基于System View的OFDM系统仿真分析.docx
《基于System View的OFDM系统仿真分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于System View的OFDM系统仿真分析.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY
本 科 毕 业 论 文
基于SystemView的OFDM系统仿真分析TheSimulationAnalysisofOFDMSystemBasedonSystemview
学院名称：
电子信息与电气工程学院专业班级：
通信工程（专升本）2010级学生姓名：
景晓慧 学号：
201002080049
指导教师姓名：
郭丽霞 指导教师职称：
讲师
2012年5月
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者 签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
目 录
摘要 I
Abstract II
引言 1
第一章正交频分复用（OFDM）原理的概述 2
1.1OFDM的发展 2
1.1.1OFDM的关键技术 2
1.1.2OFDM的优点和不足 5
1.2OFDM的基本原理 6
1.2.1OFDM信号的频谱特性 7
第二章Systemview的概述 8
2.1Systemview简介 8
2.1.1Systemview软件的特点 8
2.1.2Systemview软件的功能 9
2.1.3Systemview的应用领域 10
2.2使用Systemview进行仿真的步骤 10
第三章利用Systemview对OFDM系统仿真分析 12
3.1OFDM系统模型 12
3.2OFDM系统传输过程仿真分析 13
3.2.1时域仿真分析 13
3.2.2频域上的仿真 17
3.3OFDM系统性能仿真分析 20
3.3.1性能仿真理论分析 20
3.3.2建立性能仿真图进行误码性能分析 21
3.3.3仿真结果分析 23
结论 24
致谢 25
参考文献 26
基于Systemview的OFDM系统仿真分析
摘要：
在无线信道中，可靠高速的传输数据是无线通信的目标和要求，而OFDM技术具有
抗多径时延，抗信道衰落，频谱利用率高和硬件实现相对简单的特点，近年来获得了广泛的应用，并且有望成为4G的核心技术，同时，由于无线信道具有复杂多变的特点，为获得
OFDM系统的最佳性能，对实际OFDM系统的设计起到帮助指导作用，对该系统进行该仿真模拟显得尤为重要。
本文采用systemview仿真软件对OFDM系统进行较为完整的仿真，多径瑞利衰落和高斯白噪声信道情况下分别完成了OFDM调制解调工作。
结果表明：
OFDM技术可以大大降低系统的误码率，相比高斯白噪声信道OFDM技术更适合于多径瑞利衰落信道，仿真不仅证实我们理论分析的结果，而且可以有效地消除实际系统设计实现中潜在不足，是对设计实际系统的一个有效补充，并具有一定的工程实用价值。
关键词：
频分复用；正交频复用；Systemview；仿真
TheSimulationAnalysisofOFDMSystemBasedonSystemview
Abstract:
Datatransmissioninwirelesschancels.withhighspeedandreliabilityisrequiredinfuturewirelesssystems.OFDM,withtheantventageofhighspecturnefficiencyandeasyrealization,canstronglycombatmultipathandinterference,soitsapplicationisremarkableanditwillbethekeytechnologyof4Gwithoutquestion,Atthesametimesoftwaresimulationsystemisespeciallyimportantforabtainngthebestperformanceandplayingahelpfulanddirectiveeffort,becauseofthecomplexityandlevingofwirelesschannel.
TheOFDMsystemfullysimulatedbySystemviewsoftware,itseparatelyaccomplishesthemodulationanddemodulationofOFDMunderthemultipathedRayleighchannelandAWGNchannel,ItdeclaredthatthebiterrorratecangreatlyreducedbyOFDMandtheOFDMinmultipathRayleighchannelismoredaptedtoAWGNchannel.Thesimulationnotapprovedtheresult,butalsocouldremovetheshortages,optimizethecapabilityofrealsystem,andalsoisvaluableforproject.
