基于MATLAB的OFDM通信系统模型的仿真研究_毕业论文.pdf

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.17M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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毕业论文(设计) 题目：基于 MATLAB 的 OFDM 通信系统模型的仿真学生姓名：崔剑学号：_ 专业班级：指导教师：完成时间： 2012 年 4 月 1 日请勿抄袭，仅供网友参考。版权属作者所有目录作者：崔剑 1

摘要……………………………………………………………………… ……….2 Title: MATLAB Simulation and Performance Analysis of OFDM System ABSTRACT………………………………………………………… ………………...3 第 1 章绪论…………………………………………………… ………………….4 1.1 课题背景…………………………………………………… …………..…..…4 1.2 OFDM 的发展及其现状…………………………………… ………………..…4 1.3 设计指标……………………………………………………… ……………..5 1.4 本文的工作……………………………………………………… ……………5 第 2 章 OFDM 的系统设计…………………………………………………..… …….6 2.1 OFDM 系统模型的建立………………………………………………… ….….6 2.1.1 基于 IFFT/FFT 的 OFDM 系统模型……………………………. ……….6 2.1.2 无线信道衰落的特征及模型……………………………………… .…..9 2.2 OFDM 系统分析………………………………………………………… ……..9 2.2.1 无线信道衰落特征………………………………………………… .….9 2.2.2 小尺度衰落分析………………………………………………..… ….10 2.2.3 OFDM 信号的频谱特性…………………………………….……….. …12 2.3 OFDM 系统的特点……………………………………………….……….. …13 2.3.1 OFDM 系统的优势…………………………………………..…….… …13 2.3.2 OFDM 系统的缺陷………………………………………..……….… …14 第 3 章 OFDM 系统的关键技术及研究……………………………………..… …15 3.1 OFDM 系统的调制与解调…………………………………………….….…15 3.1.1 OFDM 系统的调制与解调原理……………… …………..…………..15 3.1.2 OFDM 系统中的 FFT/IFFT………………………..……………… ……16 3.1.3 OFDM 系统中的保护间隔（GI）和循环前缀（CP）……….…….… 18 3.1.4 加窗……………………………………………………………..……. 18 3.2 循环前缀及信道估计对系统误码率的改善分析………………….………. 22 3．2．1 循环前缀………………………………………………………..…….22 3．2．2 OFDM 系统的峰值平均功率比………………………………....…. 26 3.3 信道估计………………………………………………….………………... 27 3.3.1 信道估计概述……………………………………………………..…… 27 3.3.2 基于导频的信道估计方法……………………………………….…… .28 3.3.3 信道的插值方法……………………………………………..….……. 28 第 4 章 MATLAB 仿真 …………………………… …………………...……… …..29 4.1 OFDM 实现方式的计算机仿真……………… ……………….………….….29 4.2 仿真结果及分析………………………………………………….………. .31 结论…………………………………………………………………………….. .32 参考文献………………………………………………………………….……… ..33 致谢………………………………………………………………………….… .33 附录 (仿真过程中用到的程序)…………………………………………….… .34 摘要正交频分复用(OFDM) 是第四代移动通信的核心技术。该文首先简要介绍了作者：崔剑 2

OFDM的发展状况及基本原理, 文章对OFDM 系统调制与解调技术进行了解析，得到了OFDM 符号的一般表达式，给出了OFDM 系统参数设计公式和加窗技术的原理及基于IFFT/FFT 实现的OFDM 系统模型，阐述了运用IDFT 和DFT 实现OFDM 系统的根源所在,重点研究了理想同步情况下,保护时隙(CP)、加循环前缀前后和不同的信道内插方法在高斯信道和多径瑞利衰落信道下对OFDM系统性能的影响。在给出OFDM系统模型的基础上,用MATLAB语言实现了传输系统中的计算机仿真并给出参考设计程序。最后给出在不同的信道条件下,研究保护时隙、循环前缀、信道采用LS估计方法对OFDM系统误码率影响的比较曲线,得出了较理想的结论。关键词: 正交频分复用;仿真;循环前缀;信道估计 Title: MATLAB Simulation and Performance Analysis of OFDM System 作者：崔剑 3

