ofdm系统研究及其仿真.docx
《ofdm系统研究及其仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ofdm系统研究及其仿真.docx（52页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
ofdm系统研究及其仿真
摘要
在无线通信系统中，各种物体对传输信号的反射导致了多径传播。
由于不同传播路径具有不同的、随机的延迟特性，从而使得无线信道表现出色散特性。
由此引起的符号间干扰（ISI）是无线通信系统设计中必须考虑的问题，特别是在高速传输的环境中。
本文论述了正交频分复用的信号调制技术，并用MATLAB编译仿真程序对OFDM调制与解调过程进行仿真，对OFDM调制系统中主要传输技术、基本参数的选择、同步及关键技术和仿真实现进行了相关的讨论。
在此基础上，基于Simulink讨论了如何构建完整的OFDM动态仿真系统，完成Simulink模块设置，确定搭建系统的主要参数，并对主要模块的构建方式进行了说明。
关键词：
正交频分复用；simulink；正交调制
ABSTRACT
Inwirelesscommunicationsystems,variousobjectsofreflectionledtothetransmittedsignalmultipathpropagation.Duetodifferentpropagationpathswithdifferentdelaycharacteristicsofrandom,makingthewirelesschanneldispersionoutstandingperformancecharacteristics.Theresultinginter-symbolinterference（ISI）isawirelesscommunicationsystemdesignissuesthatmustbeconsidered,especialllyinthehigh-speedtransmissionenvironment.
Thispaperdiscussestheorthogonalfrequencydivisionmultiplexingsignalmodulationtechnology,achievingOFDMmodulationanddemodulationprocesssimulationwithMATLAB,dicussinginthesystemofOFDMmodulationtransmissiontechnology,basicparameterselection,systemofsynchronous,keytechnologyandOFDMsystemsimulation.BasedonSimulink,howtobuildacompleteOFDMsimulationsystem,completesimulinkmodulesettings,determethemainparametersandbuildsystemoftheconstructionofmainmoduleillustratesthemodesisdiscussedinthispaper.
Keywords:
orthogonalfrequencydivisionmultiplexing；simulink；orthogonalmodulatio
第1章绪论
1.1引言
自1837年最早的通信形式电报出现以来，通信己经逐渐融入了社会。
随着通信技术的不断成熟发展，现代社会也正在高速发展。
如今的通信传输方式日新月异，从最初的有线通信到无线通信，再到现在的光纤通信；从最初的电报，到固定电话、计算机网络、再到现在的移动通信；从最初的文本信号通信到语音通信、再到现在的多媒体通信。
人们对通信质量的要求也在不断提高。
通信正在朝着个性化、全球化、高质量的方向发展。
如各种先进技术的结晶移动通信，使得人们可以随时随地联系外界、可以连上网络、甚至可以进行可视对话。
现代社会是信息社会，人类生活在信息高速公路交织的网络中。
随着通信技术的不断发展和成熟，人类社会正在进入一个新的信息化时代，宽带已成为当今通信领域的发展趋势之一。
正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）技术作为一种可以有效对抗符号间干（InterSymbolInterference，ISI）的高速数据传输技术，已经受到前所未有的重视，对其关键技术的研究也正在紧张的开展。
OFDM技术以其优异的性能受到人们的青睐，并在移动通信、数字通信、数字广播等领域得到应用，并已取得可喜的成果。
这预示着OFDM良好的发展前景。
正交频分复用（OFDM）是一种多载波数字通信调制技术，它的基本思想是将高速传输的数据流通过串并转换，变成在若干个正交的窄带子信道上并行传输的低速数据流。
