现代通信技术论文基于16QAM调制的OFDM无线通信仿真设计

1、武汉理工大学现代通信技术课程论文 基于16QAM调制的OFDM无线通信仿真设计摘要：本文分析了移动通信系统所面临的现状和发展趋势，简要概述了OFDM技术的发展状况、原理和关键技术，在此基础之上建立并分析了OFDM系统连续和离散模型；然后结合数字通信技术设计了一个简单的基带OFDM系统，并用MATLAB对其进行仿真验证，着重阐述了在不同信噪比下系统的误码率，并对其进行分析。关键词：正交幅度调制；正交频分复用；MATLABSimulation of OFDM wireless communication system based on 16QAM modulation Lu HaoInformat

2、ion Engineering college, Wuhan University of Technology, Wuhan in China, Abstract: This paper analyzes the mobile communication system faced situation and development trend, a brief overview of the development of OFDM technology, principles and key technologies, the analysis of continuous and discre

3、te model for OFDM systems; then combined with digital communication technology, design a simple base-band OFDM system and its simulation using MATLAB verification, focusing on the different circumstances in the bit error rate.Keywords: QAM, OFDM, MATLAB1. 引言进入21世纪以来，无线通信技术正以前所未有的速度向前发展。随着用户对各种高速率业务的

4、需求，为了支持更高的信息传输速率，在下一代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。近年来受到广泛关注的一项宽带传输技术是以正交频分复用(OFDM)为代表的多载波传输技术。OFDM1(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种特殊的频分复用。频分复用FDM技术的使用在一个世纪前就已得到应用，比如低速率的电报业务，就是在一个宽带信道中使用不同载波频率并行传输。但是，为了在接收端能够较容易地分离这些信号，传统多载波系统中各载波频率要分隔得足够远，同时要采用保护频带，这些使得频谱利用率很低。再有，因为各载波都需要自己的模拟前端

5、，使得传统多载波传输方式复杂性也很高。OFDM在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道间保持正交，频谱相互重叠，这样减少了子信道间干扰，提高了频谱利用率。同时，在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，虽然整个信道的频率选择性是非平坦的，但对每个子信道是平坦的，大大减少了符号间干扰。此外，通过在OFDM中添加循环前缀可增加其抗多径衰落的能力。由于OFDM把整个信道分成相互正交的子信道，因此抗窄带干扰能力很强，因为这些干扰仅仅影响到一部分子信道。正是由于OFDM具有抗多径能力强、频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注。QAM2是英文Quadrature Amplitude Modulation的缩略语简

6、称，意为正交幅度调制，是一种数字调制方式。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2ASK3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。正交幅度调制是利用多进制振幅键控(MASK)和正交载波调制相结合产生的。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了广泛的应用，它将是4G移动通信4的核心技术之一。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。OFDM技术适用于无线环境下的高速传

7、输，不仅应用于无线局域网，还在宽带无线接入(BWA)中得到应用。IEEE802.16工作组专门负责BWA方面的技术工作，它已经开发了一个2GHz11GHzBWA的标准IEEE802.16a，物理层就采用了OFDM技术。该标准不仅是新一代的无线接入技术，而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重要意义。2. 系统总体结构设计2.1 组成方案本次设计主要进行的是MATLAB软件对OFDM通信系统的调制、解调方法进行仿真研究。仿真加入保护间隔(循环前缀5)，利用IFFT/FFT实现的OFDM系统。所使用的调制方式为16QAM，并分析OFDM系统的性能以及仿真结果信号传输的误码率等。此次系统仿真设计过程中主

8、要包括随机数列的产生，16QAM的调制与解调，OFDM系统的实现，循环前缀的加入等。下面逐一介绍。2.1.1 隔离技术本次设计的随机数列的产生主要由MATLAB中的rand函数和fix函数产生，前者为随机产生0到1之间的随机数，后者为向前取整函数，目的在于产生随机0,15数列以便作为输入信号进行仿真。2.1.2 16QAM调制与解调QAM是一种频谱利用率很高的调制方式，它是以载波的振幅和相位两个参量同时受调制的联合键控体制，而且QAM具有比较高的抗干扰能力。QAM是一种矢量调制，将输入比特先映射(一般采用格雷码)到一个复平面(星座)上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量(对应复平面的实部

