廿 j k m 二h ； 惭i 11 0i i o a 0 辨锵链蘸超皋，矾b “ 趁：麟牛畴符蟹簿越霜幂目眩鬟辘，三惩罐菠辑端赢庳f + 危，可熹不列蝣摹境名舸c l 出耘爵 图1 14 g 无线系统支持的数据传输速率 图1 - 2 第四代无线通信系统网络结构 1 2 无线信道的特征 1 2 1 衰减作用 无线信道对信号的衰减作用使接收信号的功率减小。它由传输路径的长度、 直达信号路径中的障碍情况决定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会弓 起信号功率的衰减。无线通信中的衰减作用体现在以下3 个方面： 基于m a t l a b s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 ( 1 路径损耗i 当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上( 数百米或数 千米) 变化时，接收信号的平均功率值与信号传播距离d 的n 次方成反比。n 称 为路径损耗指数，n 值的大小由具体的传输环境决定。对于自由空间的电波传播， n 取2 。 ( 2 ) 阴影衰落：电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡， 在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰 减，称作阴影衰落。阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符 合对数正态分布。 ( 3 ) 小尺度衰落：在无线通信中，由于电波经过多条路径的距离不同，因 而各条路径中的发射波到达接收机的时间、相位都不相同。不同相位的多个信号 在接收端叠加，如果同相叠加会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。 当发射机和接收机之间的距离在较小的尺度上( 数个波长) 变化时，接收信号的 功率发生急剧的变化，称之为小尺度衰落。 路径损耗与阴影衰落合并在起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的 影响，称为大尺度衰落，因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增 加而缓慢起伏变化，所以也称慢衰落。小尺度衰落又称快衰落，它反映了无线信 号在较短的距离或时间之内的快速变化特性。实际测量发现，快衰落情况下，在 非常短的距离内，接收机信号的起伏可达1 0 3 0 d b 。 1 2 2 多径效应 1 瑞利莱斯衰落 在无线通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种障碍物和 其他移动物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。 如果各条路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则 接收信号的包络服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布。瑞利分布是用于描述平坦衰落或独 立多径分量情况下接收信号包络统计特性的一种典型分布类型。如果发射机和接 收机之间的多径传播中存在一个主要的静态信号( 非衰落) 分量，还存在视距传 播路径，则接收信号的包络服从莱斯( r i c e ) 分布。这种情况下，从不同角度随 4 基于m a t l a b i s i m u l i n k 的多载渡无线通信系统仿真及性能分析 机到达的多径分量叠加在静态的主要信号上，接收机包络检波器的输出端会在随 机多径分量上叠加一个直流分量。 2 频率选择性衰落 从频域看，如果多径信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围( 称为相干带 宽) 小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰 落，即某些频率成分信号的幅值得到加强，而另外一些频率成分的信号的幅值却 衰减。在这种情况下，信道冲激响应具有多径时延扩展，其值大予发送信号波形 带宽的倒数。此时，接收信号中包含经历了不同衰减和时延的多径波形的叠加， 因而，产生接收信号失真。频率选择性衰落是由信道对发送信号的时间色散引起 的。频率选择性衰落引起数字信号传输出现i s l 。反之，如果多径信道的相干带 宽大于发送信号的带宽，则接收信号经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，信 道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。但是，多径效应 导致信道增益的起伏，使接收信号的强度随着时闺变化。在平坦衰落信道中，发 送信号带宽的倒数远大于信道的多径时延扩展，因此信道的冲激响应可近似看作 是一个6 函数。典型的平坦衰落信道会引起深度衰落，在深度衰落期间需要增加 2 0 或3 0 d b 的发送功率，以获得较低的误比特率。 ，日： 1 2 3 时变性 延扩展和相干带宽描述了无线信道的时间色散特性，但不能描述无线信道的 时变佳。无线信道的时变性是由发射杌和接收机的相对运动或者信道中其他物体 的运动引起的。