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基于MATLAB的OFDM系统仿真.doc

发布时间：2022-06-21 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.10M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1绪论
    1.1 选题目的及研究意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 论文组织结构
    2 OFDM技术的基本原理
    2.1 OFDM技术特点
    2.2 基于FFT/IFFT 的OFDM 系统模型
    2.3 OFDM信号的正交性
    2.4 加窗技术
    2.5 调制与解调
    2.6 保护间隔和循环前缀
    2.6.1 符号间干扰ISI与信道间干扰ICI 的概念
    2.6.2 保护间隔
    2.6.3 循环前缀
    3 OFDM系统的关键技术
    3.1同步技术
    3.1.1 同步技术简介
    3.1.2 频域同步误差的影响
    3.1.3 时域同步误差的影响
    3.1.4 常用的OFDM同步方式
    3.2 信道估计技术
    3.2.1 信道估计技术简介
    3.2.2 OFDM信道估计算法
    3.2.3 基于导频的OFDM 信道估计算法
    3.3 峰值功率比
    3.3.1 峰值功率比的定义
    3.3.2 PAPR的概率分布及分析
    3.3.3 降低PAPR的常用方法
    3.4 交织器与编码技术
    3.4.1 交织器
    3.4.2 编码技术
    4系统仿真及性能分析
    4.1 仿真软件的介绍
    4.2 加入噪声前后收发信号波形
    4.3 加入噪声前后系统性能的分析
    4.4 OFDM信号传输前后的星座图
    4.5 循环前缀对两径信道性能的分析
    4.6 高斯信道中系统的性能
    4.7 不同信道中误码率随信噪比的变化
    5总结和展望
    5.1 全文总结
    5.2 展望
    致 谢
    附 录
    参考文献
    论文题目：基于 MATLAB 的 OFDM 系统的实时仿真 专 学 业：通信工程 0901 生： 签名： 指导老师： 签名： 摘 要 正交频分复用(OFDM) 是第四代移动通信的核心技术，它能够有效地抵抗多 径衰落、抑制噪声和干扰，并且能够大幅度地提高无线通信信道的传输速率和系 统容量，有着非常广阔的应用前景。 本文首先简述了 OFDM 技术的发展和应用，分析了 OFDM 系统的优缺点。 然后研究了 OFDM 的基本原理和基于 IFFT/FFT 实现的 OFDM 系统模型，分析 了通信系统中的各种关键技术，如同步技术，信道估计技术及编码技术等。最后 基于 OFDM 技术的基本原理，在 MATLAB 中 Simulink 仿真平台上，构建完整 的 OFDM 仿真系统，并分析了各主要模块的功能作用，完成各模块的参数设置。 应用 Simulink 仿真平台得出了 OFDM 系统在高斯信道中误码率随信噪比的变化 曲线。并仿真分析了加循环前缀对于多径信道中系统性能的改善程度。设计的 OFDM 系统为进一步仿真研究 OFDM 系统提供了一个良好的平台。 【关键词】OFDM；仿真；Matlab 【论文类型】设计型 I
    Title:The Real-Time Simulation of OFDM System Based on MATLAB Major:Communication Engineering Name: Yan Ting Supervisor: Li XinMing Signature: Signature: ABSTRACT OFDM is the key technology of 4G in the field of mobile communication. OFDM technology has been used widely, and it not only can resist the multi-path fading, resist noise and interferences, but also can greatly increase the transmission rate and system capacity of wireless communication channels. This thesis first introduces the development and application of the OFDM technology, and analyzes the advantages and disadvantages of OFDM system. Then it studies the basic theory of OFDM model and implementation of OFDM system based on IFFT/FFT. The key aspects in OFDM are discussed such as synchronization, channel estimation technology and coding technology and so. Finally, based on the basic principle of OFDM technology, a complete OFDM simulation model in the MATLAB/Simulink platform is given, and the function and parameters of each main module is analyzed. Using this simulation module, bit error performance curve is obtained, and the effect of cyclic prefix on OFDM system is analyzed. The proposed simulation module is a good platform for profoundly researching OFDM systems. 【Key words】OFDM; Simulation; Matlab 【Type of Thesis】Design Type II