Keywords:
FDM;OFDM;Systemview;simulation
I
引 言
正交频分复用由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。
随着人们对数据化、宽带化、个人化和移动化得需求，OFDM技术在综合无线接入领域将会越来越得到广泛的应用。
近年来随着大规模集成电路技术和数字信号处理技术的发展，格栅编码技术和软判决技术以及信道自适应技术等的应用，OFDM技术的应用越来越广泛。
OFDM与其他技术相结合显示出其优越的性能，OFDM采用FFT和IFFT来实现调制和解调，利用添加循环前缀可抗多径，降低ISI，另外还可实现圆卷积。
这都是单载波难以实现的。
Systemview主要用于电路与通信系统的设计和仿真，能满足从数字信号处理，滤波器设计，直到复杂的通信系统等不同层次的设计仿真要求，是个强大的动态分析工具。
System
view以模块化和交互式的界面，让设计和仿真变得简单。
在Systemview的基础上建立了OFDM系统模型和性能模型，并利用Systemview系统仿真软件对OFDM的调制解调和OFDM的性能进行了仿真分析
0
第一章正交频分复用（OFDM）原理的概述
1.1OFDM的发展
OFDM并不是新生事物，它有多载波（MCM）发展而来。
美国军方早在20世纪的五六十年代就创建了世界上第一个MCM系统，在1970年衍生出了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里，OFDM理论向实践迈进的脚步放缓了。
由于
OFDM的各个子载波之间相互正交，可采用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都成为OFDM技术实现的一些制约条件。
经过大量研究，终于在20世纪89年代，MCM获得了突破性进展，大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其他难以实现的困难也都得到了解决，OFDM走上了通信的舞台，逐步迈入高速Modem和数字移动通信，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，格栅编码技术以及软判决技术、信道自适应技术等相对成熟的技术应用，OFDM技术实现和完善指日可待。
1.1.1OFDM的关键技术
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。
无线信道的频率响应曲线大多都不是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交的子信道，在每个信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。
这样，尽管总信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大的消除信号波形间的干扰。
由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱都是相互重叠的，不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。
1、同步技术
OFDM系统中，N个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此，它对时间的偏差不敏感。
对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。
载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。
OFDM系统的输出信号是由多个相互覆盖的
25
子信道的叠加，它们之间的正交性有严格的要求。
无线信道时变性的一种具体体现得就是多普勒频移，多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。
多普勒展宽会导致频率发生弥散，使信号发生畸变。
从频域上看，信号失真会随发送信道的多普勒展宽的增加而加剧。
因此对于要求子载波严格的同步的OFDM系统来说，载波的频率偏移所带来的影响会更加严重，如果不采取措施对这种信道干扰（ICI）加以克服，系统的性能很难得到改善。
OFDM中的同步通常包括3方面的内容：
（1）帧检测。
（2）载波频率偏差级校正。
（3）采样偏差及校正。
2、PARP的解决
由于OFDM信号是由一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成较大的PARP。
大的OFDM PARP信号通过功率放大器时，会有很大的频谱扩展以及带内失真。
但是由于出现大的PAR的概率并不大，可以把具有大的PARP的OFDM信号去除掉。
但把大的PARP值
OFDM信号去掉会影响信号的性能，所以采用的技术必须保证这样的影响尽量小。
一般通过一下几种技术解决：
（1）信号失真技术。
采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。
（2）编码技术。
采用专门的前向纠错码会使产生非常大的PAPR的OFDM符号去除。
（3）扰码技术。
采用扰码技术，使生成的OFDM的互相关性尽量为0.从而使OFDM得
PAPR减小。
这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置，典型的有PTS和
SLM。
3、训练序列/导频及信道估计技术
接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但是却降低了信噪比。
尤其是在OFDM系统当中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。
在系统采用相干检测时，信道估计是必需的。
此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时变信道之中，而在时变信道中一般使用导频信号。
在OFDM系统中，导频信号时时频二维的。
为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的