OFDM技术将传送的数据信息分散到每个子载波上，使得符号周期加长并大于多径时延，从而有效地对抗多径衰落；OFDM技术利用信号的时频正交性，允许子信道频谱有部分重叠，使得频谱利用率提高近一倍[1]。
1.2研究背景和意义
随着科技的进步，生活水平的不断提高，对信息量的需求也越来越多，无线移动通信进入了大发展的时期，高速率的带宽移动通信已经成为全球移动通信发展的趋势。
下一代蜂窝移动通信系统的目标是实现高质量和高速度的支持全业务的无缝覆盖全球的移动多媒体传输的功能。
但为了实现这一目标，需要克服许多技术挑战，如移动信道、广播信道等实际信道中，会产生多径衰落现象，引起严重的码间干扰（ISI），限制了传输速率的提高。
传统的解决办法是采用自适应均衡技术来对抗多径衰落。
但随着传输带宽的不断增加，均衡器的制作越来越复杂，成本不断提高。
为了有效地利用有限的频率资源，以满足高速率、大容量的业务需求，必须采用专门的技术，以克服无线信道多径衰落，降低对均衡器的依赖，降低噪声，从而达到改善系统性能的目的。
在众多技术中，正交频分复用（OFDM）技术显出了其优越的性能。
OFDM作为一种可以有效对抗载波间干扰的高速传输技术，引起了广泛关注。
正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM）是一种特殊的多载波（Multi-CarriersModulation，MCM）传输方案，它具有许多其它无线通信技术所无法比拟的优越性。
其中一个主要原因就在于它能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。
而且，它还是一种并行技术，它能将一个高速的数据流分割成许多低速数据流的子载波来实现一个数据速率的高速传输。
由于每个子载波的调制信号速率较低，这样码元的周期相对较长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，再加上每个码元又采用了循环前缀（CyclicPrefix,CP）作为保护间隔，所以符号间干扰就可以得到明显的减少，从而达到克服信道时延扩展所带来的符号间的干扰。
OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间互相正交就可以从混迭的子载波上分离出数据信息，因而频谱利用率大大提高，因而它对本来无线资源就十分匮乏的无线通信来说是一种高效的传输技术。
OFDM是一种具有相当潜力的技术，它具有很多其它无线传输技术所未有的优点。
1.3OFDM技术在现有通信系统中的应用
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（VHDSL）、数字音频广播（DAB）系统、数字视频广播（DVH）和HDTV地面传播系统。
IEEE802.11a通过了一个5GHz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1OMbps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[2]。
2001年，IEEE802.16通过了无线城域网标准，该标准根据使用频段的不同，具体可分为视距（LOS）和非视距（NLOS）两种。
其中，使用2-11GHz许可和免许可频段，由于在该频段波长较长，适合非视距传播，此时系统会存在较强的多径效应，而在免许可频段还存在干扰问题，所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM调制，多址方式为OFDMA。
2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过被称为LongTermEvolution（LTE）即“3G长期演进”的立项工作.项目以制订3G演进型系统技术规范作为目标。
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。
B3G/4G是ITU提出的目标，B3G/4G的目标是在高速移动环境下支持高达1OOMb/s的下行数据传输速率，在室内和静止环境下支持高达1Gb/s的下行数据传输速率，而OFDM技术也将扮演重要的角色。
1.4OFDM系统中的关键技术研究现状
总体上讲，OFDM技术在无线通信系统中具有许多其它技术所无法超越的优越性，主要有抗衰落能力强、频谱利用率高，可以用傅里叶变换对来完成系统基带的调制与解调，因而不仅简化了均衡器的设计或根本就不需要均衡，这样使系统的复杂度和设计更为简单、灵活和方便，可调的数据传输速率和能提供内部频率分集等。
此外，还由于其具有高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，而被看作是第四代移动通信的核心技术之一[3]。
