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完整版OFDM传输技术与研究毕业设计
毕业论文（设计）
OFDM传输技术与研究
学生姓名：
朱福林
指导教师：
孟娟（副教授）
合作指导教师：
专业名称：
通信工程
所在学院：
信息工程学院
2013年6月
摘要
发展到现在，我们已经是第四代通信技术了。
而它的核心技术是正交频分复用（OFDM）。
本文首先简要介绍了OFDM的发展状况，基本原理,关键技术，我们也仔细分析了OFDM，也仔细分析了系统的调制与解调技术，所以我们大致已经得到了OFDM符号的一般表达式，对它的表达式我们进行了论证与应用，而且这个系统的参数设计公式我们也随带着给出了，此时加窗技术的原理及基于IFFTFFT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。
在我们得出了系统的模型以后，在这个系统模型的基础上,我们利用了MATLAB语言，再加上分析和论证实现了计算机仿真，而且还在传输的基础上给出了参考设计程序。
最后我们知道了在不同的信道条件下,我们在研究保护时隙，我们在研究循环前缀，我们在研究信道采用的估计方法的过程中，我们得到了对这个系统有影响的曲线,在曲线上我们直观的看出了各种现象，通过分析和论证得出了最后的结论。
关键词:
正交频分复用;仿真;循环前缀;信道估计
Abstract
Developmentuptonow,weofcommunicationstechnology.Anditscoretechnologyisanorthogonalfrequencydivisionmultiplexing（OFDM）.ThispaperbrieflydescribesthedevelopmentofOFDMbasicprinciples,keytechnologies,weanddemodulationtechniques,sowe'vegotroughlythegeneralexpressionoftheOFDMsymbol,itweweredemonstratedexpressionandapplication,andthedesignparametersofthissystemwiththeformulaweoverthistimewindowingtechniquebasedontheprinciplesandIFFTFFTimplementationOFDMsystemmodel,describestheuseofIDFTandDFTimplementationOFDMsystematitsrootsfocusesontheidealsynchronouscircumstancestoprotecttheslot（CP）,pluscyclicprefixbeforeandafterdifferentchannelinterpolationmethodinGaussianchannelandmultipathfadingchannelsundertheOFDMsystemperformance.Inoursystemmodelobtainedafterinthissystembasedonthemodel,weusetheMATLABlanguage,plusanalysisanddemonstrationtoachieveacomputersimulation,butalsogivenonthebasisofthetransmissionreferencedesignprocess.Finally,weknowthatindifferentchannelconditions,westudytheprotectiontimeslots,westudythecyclicprefix,inourstudythechannelestimationmethodusedintheprocess,weobtainthecurveoftheimpactofthissystem,thecurveourintuitivetoseeavarietyofphenomena,throughanalysisanddemonstrationreachedafinalconclusion.
Keywords:
orthogonalfrequencydivisionmultiplexing;simulation;cyclicprefix;channelestimation
第一章前言
1.1研究目的和意义
