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数字信号处理实验报告实验 4 OFDM 原理与实现电子与信息学院余华学班院级学生姓名学生学号指导教师提交日期

华南理工大学实验报告目录一、实验目的................................................................................................ 2 二、实验内容与要求.....................................................................................2 三、实验原理................................................................................................ 2 1、OFDM 和 SCFDE.................................................................................... 2 2、CP 和 ZP.................................................................................................3 3、ZF 和 MMSE...........................................................................................3 4、CP/ZP-OFDM/SCFDE 调制原理..............................................................3 四、实验过程................................................................................................ 4 1、CP-OFDM 基本实现步骤.......................................................................4 2、CP-SCFDE 基本实现步骤.......................................................................5 3、ZP-OFDM 基本实现步骤.......................................................................5 4、ZP-SCFDE 基本实现步骤....................................................................... 6 五、实验结果与分析.....................................................................................6 1、实验结果...............................................................................................6 2、结果分析...............................................................................................8 参考文献........................................................................................................9 附录：..........................................................................................................10 1

华南理工大学学士学位论文实验 4：OFDM 原理与实现一、实验目的 1、拓展 FFT 的应用； 2、加深理解数字通信系统的各个模块功能。二、实验内容与要求 1、学习流行的 CP-OFDM 调制原理及其实现代码，观察其时域波形特征； 2、实现 CP-SCFDE； 3、实现 ZP-OFDM； 4、实现 ZP-SCFDE； 5、比较分析四种技术的识码率性能； 6、分析 ZF-OFDM/SCFDE 两种方案的复杂度。三、实验原理 1、OFDM 和 SCFDE OFDM 系统的工作流程为：原始高速数据流经过串并变换，变成若干组低速率的子数据流，然后依次经历符号映射、IFFT 变换、加循环前缀、数模变换、通过射频调制发送出去；经过无线信道的传播后，在接收机以与发送机相反的顺序接收解调下来，首先完成射频解调和模数变换，去掉循环前缀，用 FFT 完成 OFDM 解调，并采用一定的均衡方法消除信道对信号的影响，最终经过判决得到原始信息。从而得到原始发送号。 SCFDE 系统和 OFDM 系统在结构上的主要区别在于 IFFT 运算是在发射端还是接收端进行。因此，SCFDE 系统发送的是调制后的高速率单载波信号。在发射端，SCFDE 系统在完成符号映射的信号加上 CP，再进行 D/A 变换和射频调制后，直接送入信道传输。接收机在接收到信号后，完成射频解调、A/D 变换，去掉 CP，然后用 FFT 将信号 2

华南理工大学实验报告变换到频域完成均衡，再用 IFFT 将均衡后信号变换回时域，最后判决出传输信息。 2、CP 和 ZP 由于多径传播的影响，会产生信道间干扰 ICI，为了消除 ICI，OFDM 符号需要在其保护间隔内填入 CP。具体做法就是发射端，将一帧离散信号的最后 L 个抽样值复制到帧的前部，使得一帧信号之内具有一定的循环特性。通过循环前缀的加入，CP-OFDM 就把多径衰落信道变成了在频域上的几个独立的并行平衰落子信道。为了达到相同的目的，可在 OFDM 符号之后补零来形成保护间隔，也就是零后缀 ZP，零后缀也可消除 ICI，不过运算量相对 CP 有所增加。 3、ZF 和 MMSE 在接收机中设置均衡器的目的是就是为了消除或者减轻可能存在的 ISI。在 OFDM 和 SCFDE 系统中，均衡方式都是采用复杂度较低的频域均衡。频域均衡就是通过补偿信道多径衰落引起的畸变来减小衰落的影响。频域均衡的基本思想是对信道的频率响应作出估计，然后在每个子信道乘以均衡系数来补偿信道的影响。迫零均衡 ZF 消除了信道的影响，但是没有考虑噪声的干扰，如果 H(k)很小，进行信道均衡时，噪声会被放大。由于影响系统误码率性能的因素除了信道干扰还有噪声，因此可以采用最小均方误差均衡 MMSE，它综合考虑信道的影响和噪声的干扰。MMSE 的准则是求经过均衡后使其均方误差最小。在非理想信道及噪声存在的情况下，ZF 并非是最优均衡，由于 MMSE 考虑了二者的影响，因而 MMSE 优于 ZF。 4、CP/ZP-OFDM/SCFDE 调制原理 3

华南理工大学学士学位论文图 1 CP-OFDM 实现流程图 2 CP-SCFDE 实现流程图 3 ZP-OFDM 实现流程图 4 ZP-SCFDE 实现流程四、实验过程 1、CP-OFDM 基本实现步骤 Step 1: 生成随机数字信号； d = randi([0,M-1],N,Nsyb); Step 2: 16QAM调制； X = qammod(d,M); Step 3: 在频域调制后进行IFFT变换生成时域信号; x = ifft(X); % Step 4: 添加循环前缀 xcp = [x(N-Ncp+1:end,:);x]; xcp = xcp(:); % Step 5a:手动生成多径信道脉冲响应，通过信道发送； 4

华南理工大学实验报告 cir = Ampath.* ( randn(1,Np) + 1j*randn(1,Np))/sqrt(2); h = hzero; h(idxTaps) = cir.'; xcpch = zeros(Ns *Nsyb+Ncp,1); for p = 1:Np idx = [0:Ns *Nsyb-1]+idxTaps(p); xcpch(idx) = xcpch(idx) + cir(p)*xcp; end xcpch = xcpch(1:Ns *Nsyb); % Step 5b: 添加高斯白噪声 y = awgn(xcpch,SNRdB(k),PavdB); % Step 6: 删除循环前缀 y = reshape(y,[Ns,Nsyb]); y = y([Ncp+1:end],:); % Step 7: 进行FFT变换，回到频域; Y = fft(y); % Step 8: 频域均衡 HCP = fft(h,N);% Channel Frequency Response Gzf = 1./HCP; % Zero-Forcing Equalizer Xhat= Y .* repmat(Gzf,[1,Nsyb]); % Step 9: 解调恢复原始信号 dhat = qamdemod(Xhat,M); 2、CP-SCFDE 基本实现步骤在 CP-OFDM 基本实现步骤的基础上，去掉 Step 3: 在频域调制后进行 IFFT 变换生成时域信号；同时在 Step 8: 频域均衡后进行 IDFT 变换。 3、ZP-OFDM 基本实现步骤在 CP-OFDM 基本实现步骤的基础上，更改 Step 4 为添加零后缀；同时去掉 Step6 5

华南理工大学学士学位论文删除循环前缀，把 Step 7: 进行 FFT 变换，回到频域移至频域均衡后。 4、ZP-SCFDE 基本实现步骤在 CP-OFDM 基本实现步骤的基础上，去掉 Step 3: 在频域调制后进行 IFFT 变换生成时域信号；更改 Step 4 为添加零后缀；同时去掉 Step6 删除循环前缀和 Step 7: 进行 FFT 变换，回到频域。五、实验结果与分析 1、实验结果图 5 CP_OFDM 结果 Elapsed time is 1.742582 seconds. 6

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