但是，OFDM技术也存在不足之处主要有：
（1）对系统中的非线性问题敏感。
在OFDM通信系统中，使用在频率上具有同步关系的多个载波来调制信号，由于各载波的包络值统计独立，随着载波数的增加，叠加后信号的峰值功率与平均功率的比值（即峰平比，PAPR）的数值较大。
因此，调制信号的动态范围相当大，这就要求系统中的功放具有较高的线性放大范围，以避免传输信号的频谱扩散和非线性失真，同时也要求后继的D/A转换器具有较大的转换宽度，这样就增加了系统成本和实现难度。
（2）对定时和频率偏移敏感。
在OFDM系统中，由于发送和接收振荡器之间不存在匹配性，或在无线信道中存在多普勒频移，使得发送端和接收端存在载波频率偏移。
载波频率偏移引入载波间干扰（ICI），降低了子信道之间的正交性，从而降低了整个系统的性能。
对有大量子信道组成的OFDM系统来说，子信道带宽相对整个信道带宽来说小得多，因此，少量的频率偏移将会导致信噪比实质性的降低。
同样，定时不精确也会造成载波间干扰，降低子信道之间的正交性。
以上技术问题可以通过适当的技术手段来解决，这也是本文的主要内容之一。
1.5本文的主要工作及内容
本文主要研究了OFDM的若干关键技术，如信道估计、降低峰均比、同步等。
全文共分五章，第一章为绪论，介绍了OFDM技术的发展和应用以及本文的研究内容和意义；第二章为OFDM基本原理介绍，这一章是后面章节的基础；第三章是OFDM各种关键技术的研究，该章分为三个大节，第一节为信道估计技术，第二节为降低峰均比技术，第三节为同步技术；在每节的安排是先介绍该技术的必要性以及重要性，其次对国内外的文献有关该技术的研究进展进行说明。
第四章是OFDM的仿真，包括了设计该平台的一些思想和参数设置，并用该平台进行了一些仿真。
第2章OFDM系统概述
2.1OFDM系统的调制和解调原理
每个OFDM符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方式可以选择相移键控或者正交幅度调制如果用
表示子信道的个数，
表示OFDM符号的宽度，
是载波频率，则从
开始的OFDM符号可以表示为：
（2-1）
在很多文献中，经常采用如下所示的等效基带信号来描述OFDM的输出信号：
（2-2）
其中，式（2-2）的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。
图2.1给出了OFDM系统调制解调框图，图中假定
。
图2.1OFDM系统的调制和解调
从上面对OFDM基本原理的论述可以看出：
其实现的根本思想是通过串并变换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，实现的关键点是保证各个子载波之间的正交性[4][5]。
子载波间的正交性还可以从频域的角度进行理解，其中给出相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符号的
函数频谱。
在每一子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。
由于在对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算每个子载波上取最大值的位置所对应的信号值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。
OFDM符号的频谱实际上可以满足无符号间干扰的奈奎斯特准则，但传统的奈奎斯特准则是在时域上保证前后发送符号之间无干扰影响，但在此处指的是在频域中各子信道上不存在干扰，这种消除子信道间干扰（ICI）的方法是通过在时域中使用矩形脉冲成型，在频域中每个子载波的最大值处取样来实现。
接收端第
路子载波信号的解调过程为：
将接收信号与第
路得解调载波相乘，然后将得到的结果在OFDM符号的连续时间
内进行积分，即
可获得相应的发送信号
，即
=
（2-3）
以上就是OFDM系统的调制解调原理，实际应用中是用IFFT/FFT来实现上述调制解调的。
在实际应用中，对一个OFDM符号进行
次采样，或者
点IFFT，运算所得到的
个输出样值往往不能真正反映连续OFDM符号的变化特性，其原因在于没有使用过采样，当这些样值点被送到模/数转换器（A/D）时，就有可能导致生成伪信号，这是系统所不能允许的。
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。
特别的，针对PAPR问题，由于最后送到放大器中的应该是经过D/A变换的连续信号，因此经过采样更加有助于收集到较大的峰值功率，从而可以更加准确的衡量OFDM系统内的PAPR特性。
2.2OFDM的循环间隔和保护前缀
一、保护间隔
采用OFDM技术最主要原因之一是它可以有效地对抗多径时延扩展，通过把输入的数据流并行分配到