随着移动通信和无线因特网需求的不断增长，高速无线系统显得尤其重要，对高速无线系统设计越来越需要，在这其中的一个最直接的挑战就是，严重的频率选择性衰落是我们需要严重克服的。
OFDM其实说白了就是正交频分复用，多音调制技术是他的主要技术，而且这种技术是不连续的，我们可以称它是一种单一的信号，这种信号是在不同频率中的大量信号合并成的，通过这样的方式我们来完成信号的传送。
这种技术能够非常有效的克服频率选择性衰落，而且它是一种非常好的而且非常高效的，优点贼多，非常棒，所以我们说这种技术是最核心的技术了。
1.2国内外研究现状
纵观现代移动通信的发展历程，已经经历了三代，但是3G的后续技术也在非常快速的研究当中。
在当代，无线传输技术正在快速的发展，快速的进步，再加上在国际标准化组织的推动下，它的传输速率已经从从2Mbs向100Mbs和1000Mbs在发展，而人们对4G的定义也不陌生了，慢慢开始明白。
随着技术的进步，OFDMOFDMA、MIMO和智能天线等这几个技术都将变为4G最主要的技术[1]。
由于OFDM相关的技术非常多，因此在实际应用中它具有很高的复杂度。
所以，我们要对其建立一个模型，这个模型首先必须要适合自己研究方向，然后通过这个模型我们还可以更加的了解它的理论，对以后的研究工作具有非常重要的意义。
OFDM并不是新生事物，它由多载波调制发展而来的。
在20世纪的五六十年代，世界上第一个MCM系统被建立了，它是由美国军方创建的。
但是到了1970年，通过人们的不断努力，再加上技术的不断进步，研究出了一个新的系统，那就是子载波和频率重叠的OFDM系统。
等到了20世纪80年代，人类又做出了更大的进步，MCM技术有得到了升华和突破，这就使得FFT技术从理想向现实迈进了一大步，使其他的一些以前不可能实现的现在都变成了可以解决的。
正是由于这项技术的突破，而迫使更早的进入了数字移动通信领域。
到了20世纪90年代，欧洲和澳大利亚等国家对宽频带数据通信更加娴熟，对它进行了广泛的应用。
而且OFDM技术在音频视频等领域也被广泛的应用了。
1.3研究内容和方法
OFDM系统想要并行传输，他必须利用多个正交的子载波，通过它使串行的数据并行传输,从而使码元的宽度尽可能的增大，而且还能使每个码元的频带大幅的减少,用来抵抗多径引起的频率选择性衰落;还能够使对均衡技术的要求降低很多，再加上这个系统在资源很有有限的无线环境中，可以保证对信道的利用率达到很高。
因为研究的这些方案都是在基于OFDM之上的,所以对我们来说我们就非常有必要的研究OFDM系统的性能。
本文第一章前言，首先介绍了研究的目的和意义，接着介绍了国内外研究的现状，最后介绍的是研究内容和方法。
本文第二章OFDM系统的介绍，对OFDM系统的发展历史、基本原理、系统模型、基本模型、优缺点、应用领域以及它的影响做了详细的介绍。
本文第三章OFDM系统的关键技术，对时域和频域同步技术、峰功率比、均衡、与其他再拨的比较做了介绍。
本文第四章MATLAB的OFDM系统仿真与分析，对循环前缀及信道估计对系统误码率的改善分析，平均峰功率比，信道的估计做了详细的介绍。
本文第五章结论与建议。
本文第六章致谢语。
第二章OFDM系统介绍
2.1无线移动通信技术的发展历史
在最近的几十年的时间里，我们可能都经历了很大转变，有的从模拟通信到数字通信、有的从FDMA到CDMA的巨大转变。
所以说在我们身边各种新技术的出现的时候，也就是出现了一种第3代通信技术，它更加成熟，我们管它叫4G移动通信科技。
我们好好想想，移动通信的发展历史也是非常悠久的。
它大致一共可以分为四代模拟系统，第一代模拟系统很简单也很浅显，它不能传输数据只能为我们提供语音服务；而到了第二代数字移动通信系统就比第一代优化了很多，健全了很多，但是它的数据传输速率也只能达到最高32bits，而最低的时候只有9.6bits；随着技术的再一次进步，第三代移动通信系统诞生了，它的数据传输速率比前两代有了非常明显的提高和加快，能达到2Mbits；但是随着人们对多媒体通信的要求越来越高，第三代已经无法满足未来了，所以我们研究的第四代移动通信系统的传输速率比现有的快上上千倍，数据传输速率可以达到10-20Mbits[2]。
正交频分复用写成缩写便是OFDM。
正交频分复用是一个比较特别的多载波传输技术，它和其他的不一样。
OFDM不仅能搞定生成好几个互相正交的子载波，还可以成功解决从子载波中恢复原信号的问题，它采用离散傅里叶变换（DFT）和其逆变换（IDFT）方法。
它也很好的终结了多载波传输过程中发送的难题以及传送的难题。
快速傅里叶变换的采用使得多载波传输系统的复杂度大大降低降低，使得这个系统更加方便。