描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒扩展和相干时间。 1 多普勒扩展频移 当无线电发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。当 两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率；当两者作反向运动时，接 收信号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应。对于电磁波而言，因 为多普勒效应造成的频率偏移取决于两者相对运动的速度，可将这种频率偏移写 为网兀= f ov e o s 伊其中，力为接收端检测到的发射机频率的变化量，石是发射 c 机的载频，v 是发射机与接收机之问的相对速度，伊为移动方向与电波入射方向 的夹角，c 为光速。 基于m a t l a b s i m u l f n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 2 多普勒扩展 多普勒扩展描述了无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱展宽程度。当 发射机在无线信道上发送一个频率为 的单频正弦波时，由于前述的多普勒效 应，接收信号的频谱被展宽，将包含频率为五一五磊+ 五的频谱分量，其中五为 多普勒频移，这一频谱称为多普勒频谱。接收信号的多普勒频谱上不等于0 的频 率范围定义为多普勒扩展，用目来表示。如果所传送的基带信号的带宽e 远大 于易，则在接收机中多普勒扩展的影响可忽略，这种信道可看作慢衰落信道。 通常，根据忍和易的关系，我 将无线信道分为馒衰落信道( 垦 兄) 和 快衰落信道( e 历) 。 1 3 多载波技术 1 3 1 多载波技术简介 近年来受到人们广泛关注的一项宽带传输新技术是以正交频分复用 ( o f d m ) 为代表的多载波传输技术f 1 0 。2 】。多载波传输把数据流分解为若干个独 立的子比特流，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 形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行 发送的传输系统。o f d m 是多载波传输方案的实现方式之一，在非对称数字用 户线( a d s l ) 中，o f d m 也被称为离散多音( d m t ) 调制。o f d m 利用逆快速 傅立叶变换( i f f t ) 和快速傅立叶变换( f f t ) 来分别实现调制和解调，是实现 复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。除了o f d m 方式之外，人们还 提出了许多其他的实现多载波调制的方式，如矢量变换方式【1 3 1 、基于小波变换的 d w m t 方式【1 4 1 孔、采用滤波器组的滤波多音( f m t ) 调制方式【1 6 ，1 7 1 等，但这些 方式与o f d m 相比，实现复杂度相对较高，因而在实际系统中很少采用。在本 文中主要讨论基于o f d m 的多载波传输技术。 与传统的单载波系统和c d m a 系统相比，o f d m 系统的主要优势在于： 1 可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰，与其他实现方法相比， 多载波系统实现复杂度较低； 基于m t l a b s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 2 在变化相对较慢的信道上，多载波系统可以根据每个子载波的信噪比来 优化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量； 3 多载波系统可以有效对抗窄带干扰，因为这种干扰仅仅影响系统的一小 部分子载波； 4 在广播应用中，利用多载波系统可以实现非常具有吸引力的单频网络。 与传统的单载波传输系统相比，o f d m 系统的主要缺点在于： 1 对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统要高； 2 多载波系统中的信号存在较高的峰值平均功率比( p a r ) 使得它对放大 器的线性要求很高。 1 3 2 多载波技术的发展 多载波调制本质上是一种频分复用技术。频分复用( f d m ) 技术早在1 9 世 纪以前就已经被提出，它把可用带宽分成若干相互隔离的子频带，同时分别传送 一路低速信号( 如电报) ，从而达到信号复用的目的。各子载波上的被调制数据 可以来自同一信号源，也可以来自不同信号源。这种传统的多载波传输方式复杂 性比较高，因为各子载波都需要自己的模拟前端，同时为了使得接收机可以区分 各子频带，各子频带之间必须有足够的间隔，从而避免经过信道后发生频谱混叠， 所以频谱效率通常很低。但是在这种并行传输机制下，因为各载波上的数据速率 较低，相应的信号的码元符号周期较长并远大于信道的最大时延扩展，从而可以 有效地减小由于信道单位时延扩展引起的符号间干扰问题。 为了提高f d m 技术的频谱利用率，g a d o e l z 等 1 8 】在2 0 世纪5 0 年代提出 了k i n e p l e x 系统。该系统的设计目标是在严重多径衰落高频无线信道中实现数 据传输。