个并行的子信道上，使得每个OFDM的符号周期可以扩大为原始数据符号周期的
倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低
倍。
在OFDM系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，在每个OFDM符号之间插入保护间隔，该保护间隔的长度
一般要大于无线信道的最大时延扩展，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，即使一段空闲的传输时段。
然而在这种情况中，由于多径传播的影响，会产生子信道间的干扰，即子载波之间的正交性遭到破坏。
二、循环前缀
OFDM用于传输信号的频谱带宽很宽时，除非子载波N很大，否则难于使子载波信号的带宽小于信道的相干带宽，从而使残余的码间干扰过大，破坏子载波间的正交性，引起解调误差，导致误码率上升。
解决的方法是在OFDM符号前添加保护时隙。
通常是加循环前缀（CP，即CyclicPrefix），它是将OFDM符号尾部的一部分复制后放到前部，即将符号周期由
增加至
，
是保护时隙，循环前缀的长度相对于信道最大延迟扩展了
，这样使得前一个符号的多径副本都落在后一个符号的循环扩展范围内，从而消除前后两个符号之间的干扰。
而且由于循环前缀的加入，使得积分区间内的OFDM信号符号看上去具有周期循环的性质，从而使同一个OFDM符号的不同多径版本之间的不同子载波仍能够保持正交，这样也防止了ICI[7]。
2.3OFDM的收发信机结构
OFDM系统收发信机的结构可根据OFDM数据处理流程分为发送部分的编码器、交织器、调制映射、串并转换器、子载波调制器、循环前缀、数模转换及接收部分的去除循环前缀、时间与频率同步器、子载波解调器、并串转换器、解调映射、解交织、VB译码器等功能模块。
OFDM系统结构中各部分功能简述如下：
（1）编码器：
信道编码采用卷积纠错码、或Reed-Solomon码、维特比码、TURBO码等；
（2）交织器：
交织器用于降低在数据信道中的突发错误，分散丢失的比特，达到降低误码率的目的；
（3）调制映射：
将符号映射到相应的星座点上。
这一过程产生IQ值，随之送到缓冲器存储，准备送到IFFT上进行变换；
（4）串并转换器：
用于将串行数据转换为并行数据；
（5）子载波调制器：
IFFT快速、高效应用离散傅立叶变换功能生成用于OFDM传输的正交载波。
OFDM的核心为环FT调制每一个子信道到高精度的正交载波上，信道化后的数据注入到一个并串缓冲器，串行数据通过加循环前缀和DAC变换为发送做准备；
（6）循环前缀：
循环前缀为单个的OFDM符号个体创建一个保护带，可以在信噪比边缘损耗中极大的减少ISI；
（7）时间与频率同步器：
接收系统中确定OFDM块有用数据信息的开始时刻，使接收机和发射机的采样时钟频率保持一致，克服频率偏差；
（8）VB译码器：
属于概率解码。
用来把接收到的卷积纠错编码序列与所有可能的发送序列进行比较，选择一种距离最小的序列作为发送序列。
2.4OFDM技术特点
OFDM系统中包括了下面一些关键技术：
（1）同步技术
由于无线信号在传输中出现频率偏移，造成OFDM子载波间正交性遭到破坏，子信道信号之间相互干扰，接收端的误码率将会增大。
因此，同步技术在OFDM系统中很重要。
（2）信道估计
通信中，解调可分为相干解调和非相干解调，相干解调具有较低的误码率和较高的频带利用率，所以，常选择相干解调。
但在接收端需要对信道参数进行估计。
在OFDM系统信道估计器的设计中主要考虑两个问题：
一是导频信息和位置的选择。
由于无线信道常常是衰落信道，需要不断的对信道进行跟踪，因此导频信号也必须周期性的传送。
二是既有较低的复杂度有具有良好的导频跟踪能力。
（3）峰均功率比
OFDM信号具有较高的峰均功率比，这就要求发送端对高功率放大器的线性性很高且发送功率极低，接收端对前端放大器以A/D变换器的线性度要求也很高，因此高的峰均功率比使得OFDM系统的性能大大下降，甚至影响实际应用。
为了降低峰均功率比，人们提出了基于信号畸变、信号编码技术、选择映射技术以及部分传输技术。
（4）信道编码和交织
为了提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是常采用的。
对于衰落信道的随机错误，用信道编码技术来提高接受端的准确度，降低误码率。
对于衰落信道的突发错误，可以采用交织技术，提高接收端的性能。
（5）均衡技术
在无线信道中多经传输是普遍现象，这样的信道时域是弥散的，信道记忆长度较长，因为了消除码间干扰，循环前缀较长。
但是，较长的循环前缀必然导致能量大量损失。
可以考虑加均衡器来解决这对矛盾，也就是加均衡器以使循环前缀的长度适当减小。
2.5OFDM的优缺点
OFDM是一种多载波技术，采用多个正交的子载波并行传输数据，并使用快速傅里叶变换技术实现信号的调制与解调，它的主要优点为：
