精品基于Simulink的COFDM系统仿真及编码调制分析毕业论文.docx
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精品基于Simulink的COFDM系统仿真及编码调制分析毕业论文
COFDM系统仿真
及其编码调制分析
课程名称：
信息系统软件设计与仿真
摘要：
编码正交频分复用（COFDM）是第四代移动通信的核心技术,它是实现宽带无线通信和多媒体业务发展的基础。
对COFDM技术的基本原理，关键技术以及实现进行了研究，并且通过matlab中的通信仿真系统simulink对COFDM系统进行了模拟和分析，直观和形象地得到了OFDM系统在时域和频域的传输性能，得出的结果表明COFDM系统可以明显地表现出抗多径效应引起的频率选择性衰落和提高了频谱利用率，这一特性使得它能够在高数据传输速率的无线信道中发挥优势。
关键词：
COFDM；SIMULINK；子载波；串并转换
Abstact
COFDMisthekeytechnologyofthe4thgenerationmobilecommunicationsystem.Itisthefoundation
ofimplementofbroadbandwirelesscommunicationandmultimediatechnology.Theprincipleand
implementofCOFDMisresearchedinthepaper.BythesimulationandanalysisofCOFDMusingthe
matlabtoolsimulink,wegetthetransmissionperformanceoftimeandfrequencydomainvisually.The
resultindicatesthatCOFDMcanplayanimportantroleinantifrequencyselectiveFadingledby
multipatheffectandimprovefrequencyspectrumusing.Thisspecialcharactermakesitbecome
superiorintheratewirelesschannel.
Keyword：
COFDM；SIMULINK；sub-carrier；stringandparallelconversion
1引言
COFDM（codedorthogonalfrequencydivisionmultiplexing），既编码正交频分复用的简称，是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。
其基本原理就是将高速数据流通过串并转换，分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。
编码（C）是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式，以适应不同重要性数据的保护要求；正交频分（OFD）指使用大量的载波（副载波），它们有相等的频率间隔，都是一个基本震荡频率的整数倍；复用（M）指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上，形成一个频道。
上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频率作子载波，也就是我们所说的COFDM。
这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。
按照这种设想，COFDM既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。
COFDM是一种特殊的多载波通信方案，单个用户的信息流被串并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发送。
COFDM不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换（FFT）来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。
COFDM技术属于多载波调制（Multi－CarrierModulation，MCM）技术。
有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。
MCM与COFDM常用于无线信道，它们的区别在于：
COFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而MCM，可以是更多种信道划分方法。
COFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。
COFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。
各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。
COFDM技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。
COFDM还采用了功
率控制和自适应调制相协调工作方式。
信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如
64QAM），或者在低调制方式（如QPSK）时降低发射功率。
COFDM技术是HPA联盟（HomePlugPowerlineAlliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。
由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
2COFDM基本原理
COFDM的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同
时进行传输。