系统使用了2 0 个子载波，使用差分q p s k 调制，且实现方式几乎和现 代的o f d m 样：相邻子载波间的间隔近似等于子载波的符号速率，从两保证 各子载波的频谱互相重叠，但又是正交的，于是可以大大地提高频谱利用率，但 系统仍采用了传统的多载波调制系统实现方式。随后的多载波系统【1 9 ，2 0 1 也是利用 类似的技术提高频谱利用率。 以上系统中的子载波频谱没有经过滤波，各子载波频谱形状均为s i n ( 矽) ，厂 函数形式。为了限制系统频谱，r w c h a n g 等分析了多载波通信系统中如何使经 7 基于m 肌a b ，s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 过滤波、带限的子载波保持正交 2j 2 3 j 。随后s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 提出了使 用离散傅立叶变换( d f t ) 实现多载波的基带调制和解调 2 4 1 ，这样便不再对每个 子载波都使用模拟前端，从而大大地降低了多载波系统的复杂度，为o f d m 的 演进做出了巨大的贡献。另外，w e i n s t e i n 等f 2 4 提出了通过插入一段空白区作为 保护间隔来消除符号间干扰，但这种办法不能保证信号经过色散信道后各子载波 仍然保持正交，为此，a p e l e d 和a r u i z 提出了采用循环前缀( c p ) 的方法保证 信号经过色散信道后仍然保持各子载波问的正交性1 2 5 1 。至此，现代o f d m 的概 念便形成了。1 9 8 5 年。c i m i n i 把o f d m 的概念引入蜂窝移动通信系鲥2 6 1 ，为无 线o f d m 系统的发展奠定了基础。 o f d m 技术具有良好的抗多径能力，从而受到大量关注。目前o f d m 作为 核心技术已被多种有线和无线接入标准采纳： 1 a d s l ，被广泛用于提高铜双绞电缆用户的接入能力； 2 在无线局域网领域的i e e e 8 0 2 1l a 、h i p e r l a n 一2 ； 3 欧洲数字音频广播( d a b ) 和数字视频广播( d v b ) ； 4 无线城域网标准i e e e 8 0 2 1 6 a 等等。 同时，o f d m 除了作为一种传输技术，还具有支持多用户接入的能力。 正因为o f d m 潜在的多径对抗能力，且可以灵活地和其他接入方式结合成 衍生系统，所以o f d m 已被列入4 g 无线通信系统的可能解决方案，而受到研究 者的广泛关注。 1 - 4s i m u l i n k 仿真工具 s i m u l i n k 是m a t l a b 软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个 软件包【3 1 ，它与m a t l a b 语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于 w i n d o w s 的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系 统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指s i m u l i n k 提供 了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模 块的功能，丽不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再 将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型( 以m d l 文件进行存取) ，进而进 行仿真与分析。 8 基于m a n a b s l m u l l n x 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 。s i m u l i n k 中的模型有以下几个特点：在s i m u l i n k 里提供了许多如s c o p e 的接收器模块，这使得用s i m u l i n k 进行仿真具有像做实验一般的图形化显示 效果；s i m u l i n k 的模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统； s i m u l i n k 提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和 设置参数对话框。 s i m u l i n k 中包括了许多实现不同功能的模块库( 如图1 3 所示) ，利用这 些模块，用户可以创建层次化的系统模型，可以自上而下或者自下而上的阅读模 型，也就是说，用户可以查看最顶层的系统，然后通过双击模块进入下层子系统 查看模型，这不仅方便了工程人员的设计，而且可以使自己的模型方框图功能更 清晰，结构更合理。本文使用的模块库有s i m u l i n k 模块库，c o m m u n i c a t i o nb l o c k s e t 模块库，s i g n a lp r o c e s s i n gb l o c k s e t 模块库。 图1 - 3s i m u l i n k 模块库浏览窗口 1 5 本论文研究的目的和意义 根据前面对移动通信系统进展的回顾和展望，提出以o f d m 为代表的多载 波技术是第4 代无线通信中的关键技术。