9、和虚部，也就是水平和垂直方向)采用幅度调制，分别对应调制在相互正交(时域正交)的两个载波(cos wt 和sin wt)上。这样与幅度调制(AM)相比，其频谱利用率将提高1倍。QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率。样点数目越多，其传输效率越高。16QAM信号，每个样点表示一种矢量状态，16QAM有16态，每4位二进制数规定了16态中的一态，16QAM中规定16种载波和相位的组合，16QAM的每个符号和周期传送4比特。通常用星座图来描述QAM信号的空间分布状态。本次设计主要利用16QAM星座图6来进行映射变

10、换，将随机产生的数列映射为星座图上的点并用复数表示，并发送给OFDM系统模块以供发送。2.1.3 OFDM系统的实现本次设计的OFDM系统的实现主要依靠IFFT7(反快速傅里叶变换)和FFT(快速傅里叶变换)来分别对已信源调制后的信号和接收到的信号进行调制与解调，如图1所示。串并变换并串变换 图1 利用IFFT/FFT 实施的OFDM 系统框图2.1.4 循环前缀的加入为了有效地克服OFDM系统中的符号间干扰，通常在做IFFT调制以后需要插入大于信道最大时延的保护间隔。传统的处理方法是将IFFT调制之后的前一个符号的一部分数据插入到发送数据之前，并串转换后发送。接受端进行采样后，去除循环前缀，

11、对其余接收数据作FFT解调，从而得到频域接收数据。称作循环前缀(cyclic prefix, CP)。2.2 工作原理2.2.1 16QAM基本原理16QAM调制原理如图2所示。输入的二进制序列经过串并变换输出速率减半的两路并列序列，再分别经过2电平到4电平的变换，形成4电平的基带信号。为了抑制已调信号的带外辐射，该4电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，再分别对同相载波和正交载波相乘，最后将两路信号相加即可得到16QAM信号。串/并变换2到4电平变换2到4电平变换LPFLPF 图2 16QAM基带信号调制图4到2电平变换4到2电平变换并/串变换LPFLPF定时恢复多电平判决多电平判决载波恢

12、复 图3 16QAM解调图 16QAM解调原理如图3所示。解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波器输出两路多电平基带信号，多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测。2.2.2 OFDM基本原理 OFDM的基本思想是将高速串行数据流变为低速并行数据流，分别调制在多个正交的子载波上并行传输。一个OFDM符号之内包含很多个经过正交幅度调制(QAM)的子载波，一个从t=ts开始的OFDM符号可以表示为： (1) 其中，N表示子载波的个数，T表示OFDM符号的持续时间(周期)，di(i= 0,1,2, , N -1)是分配给每个子信道的数据符号，fi是第i个子载波的载波频率，rec

13、t(t) =1，tT/ 2。如果将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将它们映射为子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述OFDM的输出信号： (2) 其中s(t)的实部和虚部分别对应于OFDM的同相(In-phase)和正交(Quadrature-phase)分量，在实际系统中可以分别于相应子载波的cos分量和sin分量相乘，构成最终的子信道信号和合成OFDM符号。对式(2)中的OFDM 复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换(IDFT)来实现。令式(2)中的ts=0 ，并且忽略矩形函数，对于信号s(t)以TN的速率进行抽样，即令t =kT/ N ,k=0,1,2,3N-1

14、，则得到： (3)从(3)式可以看到，sk等效为对di进行了IDFT运算。同样，在接收端为了恢复出原始的数据符号di可以对sk进行逆变换(即DFT)，得到: (4) 可以看出，OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT和DFT来实现。在实际应用中，可以采用更加方便快捷的IFFT/FFT实现。 DFT 的实质是有限长序列傅里叶变换的有限点离散采样，从而开辟了频域离散化的道路，使得数字信号处理可以在频域采用数字运算的方法进行，这样就大大增加了数字信号处理的灵活性。而且其具有快速算法FFT，从而使信号的实时处理和设备的简化得以实现。在OFDM系统的实际应用中，可以采用更加快捷方便的IFFT/FFT。

15、N点IDFT运算需要实施N2次复乘，而IFFT可以显著的降低运算的复杂程度。对于基2IFFT来说，其复乘次数为(N/2)log2(N)。可以看出，随着子载波数的增加，IFFT相对于DFT的复杂程度迅速的降低。IDFT的计算复杂程度会随着N的增加而呈现二次方增加，IFFT的计算复杂度的增加速度只是稍稍快于线性变化。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 算法以降低复杂程度。在4点的IFFT运算中，只存在与1，-1，j，-j的相乘运算，因此不需要采用完整的乘法器来实施这种乘法，只需要通过简单的加、减以及交换实部和虚部的运算来实现这种乘法。在基4算法中，IFFT变换可以被