也就是这样之后这项技术才变得越来越实用。
最近，数字信号处理器件和集成数字电路技术不断的发展，另外由于无线通信高速率要求的越来越高，专家们和研究人员再次对OFDM技术产生了高度的重视。
2.2基本原理
OFDM本质上是MCMMulti-CarrierModulation，多载波调制的方法中的一种。
OFDM的重要思想是这样的：
咱们先把数据流串并变换成为N路速度比较低的子数据流，然后拿他们分别去调制N路子载波，然后我们再对它进行并行传输，正是由于经历了这次变化，我们了解了子数据流的速度完全变化为原来的1N，因此根据公式我们就知道符号周期扩大为原来的N倍，这样信道的最大延迟扩展变大了很多很多,于是，N个窄带平坦衰落信道也就被划分出来了，是被MCM的一个宽带频率选择性信道划分的，窄带平坦衰落信道具有适合于高速无线数据传输特点，也就是说它具有特别强的抗多径衰落能力，还具有很强的抗脉冲干扰的能力。
OFDM它是一种子载波相互混淆的MCM，因此他也具有MCM的很多优点[3]。
然而除了具有这个优势以外，它的频谱利用率也很高。
当OFDM在选择子载波的时候，如果它选择的是正交的子载波的话，而且他们在频域中相互混叠，并且他们在时域上是相互正交的，这个系统仍可以在接收端被分离出来。
一个OFDM符号内包含多个子载波，但是它们都是经过相移键控（PSK）或者是经过正交幅度调制（QAM）的。
在向B3G4G技术的过度中,最核心的技术就是OFDM。
因为OFDM可以很好地够结合分集，时空编码，干扰以及信道间干扰抑制和智能天线技术，这样整个性能就会被提高到最大限度。
OFDM系统有很多种类型，无论哪种类型，这个系统中都是相互正交的载波，而且每个载波的载波周期全都是整数个，其前提是在一个符号时间内，再加上每个载波的重叠，因此这样大大的减小了载波间的干扰。
在OFDM传播过程中，要想减少无线信道多径时延扩展对系统造成的码间干扰所产生的时间弥散性，我们就必须让高速信息数据流用并串变换的方法，之后将其分配到速率不高的子信道里传送，由于每个子信道都有符号周期，这样会增加符号周期。
另外，因为信道有记忆性，这样就会使得结果输出块不能仅仅同当前输入快有联系，而且会与之前块的最后M个输入有联系，那么整个系统就产生了IBI。
我们必须清除IBI，完成在每个OFDM符号之间插入有效的保护的间隔，并且这个保护间隔的长度必须都要大鱼或等于无线信道中的最大的时延扩展，就是在N个数据块的后面加上M个0.然而如果我们这么做，由于多径传播会产生一定的影响，容易使得载波之间的干扰（ICI），或者说子载波之间的正交性被破坏了。
在过去的频分复用（OFDM）系统中，它的整个带宽被分成N个子频带，而这些子频带之间是不重叠的，如果不想这些子频带间的产生相互的影响，我们就得在频带之间加入保护带宽，频谱利用率就会降低很多。
研究人员为了克服这个缺点，经过各种研究，终于提出使OFDM采用N个重叠的子频带，而且保证子频带间是正交的，这样在接收端就可以无需分离频谱就可以把信号接收下来。
所以我们可以知道OFDM系统的一个最主要的优点就是正交的子载波可以通过快速傅利叶变换得以完成调制和相关解调的工作。
在运算N点的IFFT，必须进行N2次的复数乘法，基于2的IFFT算法最有可能被采用，其复数乘法仅为（N2）log2N，我们可以明显的看到复杂度被降低了。
在OFDM系统的发射端加入的保护间隔，主要是为了消除多径所造成的ISI。
因为OFDM这个技术有非常强的抗ISI能力以及高频谱效率，2001年这个技术开始在光通信中应用，相当多的研究表明了该技术在光通信中的可行性。
2.3基本模型
在发射机这端，我们首先观察一下QAM或者QPSK调制的数据比特流，从而使得从串行-并行转换开始，然后再进行IFFT变换，最后再反过来使并行数据转换成为串行数据，以及与保护的时间间隔（也被称为“循环前缀”），因此对于每一个OFDM码元。
在每个组帧中添加到接收端的同步序列和信道估计序列是非常容易在运行的时候突发检测，经过同步和信道估计，最后输出正交基带信号。
在接收那端，当我们检测到接收信号到达的时候，第一件事就是要进行同步和信道估计。
如果是实现时间同步，那么就需要由多个小的频率偏移量估计值来完成并最终进行校正，在FFT之后，对整数频率偏移进行估计和校正，这时候我们所得到的数据就是QAM或QPSK调制的数据。
经过解调得出相应的解调数据，这样的话我们就可以得到一个比特流。
2.3.1基于IFFTFFT的OFDM系统模型
基于IFFTFFT实现的OFDM系统方框图如图1所示
图1IFFTFFT实现的OFDM系统