对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相
对变小。
当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略。
COFDM符号通带信号可以表示为：
（1）
其中di表示第i路的基带复数据信号，N是子载波数目，T表示符号周期，fc是载波中
心频率。
COFDM信号的基带形式为：
（2）
为了使这N路子信道信号在接收时能够完全分离，要求它们满足正交条件。
在码元持
续时间T内任意两个子载波都正交的条件是：
（3）
根据上式利用三角公式得到：
（4）
整理得到：
（fk+fi）T=m和（fk−fi）T=n，其中m,n为整数
即fk=（m+n）2T和fi=（m−n）2T（5）
即子载波频率要求：
fk=k2T和Δfmin=1T（6）
这样上面的OFDM信号即可以保证任意两个子载波的正交性。
根据已学的知识，我们知道由于多径信道的时延扩展会引起码间干扰（ISI），为了消除码间
干扰，需要在OFDM的每个符号中插入保护时间，只要保护时间大于多径时延扩展，则一
个符号的多径分量不会干扰相邻符号。
保护时间内可以完全不发送信号。
但此时由于多径效
应的影响，子载波可能不能保持相互正交，从而引入了子载波间干扰（ICI）。
为了减小ICI，OFDM符号可以在保护时间内发送循环扩展信号，称为循环前缀（CP）。
循环前缀是将OFDM符号尾部的信号搬移到头部构成的。
这样可以保证有时延的OFDM信
号在FFT积分周期内总是具有整倍数周期。
因此只要多径延时小于保护时间，就不会造成
载波间干扰，从而保证传输的可靠性。
3COFDM系统模型设计与仿真
在OFDM系统设计过程中要确定许多关键参数：
子载波的数目，保护时间，符号周期，
载波间隔，载波的调制方式，前向纠错编码的选择。
其中三个主要的系统要求：
系统带宽、
业务数据速率以及多径时延扩展，包括时延扩展的均方根和最大值。
按照这三个系统参数设
计步骤可以分为三步：
1.确定保护时间2.确定符号周期3.在3dB系统带宽范围内，决定子载波
的数目。
下图是完整的OFDM系统收发传输模型：
上半部分是发射链路，下半部分是接收链路：
4COFDM基于simulink的仿真
COFDM在simulink中的仿真参数
参数
Bernoulligenerator
采样时间：
1.8182e-6s
每帧采样数：
44
RSencoder
类型：
二进制RS码
码字长：
15
信息位长度：
11
调制
类型：
QAM
元数：
4、16、64
频偏：
π4
增益：
10.75
OFDM调制，加
循环前缀
64个子载波
瑞利信道
多普勒频移：
200Hz
采样时间：
8e-5180s
AWGN
EsN0：
28dB
信号功率3.3471e-5
符号周期：
80e-6s
误码表1
接收延迟：
22
输出数据：
port
误码表2
接收延迟：
30
输出数据：
port
示波器
时间范围：
3.0e-4
轴数：
2
频谱仪
缓存数：
90缓存交叠：
0
FFT长度：
1024平均数：
16
星座图
每符号取样：
1
偏置：
0
显示点：
100
新迹：
50
模拟配置
结束时间：
1s
解决器：
ode45
类型：
变步长
COFDM系统模块图中，各模块的具体内部结构及参数解释如下表所示
Probabilityofazero:
[0.5]
Sampletime:
16e-5442
Sampleperframe:
44
N:
15
K:
11
Outputbuffersize:
60
QPSKMapping内部结构图
Inputtype:
Bit
Constellationordering:
Gray
Phaseoffset:
pi4
Gain:
10.75
Training内部结构图
Generatorpolynomial:
[1000011]
Initialstates:
[000001]
Sampletime:
16e-5231
Sampleperframe:
31
M-arynumber:
2
OFDMModulator内部结构图
Indicestooutput:
{1:
15,16:
30}
Numberofinput:
3
Numberofinput:
2
Padsignalat:
End
Padalong:
Columnsandrows
Specifiednumberofoutputrows:
64
Inputtype:
Matrix
Indexmode:
One-based
Rows:
[16:
64,1:
15]
Twiddlefactorcomputation:
Tablelookup
Inputtype:
Matrix
Indexmode:
One-based
Rows:
[39:
64,1:
64]
TrainingInsertion内部结构图
Select:
Columns
Indicestooutput:
{1,2}
Numberofinput:
2
Outputsignal:
Frame-based
PS内部结构图
Initialconditions:
0
Output:
Realandimage
Initialseed:
32965
Mode:
Signaltonoiseratio（EsNo）
EsNo:
28
Inputsignalpower:
30（5.5e5*1115*2.4）*1.08
Symbolperiod:
80e-6
SP内部结构图
Outputbuffersize:
180
Output:
Realandimage
TrainingSeparation内部结构图
Indicestooutput:
{91:
180,1:
90}
Numberofinput:
2
OFDMDemodulator内部结构图
Inputtype:
Matrix
Indexmode:
One-based
Rows:
[27:
90]
Twiddlefactorcomputation:
Tablelookup
Inputtype:
Matrix
Indexmode:
One-based
Rows:
[50:
64,1:
16]