（1）带宽利用率高
在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后送到子信道中，各个子信道频带严格分离，接收端通过带通滤波器滤除带外的信号来接收每个子信道的数据，这种方法最大的缺点是频谱利用率低，造成频谱的浪费。
而在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，频谱相互重叠，可以使得系统的频谱效率提高了近一倍，同时还减少了子载波之间的相互干扰。
当子载波个数很大时，系统的频带利用率趋于Nyquist极限。
（2）采用了快速离散傅里叶变换技术（FFT）
在发送端采用了快速傅里叶反变换（IFFT），把频谱的调制信号转化为时域的信号发送出去，在接收端，通过FFT把接收的时域信号转化成频域信号，然后进行判决解调，恢复频域的调制信息，采用FFT技术大大降低OFDM系统的实现复杂性，原先OFDM的实现需要多个调制解调器，电路十分复杂，而采用了FFT技术后，可以快速实现OFDM信号的调制与解调，电路也变得十分简单，而且，近年来随着数字信号技术的迅速发展，许多DSP芯片的运算能力越来越快，更进一步推动了OFDM技术的应用和发展。
（3）可以有效地对抗码干扰和突发噪声
OFDM采用并行传输机制，将信息分散到大量子载波中，将单路的高速数据流比特速率
化为比特率为R/N的
个子数据流，使调制符号的持续时间大于信道的时延扩展，减少系统对迟延扩展的敏感程度，能在较大的失真和突发脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效的保护。
在衰落信道中所受到的ISI干扰就相对小多了，此外，OFDM采用了时域插入循环扩展的保护间隔的方法，使保护间隔大于多径的最大时延扩展，可以进一步消除多径效应所带来的ISI和载波间干扰ICI，保持子载波之间的正交性。
（4）抗衰落能力强
OFDM系统结合信道估计、编码、交织技术，把移动信道出现的频率选择性衰落平均到整个信号带宽和交织深度上。
利用交织可将突发随机错误分散，编码可进一步纠错，以恢复遭到严重破坏的数据，同时信道估计技术可以给译码判决提供信道状态信息。
总之，这些技术在接收端可以有效的对付频率选择性衰落。
尽管OFDM技术具有很多优点，但也存在一些固有的缺点，主要是两个方面：
第一是OFDM系统对同步误差十分敏感，同步性能的好坏直接影响到接收的性能，一旦同步性能不好，OFDM的整体性能将会严重下降。
而且，OFDM的同步实现起来比较复杂；第二是OFDM是多载波系统，信号时域包络变化强烈，信号的峰值与均值功率比较大，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率，恶化系统的比特率性能。
对于OFDM中的一些关键技术将在第三章中进行具体介绍。
2.6本章小结
OFDM的发送端的基本原理就是把输入数据经过串并变换成
路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。
其实现的根本思想是通过串并变换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，实现的关键点是保证各个子载波之间的正交性。
OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT/DFT完成。
通过
点IDFT运算，把频域数据符号变成时域数据符号符号，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。
为了消除由于多径所造成的ICI，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，这样就可以保证在FFT周期内，OFDM符号的时延副本内所包含的波形的周期个数也是整数。
这样，时延小于保护间隔
的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。
当子载波个数比较大时，OFDM的符号周期
相对于信道的脉冲响应长度
很大，则符号间干扰（ISI）的影响很小；而如果相邻OFDM符号之间的保护间隔
。
满足
。
的要求，则可以完全克服ISI的影响[8]。
同时为了保持子载波之间的正交性，该保护间隔必须是循环前缀，即将每个OFDM符号的后
时间中的样点复制到OFDM符号的前面形成前缀。
第3章OFDM关键技术研究
OFDM的关键技术主要有信道估计、同步、峰平比抑制、系统中自适应为加载技术，本章主要介绍信道估计、峰平比抑制及同步技术，以下是对这三项技术的具体介绍。
3.1信道估计技术
所谓信道估计就是估计出信道的时域或频域响应，对接收到的数据进行校正与恢复，以获得相干检测的性能增益（可达3dB）。
下面主要介绍该技术的意义及
升级会员 