通过串行输入的数据经过信道编码序列（如Turbo码）的图1中，这个序列被转换成的R位的块，每个块又被分成N个组，每个组对应于一个子载波[3]。
根据不同的调制方式进行调制后，每一组中包含的比特数当然可以是不同的，第一个有K组的比特数，相应地有使用ASK，PSK，QAM不同的调制方案。
除此之外，通过数据符号进行的调制信息，进行有必要同步之后，数据调制和信道估计的导频符号的一个有用的数据集总数。
零的个数的不断加入使得信息符号的总数就在上面的N为2的整数次幂，用N表示子信道的个数，在其上发送码元是一个复杂的值为0，这不是。
这种治疗的目的，一方面是使用起来方便，另一种是以防止频谱泄漏。
而对于连续的OFDM信号得模型，假设系统的带宽一定，OFDM符号取定周期保护间隔，甲复值基带的OFDM码元可以表示为：
（公式1）
（公式1）中的信号以1Δ（Δt=TN）的速率从时刻开始采样，所得的N个样本为：
=
=,k=0，1,2....N-1（公式2）
从上式中显然可以看出，这个序列的样本值S=IDFT，除了外面相同的系数。
每个连续的OFDM码元的N个样本的采样，以满足奈奎斯特采样定理，从而使这些样品可以重建原始连续信号[4]。
这样的样品可以通过以下许多种方式获得的IDFT的IDFT与DFT的OFDM系统可以是源，这是实现[4]。
下面给出OFDM载波的幅度谱和相位谱，分别如下图3和图2
图2OFDM载波相位谱
图3OFDM载波幅度谱
2.3.2OFDM信号的频谱特性
我们所使用各个子载波的调制的QAM或MPSK，如果我们使用的是矩形波形的基带信号，它已被转移，这样我们就可以得到一个在每个频谱的子通道中形状和其宽的主凸起部，用这种方式表示的OFDM信号的长度。
但是如果在这个时候，一共有N个OFDM信号样本的OFDM信号的时域信号的采样周期是。
实际中又因为相邻的子载波中间的频率的间隔为，所以
（公式3）
因此，我们必须了解这些特殊功能的音频载波信号的频谱主瓣宽度的大小和间隔大小。
根据该函数的性质，知道他们将顶频域的正交，是三分之二的产品的正交频率复用的名称。
我们知道，理论上每个复用的传输系统的频率的平均信号之间应该有各子信道的接收端的保护频带，这个频带可用于将在一个带通滤波器从每个信道分离信号。
保护频带的过程会降低整个系统的频谱的效率。
对于OFDM系统，不仅不存在各子系统之间的保护频带，并且每个信道的信号的频谱之间是完全可以相互重叠的。
如图4所示：
图4OFDM信号正交性的频域解释示意图
这与OFDM系统的频谱效率相比，对普通的频分复用系统而言可以产生一个很大的提高，但是，每个子载波可以使用QAM和MPSK调制，以进一步提高了OFDM系统的频谱效率与高频谱效率。
由于循环前缀的OFDM信号的频谱将产生结构上的变化，但只有一些可以提高的信号分量的频谱的OFDM信号可以增加，而不会造成新的频率成分[5]。
2.3.30FDM系统调制与解调解析
以t=为起始时刻的OFDM符号可以表示为：
，（公式4）
（公式4）的实部对应于OFDM符号的同相，虚部对应于OFDM符号的正交分量，而在实际应用中，他们可以分别与相应子载波的cos分量和sin分量相乘，可以构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号[6]。
图5OFDM一个符号周期的时域OFDM信号
图6OFDM每一个载波对应的时域信号
接收器对应于OFDM解调的解调过程接收，第k子载波的信号的解调过程是这样的：
接收到的信号和给的第一个载波进行相乘的k元解调，所获得的结果中的OFDM码元持续时间理论上是T，经过整合取得相应的发送信号。
事实上，（式5）所定义的等效复基带OFDM信号可以是离散傅立叶逆变换（IDFT）实施。
令（公式5）的=0,t=KTN（k=0,1,…,N-1），则可以得到：
（公式5）
在（公式5）中，我们定义它是的IDFT运算。
但是我们在接收的时候，如果我们想要得到恢复出的开始时的数据符号，可以对进行DFT变换得到：
（公式6）
经过我们的分析可以知道，正交频分复用系统可以当成是IDFT的操作，但是它是N点的，它的数据符号都是从频域到时域的，通过调制之后我们再发送到信道，同样地在接收端，对接收的信号进行相干解调。
然后我们对基带信号而言，对它要进行N点的DFT运算，我们同样可以得到开始时发送的数据符号。
实践中我们常常用到的是快速傅立叶变换（FFTIFFT）的方法，我们都是利用这个方法来实现OFDM调制和解调过程。
N点的IDFT操作时间都是需要复数乘法运算来实现的，从而IFFT可以计算的复杂度非常明显地降低。