    前言 现代社会，最显著的特征就是已经步入了信息时代，而信息的传输、转发、 存储即通信起着关键作用。随着现代信息化的进一步发展，通信技术已经逐渐成 为了人类社会的重要组成部分，人们的生活水平伴随着它的不断发展而不断提 高。 因特网的兴起，让我们可以在任何时候同任何一个国家的任何一个人进行联 系，实现天涯若比邻的状态。通过互联网，我们可以极其方便的和更多的人进行 信息交换，但是对于使用手提电脑和流动的人们来说，不可能实现在任何时候同 任何地方的任何人进行信息交换，达到真正的个人通信。为了实现通信不受地点 的要求，我们开发了移动通信技术。移动通信是通信领域中最广泛和发展最快速 的一部分。世界的移动通信已经有了 100 多年的发展史，而我国的移动通信发展 起步较晚，也仅仅只有 20 多年的历史，但是发展的速度相当快，规模也非常大。 中国的移动通信发展氛围四个阶段。第一个阶段即第一代移动通信（1G），模拟 蜂窝移动通信系统，有 AMPS，NMT，TACS 三种典型的通信系统。这此阶段内， 我们淘汰了模拟网络，逐步转移到数字网。因为模拟网有以下不足之处在竞争中 明显处于劣势：信号易受干扰；保密性差；系统容量小；只支持语音业务；手机 体积大，价格贵。第二个阶段即第二代移动通信（2G），数字蜂窝移动系统，典 型系统包括 GSM,，S-95CDMA，JDC 和 DAMPS。因采用数字网，弥补了模拟 网的不足，大大提高了通信系统的性能及通用性。第三个阶段即第 2.5 代移动通 信（2.5G），介于 2G 和 3G 之间的衔接性技术，通常 2.5G 是指两种无线技术： 分组无线业务（GPRS）和 CDMA2000 1x。第 2.5 代移动通信技术支持分组技术， 为用户提供了更好的 Internet 接入和 WAP 业务，实现了更高的数据传输率。第 四个阶段即第 3 代移动通信（3G），是使业务更加多媒体化的通信系统。包括： WCDMA，CAMA2000，TD-CDMA。 现代移动通信发展至今，已经经历了三代，目前，国际标准化组织对 4G 的 定义也已经渐渐清晰起来。基本可以确定，4G 的主流技术有 OFDM/OFDMA、 MIMO 和智能天线等。其中，正交频分复用技术（OFDM），它能够很好地解决 无线信道中的频率选择性衰落，是一种调制技术，也可以被看作是一种复用技术。 III
    目 录 1 绪论.......................................................................................................... 1 1.1 选题目的及研究意义..........................................................................................1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................1 1.3 论文组织结构......................................................................................................2 2 OFDM 技术的基本原理......................................................................... 3 2.1OFDM 技术特点.................................................................................................. 3 2.2 基于 FFT/IFFT 的 OFDM 系统模型.................................................................4 2.3OFDM 信号的正交性.......................................................................................... 6 2.4 加窗技术..............................................................................................................8 2.5 调制与解调........................................................................................................11 2.6 保护间隔和循环前缀........................................................................................12 2.6.1 符号间干扰 ISI 与信道间干扰 ICI 的概念.............................................. 12 2.6.2 保护间隔..................................................................................................... 13 2.6.3 循环前缀..................................................................................................... 14 3 OFDM 系统的关键技术....................................................................... 16 3.1 同步技术............................................................................................................16 3.1.1 同步技术简介............................................................................................. 16 3.1.2 频域同步误差的影响................................................................................. 16 3.1.3 时域同步误差的影响................................................................................. 