16、分为多个4点的IFFT变换，这样就只需要在两个级别之间执行完整的乘法运算。因此，N点的基4IFFT算法中只需要执行(3/8)Nlog(2N-2)次复乘或者相位旋转，以及Nlog2N次复加。基4蝶形算法可以用于高效的计算大规模的IFFT。2.3 系统构建本次系统仿真设计总体流程图如下图4所示。串并变换图4 基于16QAM调制的OFDM系统仿真总体流程图 仿真系统主要由16QAM的调制与解调、OFDM符号的合成与分散两大主要组成部分。其中16QAM调制与解调中伴随着串并变换，OFDM符号合成与分散包括IFFT、FFT，加、除保护间隔(即循环前缀)，信道为高斯白噪声信道8(AWGN)，仿真的数据源来

17、自函数产生的随机数列；仿真结果为发送和接收星座图，发送接收波形图9，误码率等。3. 结果调试及分析 在形成MATLAB仿真M文件后即可运行程序，得到标准的随机输入数据的星座图如图5所示。 图5 随机输入初始数据的星座图 由于程序要求运行开始输入信噪比值(dB)，因此在不同信噪比情况输入下，得到的输入输出数据的波形图以及接收到的符号的星座图如图6-图13所示。 图6 信噪比为5dB时数据的16QAM调制波形 图7 信噪比为5dB时解调得到数据的星座图图8 信噪比为10dB时数据的16QAM调制波形图9 信噪比为10dB时解调得到数据的星座图从图6到图9不难看出低信噪比下波形失真较严重，所接受得到

18、的符号误码率也较严重。图10 信噪比为20dB时数据的16QAM调制波形图11 信噪比为20dB时解调得到数据的星座图图12 信噪比为30dB时数据的16QAM调制波形图13 信噪比为30dB时解调得到数据的星座图从图中可以清晰的看出随着信噪比的增高，仿真结果越好，波形失真率变低，所得符号越接近实际的理论值，同时仿真程序在结尾还做了误码统计，以及误码率计算详见表1所示。表1 不同信噪比下仿真结果的误码率载波数SNR（DB）信道误码率1285AWGN0.781312810AWGN0.657812820AWGN0.210912825AWGN0.023412830AWGN0书本知识学习中我们知道多载

19、波OFDM 技术与单载波调制技术相比具有如下特点：1) 可以有效对抗多径传播造成的符号间干扰大大简化系统结构使得接收机可以不必采用复杂的均衡器而仅仅通过采用插入循环前缀的方法消除符号间干扰。2) OFDM系统由于各子载波间正交允许信道频谱相互交叠从而可以最大限度地利用频谱资源这在日益紧张的频谱资源利用方面具有重要意义。3) OFDM系统可以采用离散傅立叶变换算法来实现随着数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步满足各种实时性要求的OFDM系统将很容易实现另外 由于仿真是在理想环境中进行的OFDM具有两个主要缺点并没有体现较高的峰值平均功率比和对频率偏差的敏感性前者对发射机内放大器的线性度要求

20、较高由此易带来信号畸变使信号的频谱改变后者导致各子信道互相干扰。本文虽然只是做了一个符号的最基本仿真，已经可以发现OFDM系统的很多优势，如各子载波之间互不相干的正交性，以及前后符号由于加入保护间隔的相互独立性。这些优势不仅解决了多径干扰问题，还大大提高了频谱利用率。但每项技术都不是十全十美的，对于OFDM系统来说，多载波技术容易产生比较大的峰均功率比因而对系统的线性度要求很高；同时接受端与发送端要保持同步否则会破坏子载波的正交性，从而引人干扰。符号的仿真只是OFDM系统研究的一个切入点，作为更加深入的探讨(例如峰均功率比和同步问题)的第一步。 4. 结论目前对于OFDM移动通信系统的研究，涉及的关键技术包括信道估计和信号检测技术、时频域同步技术、降低峰均功率比技术、自适应编码调制以及与MIMO相结合的MIMO OFDM等多方面。在本文中，主要是对正交频分复用系统进行了仿真并加以分析。主要是对OFDM系统进行基础研究，分析其性能优劣，为以后的进一步研究奠定基础。随着数字时代的到来，OFDM技术由于其频谱利用率高、成本低等原因逐渐受到人们的重视，给