数量是估计精度和系统复杂度的折中。
导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽，时域上，导频的间隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小于相干带宽。
实际应用中，导频模式的设计要根据具体情况而定。
4、调制解调方式
OFDM作为一种多载波调制方式，其每个子载波所使用的调制的方式可以不相同，各个子载波根据信道状况的不同选择不同的调制方式，BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，64QAM等，并以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，通过选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大的频谱利用率。
此外，OFDM还可以采用自适应调制与功率控制相协调的工作方式，在信道条件良好并且发射功率一定时，可使用较高的调制方式（如64QAM），或者在低频率时使用较低的调制方式，这样可以使用频谱利用率和系统容量得到改善。
但另一方面，这势必会增加发射机和接收机的复杂程度，并且当终端移动速度加快时，自适应调制会变得比较困难。
OFDM的接收机实际上是通过FFT模块的一组解调器，它将不同的子载波搬移至零频，并在一个码元周期内积分，由于个子载波信号间保持正交特性，因此不会对信息的提取产生影响。
5、信道分配
在OFDM系统中，为用户分配信道主要有分组信道和自适应信道分配两种分配方式。
（1）分组信道
分组信道就是将信道分组分配给每个用户，这样可减轻由于各信道能量不均和频偏所造成的用户间干扰，但同时也容易造成信号产生衰落。
（2）自适应调频
自适应调频是基于信道性能的调频技术。
由于在移动通信环境中，每个用户所处的位置不尽相同，它们收到的信号强度也不同于其他用户，所以信道衰落模式也不完全相同。
根据用户的信道特征来选择对其而言具有最佳信噪比的信号。
6、循环前缀
在OFDM系统中，较低的码元率对多径传播产生ISI有一定的抑制作用。
此外，通过在每个OFDM符号前缀插入一个保护间隔，可以进一步提高系统的抗ISI能力，同时还可以用在接收机中以对抗时间偏差。
OFDM中一般是插入循环前缀，循环前缀（CyclicPrefix）是OFDM系
统的重要角色，是在时域把OFDM符号最后L个样点复制到该符号最前端作为CP ，CP长度大于信道最大时延不超过保护间隔，子载波间的正交性不会被破坏）。
在接收端删除CP，用
FFT对各个子载波信息流解调，转换为串行数据流后，再解调译码恢复信号。
当然，这样做付出了带宽的代价，带来了能量损失（CP越长，能量损失就越大）。
7、信道编码与交织
采用信道编码和交织是提高数字通信系统性能的常用方法。
对于衰落信道中的随机的错误，可采用信道编码；对于突发错误，可采用交织技术。
通常同时采用这两种技术，以进一步改善整个系统性能。
在OFDM系统中，其结构特性为在子载波间进行编码创造了机会，形成COFDM方式。
编码方式可以使分组码、卷积码等多种，其中卷积码的效果要比分组码好。
1.1.2OFDM的优点和不足
1、OFDM的优点
（1）OFDM能够有效的对比抗频率选择性衰落和载波间干扰，并通过将各个子信道联合编码，实现子信道间的频率分集作用，从而使系统的整体性能得以提高。
（2）OFDM使用正交的子载波作为子信道，极大地提高了频谱利用率，当子载波个数越多时，系统的频谱利用率越高。
（3）由于OFDM的自适应调制可以根据信道环境的优劣采用更合理的调制方式，并通过使用加载算法，可以将数据集中到条件好的信道上进行高速传输。
即使对于相对慢的时变信道来说，可以根据每个子载波的SNR相应的选取各子载波及其调制方式、每个符号的比特数以及分配给各子载波的功率，使总比特率量大，以此提高系统的容量。
（4）把高速率数据流进行串/并转换，并采用插入循环前缀的方法，消除了ISI造成不利的影响，甚至可以不用均衡器，减小了接收机内均衡的复杂程度。
（5）无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输量，OFDM系统可以机动地调整子信道数用来实现上、下行链路当中不同的传输速率。
（6）OFDM易于和其他多种接入方法来结合使用。
OFDM易于与空时编码、分集、干扰抑制、智能天线等技术相结合，最大限度的提高物理层信息传输的可靠。
2、OFDM的不足
（1）对频偏和相位噪声很敏感。
由于发端和收端的上、下行转换器和调谐振荡器会带来的相位噪声抖动、频偏以及相位噪声会使子载波间的正交特性遭到破坏，仅1%的频偏就能使信噪比（SNR）下降30Db。
（2）OFDM所采用的自适应调制技术以及加载算法会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动时速高于30km时，信道变化加快，刷新频率增加，用于调频的比特开销也相应增加，此时，自适应调制会变得比较不适合，同时也会降低系统效率。
（3）OFDM信号的PAPR相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的效率。
1.2OFDM的基本原理
OFDM技术实际上是MCN（多载波调制）的一种。
其主要的思想是：
将信道分成若干正交信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个信道上进行传输。
正交信号在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少信道之间的相互干扰（ICI）。
每个子信道上的信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此对于每个子信道上的信号衰落可以看成为平坦性衰落，从而可以先出符号间干扰。
而且由于每个子信道的带宽的一小部分，信道均衡变得相对来说容易，图1.1是OFDM系统的组成示意图。
图1.1OFDM的系统框图
OFDM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性相对的增
加，可有效对抗信号波形时间的干扰（ISI）。