虽然0 f d m 技术在1 9 7 t 年被提出，算 9 基于m a t l a b s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 不上是新技术。但在生产和生活丰富的今天，随着移动用户数目的增加，不同通 信网络之间竞争的加剧，出现了频谱资源紧张、无线信道日益复杂化、设备的研 发周期不适应快速的需求等问题。而o f d m 技术具有很高的频谱利用率( 理论 上几乎可达到香农极限) ，并且具有很好的抗多径衰落的性能，调制解调可以 使用i f f 聊f t 来实现，可以很好的解决以上问题。o f d m 技术虽然已经得到较 为广泛的应用，但是关于o f d m 技术的研究还有很多问题没有得到很好的解决。 因此，建立o f d m 通信系统的仿真平台，并在此平台上对o f d m 系统的各项性 能进行分析和研究，具有很大的科研价值。 1 6 本文主要工作 本文的主要内容安排如下： 第一章介绍无线通信系统的发展，以o f d m 为代表的多载波技术是第4 代 无线通信中的关键技术。介绍了无线信道的特征，还介绍了本文使用的 s i m u l i n k 仿真工具。 第二章详细介绍和探讨了0 f d m 的基本原理和系统组成。 第三章该章是论文的重点部分之一。首先，把多径干扰对o f d m 信号接收 的影响做了详细的介绍。接着仿真分析了不同调制方式下循环前缀抗干扰的性 能，还有不同调制方式抗多径干扰的性能。 第四章该章是论文的重点部分之一。讨论了信道估计对提高系统抗干扰能 力的作用。首先介绍了相干检测与非相干检测的区别，其次，详细介绍了信道估 计的时域算法和频域算法，最后对信道估计算法的性能作了全面的仿真分析。 第五章该章是论文的重点部分之一。讨论了o f d m 系统中的同步技术。首 先介绍了o f d m 系统中的同步原理和同步算法，接着对系统所选同步算法的性 能作了仿真分析。 第六章给出对本论文工作的总结及对今后工作的展望。 2o f d m 的基本原理和系统组成 2 1o f d m 的基本原理 l o 基于m a t l a b s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 每个o f d m 符号是由一组承载了p s k 或q a m 调制信号的子载波叠加构 成，从t = - - 6 开始的o f d m 符号s 可以表示为 瑚= r e f 笺t + 譬c x p 伽( z 一半) 】 鳃+ 丁 ( 2 - 1 ) 式中，n 表示子载波的数目；t 表示o f d m 符号的宽度；磷( 间1 , n - 1 ) 表示第f 路的基带复信号；五是载波中心频率；珞表示开始时刻。 在理论分析中，采用基带表示更为方便。o f d m 信号的基带形式为 s o ) = 码+ ，2e x p j 2 石( f f ，) 】岛! ；酿+ r ( 2 - 2 ) 式中，实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，由于子载波 的正交特性，可以采用一路子载波信号进行解调，从而提取出这一路的数据。例 如，接收端第路子载波信号的解调过程为：将接收信号与第路的解调载波 e x p ( 一弦型尝旦。一) ) 相乘，然后将得到的结果在o f d m 符号的持续时间r 内 进行积分，即可获得相应的发送信号盈。对第j 路子载波进行解调，可以得到 鼍r 酬咖丝笋) ) 【，互v 1 2 l ：刚2 万扣o ) d t = 互。v 1 2 - 1 ：f j 钉蝴鼍掣渺 ， o 、 一右信 首仕； f i 一9 - 无信道估计； 图4 _ 4 两径信道q p s k 调制方式有，无信道估计时误码率比较 l i； i； - - - + - - - - - - k _ j ： ；、k 卜， h 。 。- - 、 、 i p 有信道估计l l e - 一无信道估计i s n 刚d b 图4 - 5 两径信道1 6 q a m 调制方式有，无信道估计时误码率比较 基于m a t l a b s i m u l l n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 在多径信道下，信道估计起到了很重要的作用。例如，在两径信道的情况 下，较强的一径作为希望信号，另一径为干扰，采用q p s k 或1 6 q a m 调制方式， 两径相差2 d b ，延时相差2 0 个样值点( 此延时小于循环保护间隔) 。仿真结果 如图4 4 和图4 5 所示，在没有信道估计的情况下，无论是q p s k 或1 6 q a m 调 制方式，其误码率所在范围都己经无法保证正常通信，而在有信道估计的情况下， 我们可以清楚地看出，误码率有了非常明显的改善。图4 - 4 和图4 5 的信噪比仿 真范围为- - s d b 到2 d b ，此范围为信道处于较差情况时的值，随着信噪比的提高， 信道估计对于系统性能的改善还会更加明显。另外，在三径的情况下也有相似的 现象出现。 槲 留 嗤 1 0 ：一：。：。：一：。：。：一：。：一：i ：。： 兰垮蔓皇孽等：案蔓 尊皇羔卑羔黪：兰鱼兰羔售薯：尊薯。 ；- 一；一：- 一一i - ；+ ； 嶂一 ，t _ 牛2 二一 ， 、? 一毫叶二 ：、 j j + 有信道估计j !一卜 l 一。