ABSTRACT OFDM is the key technology of 4G in the field of mobile communication. In this article OFDM basic principle is briefly introduced. This paper analyzes the modulation and demodulation of OFDM system, obtaining a general expression of OFDM mark, and giving the design formulas of system parameters, principle of windowing technique, OFDM system model based on IFFT/FFT, the origin which achieves the OFDM system by using IDFT and DFT. Then, the influence of CP and different channel estimation on the system performance is emphatically analyzed respectively in Gauss and Rayleigh fading channels in the condition of ideal synchronization. Besides, based on the given system model OFDM system is computer simulated with MATLAB language and the referential design procedure is given. Finally, the BER curves of CP and channel estimation are given and compared. The conclusion is satisfactory. KEYWORDS: OFDM; Simulation; CP; Channel estimation 作者：崔剑 4

第 1 章绪论随着移动通信和无线因特网需求的不断增长，越来越需要高速无线系统设计，而这其中的一个最直接的挑战就是克服无线信道带来的严重的频率选择性衰落。正交频分复用（OFDM）技术可以很好地克服无线信道的频率选择性衰落，由于其简单高效，OFDM已成为实现未来无线高速通信系统中最核心的技术之一。 1.1 课题背景现代移动通信发展至今，已经经历了三代，而3G 的后续技术也在加速研究中。目前，国际标准化组织正在推动无线传输技术从2Mb/s 的传输速率向100Mb/s 和1000Mb/s 的目标发展，对4G 的定义也已经逐渐清晰起来。基本上可以确定， OFDM/OFDMA、MIMO和智能天线等技术将成为4G 的主流技术。OFDM 相关的技术很多，实际应用中的OFDM 复杂度很高。因此，建立适合自己研究方向的OFDM 模型，无论是为了理解OFDM 技术的理论，还是对后续的OFDM 与其他技术相结合的研究工作，都有着非常重要意义。 OFDM是一种特殊的多载波调制技术,它利用载波间的正交性进一步提高频谱利用率,而且可以抗窄带干扰和多径衰落。多载波调制原理最早在20 世纪60 年代中期由Collins kinep lex 提出。70 年代,主要用于美国军用无线高频通信系统;80 年代,OFDM的研究主要用在高速调制解调器、数字移动通信及高密度录音带中;90 年代以后,OFDM主要用在非对称的数字用户环路(ADSL) 、ETSI 标准的数字音广播(DAB) 、数字视频广播(DVB) 、高清晰度电视(HDTV) 、无线局域网 (WLAN) 等。 OFDM与 CDMA技术结合主要有两种形式 , 一种是多载波 CDMA(MC-CDMA) , 一种是多载波直扩CDMA (MC-DS-CDMA) 。前者是频域扩展和多载波调制技术相结合,后者是时域扩展和多载波调制技术相结合。 OFDM通过多个正交的子载波将串行的数据并行传输,可以增大码元的宽度, 减少单个码元占用的频带,抵抗多径引起的频率选择性衰落;可以有效克服码间串扰( ISI) ,降低系统对均衡技术的要求,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输;而且信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。这些方案都是基于OFDM 之上的, 因此, 研究OFDM系统的性能就显得非常必要。本文首先简要介绍OFDM基本原理,在这个基础上建立了OFDM仿真模型,然后通过加保护时隙及进行信道估计, 分析OFDM 系统在AWGN和多径Rayleigh衰落信道下不用的插入算法的性能,最后给出仿真结果。 1.2 OFDM 的发展及其现状 OFDM 是一种特殊的多载波频分复用(FDM)技术。在传统的多载波频分复用系统中，各个子信道采用不同的载波并行传送数据，子载波之间间隔足够远，采用隔离带来防止频谱重叠，故频谱效率很低。在均衡器未被采用以前，人们就是用这种多载波方式在时间色散信道中进行高速通信的。作者：崔剑 5

