OFDM系统仿真实验报告

1、无线通信OFDM系统仿真一、实验目的1、了解OFDM技术的实现原理2、利用MATLAB软件对OFD啲传输性能进行仿真并对结论进行分析。二、实验原理与方法1 OFDM调制基本原理正交频分复用(OFDM是多载波调制(MCM技术的一种。MCM的基本思想是把 数据流串并变换为N路速率较低的子数据流，用它们分别去调制N路子载波后再 并行传输。因子数据流的速率是原来的1/N，即符号周期扩大为原来的N倍，远 大于信道的最大延迟扩展，这样MCM就把一个宽带频率选择性信道划分成 N个窄 带平坦衰落信道，从而“先天”具有很强的抗多径衰落和抗脉冲干扰的能力，特 别适合于高速无线数据传输。OFDMI种子载波相互混叠的

2、MCM因此它除了具 有上述毗M的优势外，还具有更高的频谱利用率。OFDM选择时域相互正交的子 载波，创门虽然在频域相互混叠，却仍能在接收端被分离出来。2 OFDM系统的实现模型利用离散反傅里叶变换(IDFT)或快速反傅里叶变换(IFFT)实现的OFDM 系统如图1所示。输入已经过调制(符号匹配)的复信号经过串P并变换后，进 行IDFT或IFFT和并/串变换,然后插入保护间隔,再经过数/模变换后形成OFDM 调制后的信号s (t)。该信号经过信道后，接收到的信号r ( t )经过模P数变 换,去掉保护间隔以恢复子载波之间的正交性,再经过串/并变换和DFT或FFT 后,恢复出OFDM勺调制信号,再

3、经过并P串变换后还原出输入的符号。图1OFDh系统的实现框图从OFDM系统的基本结构可看出，一对离散傅里叶变换是它的核心，它使 各子载波相互正交。设OFDM言号发射周期为0,T,在这个周期内并行传输的 N 个符号为(Coo，Go,Cn 10),其中Cni为一般复数，并对应调制星座图中的某一 矢量。比如C00 a(0) j b(0), a(0)和b(0)分别为所要传输的并行信号,若将其合为一个复数信号 , 很多个这样的复数信号采用快速傅里叶变换 , 同时也实现对 正交载波的调制 , 这就大大加快了信号的处理调制速度( 在接收端解调也同样 ) 。由于实际发送的是复数的实部 , 因此在 IFFT 的

4、算法中会将处理后的信号 都映射为实数 , 然后经过射频调制发出。3 OFDM系统的DFT实现上述描述的OFDM系统的实现需要大量的正弦波发生器、滤波器、调制器和相干解调器，因此所需的设备比较复杂。 we1nstein 和 Ebert 提出了采用 离散傅立叶变换(DFT)来实现多载波调制。随着数字信号处理技术的发展，可以 采用快速傅立叶变换(FFT)技术实现，大大降低了 OFD技术实现的复杂程度，使 得OFDMfe术越来越广泛的应用在各种移动通信系统中。为了叙述的简洁，忽略矩形函数，并令 ts 0,对信号st以Ts T/N的速率 进行采样， 即令 t nT / N(n 0,1,., N 1)可以

5、得到：N1sn s nT / Ndk exp j2 nk / N 0 n N 1k0可以看到色等效为dk进行IDFT运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据 符dk，可以对Sn进行DFT变换，得到：N1dksn exp( j2 nk / N) 0 k N 1n0根据上述分析可以看出，OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT/DPT来代 替。通过N点IDFT运算，把频域数据符号dk变换为时域数据符号Sn，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每一个IDFT输出的数据符号Sn 都是由所有子载波信号经过叠加而生成的， 即对连续的多个经过调制的子载波 的叠加信号进行抽样得到的。在OFDM系统的

6、实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换(FFT/IFFT) 。N点工DFT运算需要实施 次的复数乘法(为了方便，只比 较复数乘法的运算量 ) ，而 IFFT 可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基 2IFFT算法来说，其复数乘法的次数仅为 N/2 1og2N，而且随着子载波个数N的 增加，这种算法复杂度之间的差距也越明显。对于子载波数量非常大的 OFDM系 统来说，可以进一步采用基 4IFFT 算法来实施付立叶变换， 其复数乘法或者相位 旋转的数量仅为 3/ 8 N (10g2 N- 2) 。在实际应用中，对一个OFDM符号进行N次采样，或者N点IFFT运算所得到 的N个输出样值往