16 3.1.4 常用的 OFDM 同步方式............................................................................17 3.2 信道估计技术....................................................................................................18 3.2.1 信道估计技术简介..................................................................................... 18 3.2.2OFDM 信道估计算法..................................................................................18 3.2.3 基于导频的 OFDM 信道估计算法...........................................................19 3.3 峰值功率比........................................................................................................19 3.3.1 峰值功率比的定义..................................................................................... 20 3.3.2PAPR 的概率分布及分析........................................................................... 21 3.3.3 降低 PAPR 的常用方法............................................................................. 22 IV
    3.4 交织器与编码技术............................................................................................31 3.4.1 交织器......................................................................................................... 31 3.4.2 编码技术..................................................................................................... 34 4 系统仿真及性能分析............................................................................40 4.1 仿真软件的介绍................................................................................................40 4.2 加入噪声前后收发信号波形............................................................................40 4.3 加入噪声前后系统性能的分析........................................................................41 4.4 OFDM 信号传输前后的星座图....................................................................... 42 4.5 循环前缀对两径信道性能的分析....................................................................44 4.6 高斯信道中系统的性能....................................................................................46 4.7 不同信道中误码率随信噪比的变化................................................................47 5 总结和展望............................................................................................49 5.1 全文总结........................................................................................................... 49 5.2 展望................................................................................................................... 49 致 谢....................................................................................................... 51 附 录....................................................................................................... 52 参考文献................................................................................................... 53 V