1966 年，R.W.Chang 分析了在多载波通信系统中如何使经过滤波后带限的子载波保持正交。随后不久 B.R.Saltzberg 给出了一篇性能分析的文章，他指出在设计一个有效的并行传输系统时，应该把注意力更多地集中在减少相邻信道的串扰上，而不是使各个独立的信道工作得更好，因为此时信道串扰是造成信号失真的主要因素。1971 年，S.B.Weinstein 和 P.M.Ebert 提出用傅立叶变换(DFT)进基带 OFDM 调制和解调。通过 DFT 进行 OFDM 基带调制和解调避免了生成多个子载波和多个窄带带通滤波器，使系统的模拟前端由多个变为一个，同时由于 DFT 可以用 FFT 来快速实现，这进一步降低了系统实现的复杂度。为对抗符号间干扰和载波闻干扰，他们提出在符号间插入一段空白时隙作为保护间隔。他们的系统虽然没有能在色散信道中获得很好的子载波正交性，但对 OFDM 仍是一个很大贡献。另一个重要贡献来自 A.Peled 和 A.Rmz，他个人提出了采用循环前缀来解决色散信道中子载波间的正交性问题。当信道响应长度小于循环扩展时，循环前缀的存在使信号与信道响应的线性卷积变成循环卷积，从而使色散 OFDM 信号可以通过频域单点均衡进行去相关。当然，循环扩展的引入会导致少量的信噪比损失。由于无线信道的多径传播会使宽带 OFDM 信号产生频率选择性衰落，导致各个子信道上的信噪比不同，因此实际的 OFDM 系统都是与交织、纠错编码结合在一起，形成编码的正交频分复用(COFDM)。交织和编码能够使 OFDM 系统获得良好的频率和时间二维分集。 1.3 设计指标设计一个基于 Matlab 的 OFDM 通信系统的仿真实现，关键技术指标如下。 1. 采用数字信号（DSP）技术——快速傅里叶变换（FFT）来实现； 2. 基于 IFFT/FFT 的 OFDM 两种系统模型； 3. 基于导频的信道估计; 4.。循环前缀及信道估计对系统误码率的改善 1.4 本文的工作详细分析课题任务，对OFDM通信的历史和现状进行分析，并对OFDM通信的原理进行了深入的研究，并将其综合。然后根据课题任务的要求在OFDM仿真作者：崔剑 6

模型的基础上用MATLAB语言编写出OFDM发送、信道及接收整个系统上的仿真图形,在系统仿真正确的前提下,对在OFDM信道上加上窗函数前后以及加上循环前缀后，采用不同的内插方法接收信号的改善程度进行了研究，得出预想的结果。第 2 章 OFDM 的系统设计 2.1 OFDM系统模型的建立 2.1.1基于IFFT/FFT 的OFDM 系统模型基于 IFFT/FFT 实现的 OFDM 系统方框图如图 2.1.1 所示二进制数据比特 IFFT 变换 S/ P 变换 P/ 加 D CP S 变换 / A 上变频信道下变频频域时域噪声信二进制道数据解比特码 P/ S 变换信道均衡 FFT 变换 S/ P 变换去 CP A / D 图 2.1.1 IFFT/FFT 实现的 OFDM 系统图2.1.1中串行输入数据为经过信道编码后的序列（如Turbo码），将该序列转换成包含R个比特的块，每块再分成N个组，每个组对应一个子载波。根据所采用调制方式的不同，每个组包含的比特数可以不同,设第K 组的比特数为 , 则有采用ASK、PSK、QAM等调制方式将这个比特映射成复值符号。作者：崔剑 7 kmNokkm10Rkm

除了上述经过数据调制的信息符号外，还有个不需要经过数据调制的用于同步与信道估计的导频符号，一共有组有用数据。在适当的位置上添加一定数量的零使得总的信息符号个数为刚好大于N的2 的整数幂，记为 N，即有个子信道不用，其上传输的复值符号为0。这样处理的目的一方面是为了采用，另一方面是为了防止谱外泄。对于连续的OFDM信号模型，假设系统的总带宽是，OFDM码元周期为，为保护间隔。一个OFDM 复值基带码元可以表示为： (2.1) 式（2.1）中的信号以1/Δ（Δt = T / N ）的速率从时刻开始采样，所得的N 个样本为： = = , k=0，1,2，3.......N-1 (2.2) 显然，这个样值与序列S= 的IDFT，除了系数外完全一样。由于对每个连续OFDM 码元采样N 个样本，正好满足Nyquist 采样定理，所以可以通过这些样值重构原始的连续信号。这样样值可以通过IDFT 来得到，这就是用IDFT 和DFT 可以实现OFDM 系统的根源。下面给出OFDM载波的幅度谱和相位谱，分别如下图2.1.2和图2.1.3所示作者：崔剑 8 PNpdvNNN0NNFFTIFFTWSTgT)()(10tStSaKNKKgT)(2101)(][tnfjNKkgaeSTtnTSnS1)(21NokNnTfkjkeST1021NkNknjkeSTN10NnnS10NnkS

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