7、往不能真正地反映连续 OFDM符号的变化特性，其原因在于： 由于没有使用过采样，当这些样值点被送到数/模转换器(A/D)时，就有可能导致 生成伪信号， 这是系统中所不能允许的。 这种伪信号的表现就是， 当以低于信号 中最高频率两倍的频率进行采样时， 即当采样值被还原之后， 信号中将不再含有 原有信号中的高频成分， 呈现出虚假的低频信号。 因此针对这种伪信号现象， 一 般都需要对OFDM符号进行过采样，即在原有的采样点之间在添加一些采样点， 构成PN(P为整数)个采样值。这种过采样的实施也可以通过利用IFFT/FFT的方法来实现，即在原始的N个输入值的后面添加(P-1)N个零。4. OFDM系统

8、的保护间隔(GI)和循环前缀(CP)保护间隔采用OFDM技术的主要原因之一就是它可以有效对抗多径扩展，通过将输入 的数据流并行分配到N个并行的子信道上，使每个OFDM的符号周期扩大为原始 数据的N倍,使得时延扩展与符号周期的比值也降低 N倍。在实际的OFDM系统 中,当调制信号通过无线信道到达接收端时 ,信道多径效应带来的码间干扰 ,会使 子载波之间不再保持良好的正交性。为了保持子载波之间的正交性 , 在发送之前 就要在每个OFDM符号之间插入保护间隔,该保护间隔的长度TG 般要大于无线 信道的最大时延扩展 , 才会使一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰 , 从而有效消除码间干扰 ( I

9、SI) 。如果在这段保护间隔内 ,不插入任何信号 ,仅把 它作为一段空闲的传输时段 ,那么由于多径传播的影响 ,就会产生子信道间的干 扰( ICI) , 这样还是会破坏子载波之间的正交性 , 使得各子载波之间产生干扰。4. 2 循环前缀为了消除多径传播造成的 ICI , 一种有效的方法是将原来宽度为 T 的 OFDM 符号进行周期扩展 , 用扩展信号来填充保护间隔 , 经扩充的保护间隔内的信号称 为循环前缀,循环前缀中的信号与OFDM符号尾部宽度为TG的部分相同。在实际 的系统中 ,在接收端 ,首先要将接收符号开始的宽度为 TG 的部分丢弃 ,即去除 OFDM符号在送入信道传输之前加入的循环前

10、缀,然后将剩余的宽度为T的部分 进行傅里叶变换后再进行解调。在OFD符号内加入循环前缀可以保证在一个 FFT 周期内,OFDM符号的时延副本包含的波形周期个数是整数，这样时延小于保护间 隔 TG 的时延信号就不会在解调过程中产生 ICI 。一旦多径时延超过了保护间隔 ,子载波之间的正交性还是会遭破坏,就会产生ICI。在一个OFDM符号中,循环前 缀部分携带任何信息，它和信息一起传送会带来功率和信息速率的损失，但是由于保护间隔的插入可以消除多径传播引起的ICI影响,能更好地体现多载波传输的优越性，因此上述的损失是值得的。三、实验结果1. 仿真过程：根据OFDM系统框图，首先由信源产生随机 0,1

11、序列，然后经过QPSK调制后进行串并转换，再对串并转换后的序列进行IFFT变换得到时 域信号，添加循环前缀后通过瑞丽信道，对得到的信号在进行去循环前缀，FFT变换，QPSKS调，并串转换后得到接收的信息序列，再将其与发送序列比较后， 的到最后的误码率。2. 仿真条件：OFDM系统子载波数为64,发送的符号数为10A3个，循环 前缀cp=16，信道为瑞丽信道，瑞利阶数为10,调制方式为QPSK3. 仿真结果：010OFDM系统10阶瑞丽信道误码率曲线-ORUE-210-3 LIIIIlli10 02468101214161820SNR(dB)结果分析：从仿真结果可以看出，未经过编码的OFDM系统的性能不是很好。四、结论从OFDM系统的原理和仿真过程可以看出，OFDM系统频带利用率高，因 为OFDMfc许重叠的正交子载波