    1 绪论 1.1 选题目的及研究意义 正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种 比较特殊的多载波系统，它的主要特点是采用了正交频分信道，能够在简单的均 衡技术情况下高速传输无线数据，并具有抗衰落和抗干扰性能。另外，OFDM 还 较容易与编码，分集技术，干扰抑制及智能天线等结合，这是物理层信息传输的 可靠性有了最大限度的提高。如果在添加自适应技术，动态子载波和比特分配等 技术，可以使 OFDM 系统的性能得到进一步优化。 现在OFDM 系统已经在欧洲 和北 美有了广泛的应用，如数字音频广播 （DAB），数字视频广播（DVB），高速的无线局域网系统，高比特数字用户线 以及电力载波通信中得到了广泛应用。另外，宽带无线接入系统IEEE802.11g/a、 802.16d/e、802.20也以OFDM/OFDMA技术为基础。面对应用领域日益广泛的 OFDM技术，此论文的主要研究内容为通过对OFDM系统的仿真，更好的掌握 OFDM通信系统的发射和接收的工作原理及无线通信信道的特点，方便深入研究 OFDM系统，使其优点得到更好的应用，缺点得到改进。 1.2 国内外研究现状 正交频分复用（OFDM）在 20 世纪 50 年代中期开始出现，在 60 年代已经 提出了使用并行数据传输和 FDM 的概念， 但是主要应用在高频军事系统中。 在 70 年代，Weistein 和 Ebert 等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变 换（FFT）设计出了一个完整的多载波传输系统，即 OFDM 系统，其思想是采 用平行的数据和频分复用来解决对高速均衡的依赖，简化了相关接收机中本地载 波之间的严格同步及振荡器阵列问题，在理论上为实现 OFDM 的全数字化方案 作了准备。离散傅里叶变换(DFT)作为基带调制和解调的一部分，这项工作旨在 引入消除子载波间干扰的处理方法。在时域的符号和升余弦窗之间添加保护间 隔，可以有效地抗 ISI 和 ICI，但在一个时间弥散信道上，子载波间的正交性将 不能保证。由于 OFDM 系统中各个子载波之间相互正交，采用 FFT 来作为调制 的一部分，但是实时傅立叶变换设备的复杂度极高，制约了 OFDM 技术的实现。 另外，Peled 和 Ruiz 在 1980 年的论文中，引入了循环前缀(Cyclic Prefix，CP)， 有效的解决了 OFDM 系统中保证信号正交性的问题。他们不只是空的保护间隔， 1
    而是用 OFDM 的一部分符号来循环扩展进行填充，来保证子载波间的正交性， 但在过程中会造成一部分能量损失。在 20 世纪 80 年代，大规模集成电路让 FFT 技术的实现成为可能，自此，OFDM 成为通信技术中的一个主要技术，使通信 迈入高速数字移动通信的领域成为可能。20 世纪 80 年代以来，OFDM 技术得到 更加深入的研究并在通信领域内得到了很好地发展。OFDM 的应用涉及到了陆 地移动通信，高速数据通信，高速数字用户环路（HDSL），陆地广播及高清晰 度数字电视（HDTV）和非对称数字用户环路（ADSL）等各种通信系统。1998 年 7 月，IEEE802.1 标准组将 OFDM 选定为 WLAN 的物理层的接入方案，将提 供 6 到 54 兆比特每秒的数据速率，这是 OFDM 被用于分组通信业务的开端。2004 年 11 月，3GPP 通过被称为 LongTermEvolution(LTE)即“3G 长期演进”的立项 工作，并在 2005 年 12 月选定下行 OFDM，上行为 SC 一 FDMA 的 LTE 的基本 传输技术。拥有我国自主知识产权的 3G 标准为 TD-SCDMA[1]。 1.3 论文组织结构 本文主要介绍了 OFDM 技术的发展和应用，分析了 OFDM 系统的优缺点以 及发展前景。然后简单描述了 OFDM 的原理和基于 IFFT/FFT 实现的 OFDM 系 统实现模型，详细阐述了通信系统中的各种关键技术。在 MATLAB 中 Simulink 仿真平台的基础上，构建完整的 OFDM 仿真系统，并且对其仿真出来的数据图 形进行分析理解和总结｡每章具体内容安排如下： 第一章主要介绍了本次论文的选题意义以及 OFDM 的发展现状，以及本文 的组织结构。 第二章主要介绍了 OFDM 技术的特点，其中重点介绍了加窗技术，调制与 解调技术，保护间隔与循环前缀，还给出了基于 FFT/IFFT 的 OFDM 系统模型。 第三章介绍 OFDM 的几种关键技术，包括同步技术、信道估计技术、最大 峰均比问题、信道编码以及交织技术等，其中重点介绍了 RS 编码原理、最大峰 均比问题及其解决办法。 第 四 章 首 先 介 绍 了 OFDM 系 统 的 基 本 模 型 ， 给 出 了 在 MATLAB 中 的 Simulink 平台下搭建的 OFDM 仿真系统，并对其接收端与发送端的信号进行了 比较分析，并对其加循环前缀前后以及不同误码率下误码率的性能进行了分析。 第五章为总结和展望，对本论文进行概括总结,并对 OFDM 技术的未来发展 作出展望。 2
    2 OFDM 技术的基本原理 在宽带无线通信系统中，信道的多径传播会引起信号在时间上展宽并导致频 率选择性衰落，而信道的时变特性会引起信号频率的展宽，从而导致多普勒效应。 多径时延扩展或相干带宽用来描述信道的多径特性，而相干时间或多普勒带宽常 用来描述信道的时变特性。当信道带宽小于相干带宽时，可以认为该信道是非频 率选择性信道，其所经历的衰落是平坦性衰落；而如果信号的持续时间小于相干 时间时，则可以将信道看成线性时不变系统。 正交频分复用(OFDM)的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配 到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。这样每个子信道中的符号周期 会根据子信道的个数而成倍增加，因而可以减小因无线信道多径扩展对系统造成 的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，当最大多径时延小于保护间隔时，可以 在很大程度上消除符号间干扰(ISI)。如果用循环前缀(CP)作为保护间隔，还可以 有效避免由多径带来的信道间干扰(ICI)。 2.1 OFDM 技术特点 近年来，OFDM 系统已经融入了人们的生活并在通信领域中的到很好的发 展，其原因在于 OFDM 系统具有以下几方面优点： 1）抗衰落性强 可以将高速数据流进行串并转换，相对增加每个子载波上的数据符号持续时 间，从而有效地减小在无线信道中因时间弥散引起的 ISI，也大大减小了接收机 内使用均衡器的复杂度，甚至有时可以不用均衡器，直接采用插入循环前缀来消 除 ISI[2]。 2）频谱利用率高 OFDM 系统中各个子载波之间是正交的，应用了快速傅里叶变换(FFT)，所 以允许各子载波重叠，并且在理论上可无线趋向于奈奎斯特极限。另外，子信道 上采用多进制调制技术（QPSK,QAM 等），与其他的频分复用系统比较而言， OFDM 系统可以最大限度的提高频谱利用率。 3）适合传输非对称的无线数据业务 无线数据业务一般都存在非对称性，即上行链路小于下行链路中的数据传输 量，这就要求其物理层支持高速率的非对称数据传输，OFDM 系统可以通过在 上行链路和下行链路中使用子信道的数量不同来实现不同的传输速率。 3
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