对于常用的基2IFFT算法，我们知道有许多个这样的乘法。
本文中假设FFT的点数是2048，载波数量是200，每个符号代表2bit，每个载波使用100个符号，则OFDM的时域图形如上页图所示。
2.3.4OFDM中的信道估计
我们都知道，常见的信道估计方法有两种：
一种是基于导频信道，另一种是基于导频符号，但由于该系统是从其他的多载波系统，其中有一个时间频率不同的三维结构，这种结构使得后一种方法的设计更漂亮灵活。
在OFDM系统中，一般信道估计器的设计主要根据有两个方面：
第一方面是，因为在这个系统中，这是一个随时间变化的无线电信道选择信息和导频的发送定时掌握，所以我们有此系统发送的导频信号，但该信号必须连续；第二个方面是，我们必须首先确定导频的传输方法，而且，以确定信道估计的标准，和然后根据找到最适合的信道估计器的方法和标准，最小俊方误差E，但也必须考虑到两个试点性能的复杂性和集成度。
我们通常信道估计算法分为三类：
如果我们按照被插入的导频进行分类，可分为两个大类，这是盲信道估计和导频辅助信道估计。
如果我们按照估计一系列信息分类，可以分为两小类，这是一维和二维信道估计。
如果我们按照标准分类估计，它可以分为两个类别，即最小二乘估计和最小军方误差估计。
在进行OFDM系统的信道估计时，我们必须得做出非常周密的计划来保证各个过程都是顺利进行的，还要做出最认真最长远的考虑来保证我们做的估计是否对以后有所帮助，这些情况也是保证我们既要获得比较高的性能，又要将开销做的尽量小的条件。
试点插件指（a）：
，TDM插入模式
此方法要求在所有子载波上的导频被发送到的，最重要的是这是最适合于时域通道中的一个小的变化，因为在这样的信道，该系统是按照法律设计的，法律的每一个数字的最小单位是一个时域OFDM符号，这些符号当然包含了导频信息。
这种方法理论上是适用于室内环境的。
（b）方法：
，FDM插入模式。
这种方式要求的方法不是像以前一样，无法否认的是它也是必要的发送在时域上连续的导频信息，但在频域中不一样，而且只需要几个要求必须预留的子载波，该种子载波曾被指定为频域子载波。
另外还需要发送导频子载波来确定子载波间隔。
以这种方式插入有不可替代的优势，例如更好地支持移动性，但要保持这种优势，必须进行在频域的内插（插值）作为代价。
（c）方法：
离散（散）插入。
这种插入方法的组合是通过FDM和TDM的方式一起的组合。
这种插入方法继承了上述二者的优点，在频域中插入所需数量的每一个副载波的子载波的，这个子载波的导频在时域上所需的时间间隔数符号需要插入一个符号，这个符号也必须进行试点得到。
因此，这种方法可以用于插入频域相关，也可以利用时域相关性，并支持通道的准确性是非常高的，成本仍然是非常小的，但有相同的，这种方法也需要一边做插值频域和时域。
导频插入的方式，特别是我们使用相同的时间，使计划和长期思考，因为什么样的试点办法适用于什么样的目的。
在实践中，具体使用插入模式，还要根据系统的实际需求做出最合适的选择[7]。
我们将控制通道的时候，针对在时域和频域如何插入是相对比较自由的。
因此，控制信息的数量的分布已经成为我们需要尽快解决的一个主要的问题。
由于我们通常是以最低的调制阶数来控制信息进行调制，因此它可以作为一个额外的控制信息码元，但必须是导频码元，导频码元不仅改善信道估计性能，同时减少开销。
他的另一个作用是一个辅助的数据可以是高阶调制解调。
正因为如此我们也将导频的位置相对应的位置信息来控制信道。
然而，这种方法有一个缺点，即增加了额外的处理延迟。
由于该方法必须首先控制信道解调，然后进行解码并最终到数据解调。
我们研究细胞OFDM系统可以保证用户之间的正交性，但也使用户之间的细胞内的正常工作。
但它是一点点就不可能实现小区间的多址接入，而CDMA就可以很容易地实现这些要求。
无法实现的多址接入的小区间这是必要的，我们采取额外的措施。
如果我们不采取任何额外措施现有的设计，小区内将面临严重的小区间干扰就会带来一些麻烦。
所以我们有这么多的问题，超前思考，拿出解决方案之前，可能的解决方案包括：
跳频OFDMA，加扰，频率域小区间的协调，干扰消除等[7]。
2.4OFDM技术的应用领域
OFDM由于其频谱利用率高和成本低等原因越来越受到人们的关注，这是不可改变的趋势。
随着人们对通信数据化、个人化和移动化的需求的不断增长，OFDM技术在综合无线接入领域将得到越来越广泛的应用。
在20世纪60年代的时候，OFDM的多路数据传输系统被高频军事通信系统成功应用已经
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