- 一无信道估计l 012345678 91 0 s n r d b 图4 _ 6 瑞丽衰落信道q p s k 调制方式下有，无信道估计误码率比较 3 0 基于m m a b 塔f m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 将 留 媸 - l- 目(日a 台 7 - 哥一三 1 一，有信道估计1 l 争一无信道估计l s n h ，d b 图4 7 瑞丽衰落信道1 6 q a m 调制方式下有，无信道估计时误码率比较 在瑞丽衰落信道下，信道估计也能起到很重要的作用。如果，我们在多径 信道的基础上，再加入最大可到1 0 0 h z 的多普勒频移，且各条路径信号的幅值 和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，就形成了移动通信系统中常 见的瑞丽衰落信道。o f d m 系统在此信道下的仿真结果，如图4 6 和图4 7 所示 ( 信噪比仿真范围为0 d b 到1 0 d b ) 。从图中我们可以看出，没有信道估计，无 论是q p s k 或1 6 q a m 调制方式，其误码率也无法保证正常通信，而加入信道估 计后，系统性能也有了很大的改善。 4 4 本章小结 本章讨论了信道估计对提高系统抗干扰能力的作用。首先介绍了相干检测 与非相干检测的区别，其次，详细介绍了信道估计的时域算法和频域算法，最后 对信道估计算法的性能作了全面的仿真分析。 基于m a t l a b s i m u l i n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分析 5o f d m 系统中的同步技术 同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题，其性能直接关系到 整个通信系统的性能。可以说，没有准确的同步算法，就不可能进行可靠的数据 传输，它是信息可靠传输的前提。当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提 供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，这种获取相干载波的过程就称为 载波同步。对于数字通信，接收瑞的最佳采样时刻应对应于每个码元间隔内接收 滤波器的最大输出时刻，因此，对于数字通信，除了载波同步的问题外，还有符 号同步的问题。符号同步的目的是使接收端得到与发送端周期相同的符号序列， 并确定每个符号的起止时刻，进而实现块同步或帧同步。 对于o f d m 系统，当然也不可避免地存在载波同步和符号同步的实现问题。 但是由于每个o f d m 符号是由经串并转换的n 个样值符号组成的，所以在 o f d m 系统中，除了上述数字通信系统中的载波同步和符号同步外，还应包括 样值同步，如图5 1 所示( 图中虚线表示接收端和发送端所需同步量相对应位置 的示意，而并不是真正实现时同步在系统接收端所处的位置) 。o f d m 系统中 的样值同步与一般数字通信系统中的符号同步类似，包括样值定时同步和样值频 率同步。在o f d m 系统中，符号同步的目的是使接收端确定每个o f d m 符号的 起止时刻，即确定准确的f f t 窗位置，并进一步实现块同步或帧同步；样值定 时同步是为了使接收端确定每个样值符号的起止时刻；样值频率同步则是为保证 使接收端有与发送端具有相同的采样频率而设计的。 图5 - 1o f d m 系统中的同步 基于m a t l a b s i m u l t n k 的多载波无线通信系统仿真及性能分折 o f d m 既可用于广播等连续传输的系统，也可用于分组交换网络，即分组 突发方式的传输。由于这两种系统传输方式的差异，所以它们的同步算法也存在 一些差异，但它们的同步原理是相同的，所以本章将首先从理论上探讨o f d m 系统中载波同步、符号同步和样值同步的基本原理，然后介绍一些在o f d m 系 统中实现各种同步的常用有效算法。 5 1o f d m 系统中的同步原理 图5 - 1 中给出了o f d m 的系统模型以及几种同步技术在系统中所处的位置。 在发送端，串行发送的数据流 鼠) 首先经过串并转换变成并行的数据流， 进行逆傅立叶变换，再经并，串转换后得到数据流 鼠) ，插入循环前缀得到 以) ， 再进行数模转换后得到模拟信号x ( t ) ，调制到载波正上后送到信道中进行传输。 接收端的处理过程与发送端的处理过程刚好相反。图5 1 中发送端各点的信号可 表示为 s 。= 万1 色n - is 2 川， 挖，七= 。，1 ，一1 ( 5 - 1 ) 戈。=s：+”：。ego，,g-1一s n + g1 ( 5 - 2 )“n l 一g n g ， 一1 ( ) x ( f ) = x p ( t 一玎c )( 5 3 ) n = 0 其中，g 为所加循环前缀的样值符号数，一般应不少于信道多径时延扩散的 符号数；p ( t ) 为发送端的脉冲成形波形；霉为发送符号的抽样间隔( 样值频率z 的倒数，即t = 1 ，z ) ，弘n e 为o f d m 符号的持续时间。为了便于研究，可 假设满足理想抽样定理，且若不考虑循环前缀的影响，则有近似表达式 x ( f ) = 寺s i e “7 ( 5 - 4 ) v 七= 0 在接收端，相干解调需要有与发送载波频率和相位都相同的载波，所以首先 要进行载波同步；其次，在进行模数转换( a d ) 时，又需要有与发送端相同 的起始时刻和采样时钟，即样值定时同步和样值频率同步；最后，由于样值是连 续到达的，所以还必须确定o f d m 符号是从什么地方开始的，又是从什么地方 基于m a t