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可在某种程度上抵抗这种窄带干扰。
OFDM的以上优势减少了接收机的复杂度，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，减少了系统复杂度和功率消耗。
1.2.1OFDM信号的频谱特性
当各子载波用QAM或MPSK进行调制时，如果基带信号矩形波，则每个子信道上已调信号频谱为Sa（x）形状，其主瓣宽度为2/TSHZ，其中TS为信号长度（不包括CP）。
由于TS时间共有OFDM信号的N个抽样，所以OFDM信号的时域抽样周期为TS/N。
由于相邻载波之间的频率间隔为f=fs/N，其中fs为OFDM信号的抽样频率，即fs=N/TS，所以
f=fs/N=1/TS （1-1）
即这些已调子载波信号频谱Sa（x）函数的主瓣宽度为2/TS，间隔为1/TS。
根据函数的性质，知道它们在频域上正交，这就是正交频分复用（OFDM）名称由来。
我们知道，一般的频分复用传输系统的各子信道之间要有一定的保护频带，以便在接收端可以用带通率波器分离出各子信道信号。
保护频带降低了整个系统的频谱利用率。
OFDM系统的自信道间不但没有保护频带，而且各子信道频谱还相互重叠，如图1.2所示。
图1.2各子信道的信号频谱
OFDM子信道间的间隔对系统的性能有很大的影响。
子信道间隔越大，由于各种因素造成的子信道间干扰越小，但同时系统的频谱效率也越低，由于子信道带宽的加大，系统抗击频率选择性衰落的能力也下降；反之，为提高系统的频谱效率而缩小子信道间的间隔，必然使系统的子载波间的干扰加大；系统设计人员需要在它们之间折中。
信道带宽和FFT的点数决定了OFDM子信道间的间隔，确定子信道间隔的一般原则是，满足系统频谱利用率和保证
OFDM系统良好的抗击频率选择性衰落的前提下，尽可能加大子载波间的间隔。
第二章Systemview的概述
2.1Systemview简介
在2005年Elanix被美国安捷伦（Agilent）公司收购，把软件名字改为SystemVue，由原先的SystemView1.0，SystemView4.5，SystemView5.0，System View.6.0，到后来的
SystemView2005，SystemVue2007，SystemVue2008功能也逐步的的完善，有开始的具有基本的仿真功能到后来的增加了DSP库，第二代，第三代移动通讯，蓝牙库的完善，实例仿真的范围的拓展，眼图相位噪声处理的完善。
随着科技的发展，人类创造出来的智慧也在不断升值。
SystemView是由Elanix公司发起的，ELANIX公司创建于1991年,主要从事高级的硬件和软件信号处理与通信系统的设计和开发。
ELANIX公司位于CALIFORNIA州，公司总裁和创建人PATRICK J.READY博士拥有先进的信号处理器的美国和国际专利权，是一位信号处理和通信方面的改革者。
ELANIX公司的技术力量雄厚,其设计工作可以依据使用的处理器及其环境的状况,使用DSP，MP'S，ASIC，VLSI神经网络和其他当前领先的技术。
包括所有的用于商业和军用的信号处理在内，公司在理论分析，软件开发，仿真与测试，硬件设计和微处理器等方面有广泛的经验。
2.1.1Systemview软件的特点
Systemview的图标库,包括含若干图标的基本库（MainLibrary）及专业库（OptionalLibrary）
基本库中包含多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通讯
（Communication）、逻辑（Logic）、数字信号处号（DSP）、射频/模拟（RF/Analog）等；他们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通讯等通信系统；可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。
Systemview能自动进行系统连接检查，给出连接错误或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。
这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。
Systemview的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标—如幅频特性（伯特图）、传递函数、跟轨迹图等之间的转换。
在系统设计和仿真分析方面，Systemview还提供了一个真实而灵活的窗口用以检查、分析系统波形。
在窗口内，可以通过鼠标方便的控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。
另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。
2.1.2Systemview软件的功能
（1）能在DSP、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。
具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、DSP和射频/模拟功能模块。
特别适合无线电话（GSM，CDMA，FDMA，TDMA，DSSS）、无绳电话、寻呼机和调制解调器以及卫星通信系统（GPS，DVBS，LEOS）等的设计；能够仿真（C3x，C4x等）DSP结构；可进行各种系统时域/频域分析和谱分析；对射频/模拟电路（混合器，放大器，RLC电路和运放电路）进行理论分析和失真分析。
（2）使用熟悉的Windows界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键），SystemView可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。
只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP滤波器，并输入/输出基于真实系统模型的仿真数据。
不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（MetaSystem）。
SystemView
升级会员 