Outputsignal:
Frame-based
Select:
Columns
Indicestooutput:
{1,2}
ChannelEstimator内部结构图
Steptime:
16e-52
Sampletime:
16e-52
Generatorpolynomial:
[1000011]
Initialstates:
[000001]
Sampletime:
16e-5231
Sampleperframe:
31
M-arynumber:
2
Function:
reciprocal
Outputdatatypemode:
Sameasfirstinput
Roundintegercalculationstoward:
Floor
Outputsignal:
Frame-based
Numberofinput:
2
Outputsignal:
Frame-based
Function:
reciprocal
Outputdatatypemode:
Sameasfirstinput
Roundintegercalculationstoward:
Floor
Outputsignal:
Frame-based
ChannelCompensation内部结构图
Inputtype:
Matrix
Indexmode:
One-based
Rows:
[1:
15,17:
31]
Numberofinput:
2
Outputsignal:
Frame-based
RemoveZero内部结构图
Inputtype:
Matrix
Indexmode:
One-based
Rows:
[1:
15,17:
31]
QPSKDemapping内部结构图
Gain:
0.75
Inputtype:
Bit
Constellationordering:
Gray
Phaseoffset:
pi4
Function:
round
N:
15
K:
11
SERCalculation内部结构图
Inputtype:
Bit
Constellationordering:
Gray
Phaseoffset:
pi4
Receivedelay:
22–beforeRSencoder
30–afterRSencoder
Buffersize:
90
Bufferoverlap:
0
Windowtype:
Hann
FFTlength:
1024
Numberofspectralaverages:
16
Frequencyrange:
[-Fs2…Fs2]
Samplespersymbol:
1
Pointdisplayed:
100
Newpointperdisplay:
50
4COFDM系统仿真结果
整个系统的流程为：
产生二进制数据→经过RS编码→调制→COFDM系统基带信号调制并加入循环前缀→插入保护间隔→并串变换→多径瑞利衰落信道→高斯信道→串并变换→删除保护间隔→COFDM系统基带信号解调并删除循环前缀→进行信道估计→进行信道补偿→0删除→解调→RS译码→误码率计算
在本课程设计中，通过仿真论证了COFDM系统抗多径干扰的性能，我主要分析添加RS编码和调制对系统性能的影响。
采用上述系统仿真，设置仿真时间为1s，用示波器观察COFDM基带信号波形图，如下图所示：
发射器输出的COFDM基带信号波形
（图形上方是实部波形，下方是虚部波形）
接收器输出的COFDM基带信号波形
（图形上方是实部波形，下方是虚部波形）
为了验证仿真结果的正确性，使用频谱仪画出了COFDM信号的归一化功率谱图如下图所示：
发射器（左）和接收器（右）输出信号功率谱
（瑞利信道多普勒频偏为200Hz）
COFDM符号的功率谱密度为个子载波上信号的功率谱密度之和
对上式分析发现，当增大时，内幅频特性会更加平坦，边缘会更加陡峭，因此能逼近理想的低通滤波器。
我们将此结论与实验系统仿真观察到的现象进行进行比较，发现这与所得归一化功率密度谱图吻合。
由此可以判断建立的仿真系统是正确的。
将误码率分析模块放大后的图如下（多普勒频偏为200Hz）：
当我们将瑞利信道的多普勒频偏设置为100Hz时，编码后与未经编码后的误码率如下图所示：
从图中我们可以看到，当瑞利信道多普勒频移为100Hz时，整个COFDM系统的误码率比多普勒频移为200Hz时的要小。
同理可仿真出对瑞利信道多普勒频偏为500Hz时系统误码率情况如下图所示：
显然，当多普勒频偏为500Hz时，系统的误码率更大，由此可得结论：
在相同条件下，瑞利信道多普勒频偏越大，整个系统的误码率越大。
在采用4QAM的的COFDM仿真系统中，设置瑞利信道的多普勒频偏为200Hz，设置仿真时间为1秒，采用RS编码后收到108个错误码元，误码率为为编码后的误码率仅为未经编码的误码率的0.1610。
由特殊推导出一般，分析其他不同瑞利信道多普勒频偏时的误码率情况，发现不管多普勒频偏如何，经过编码后的误码率要低于不经编码的误码率。
经过RS编码的系统误码率情况
100Hz
200Hz
500Hz
错误码元个数
23
108
1503
SNR（误码率）
8.364e-5
0.005465
未经过RS编码的系统误码率情况
100Hz
200Hz
500Hz
错误码元个数
313
671
2988
SNR（误码率）
0.001789
0.007968
由以上分析可知，加入RS编码对系统的抗误码性能有着极大地改善，同时，当瑞利信道多普勒频偏较大时，系统的误码性比较高，使用RS编码并不能很好的改善系统的抗误码性能。
RS编码对不同高斯白噪声信噪比系统的改进
（仿真时间设置为0.5秒）
信噪比
误码率
（经过RS编码）
误码率
（未经RS编码）
错误码元个数
（经过RS编码）
错误码元个数
（未经RS编码）
42DB
4.364e-5
6
55
40DB
4.364e-5
0.000304
6
57
38DB
4.364e-5
6
65
36DB
5.091e-5
0.0004
7
75
34DB
7.273e-5
10
82
32DB
5.091e-5
7
92
30DB
8e-5
0.000656
11
123
28DB
7.727e-5
12
172
26DB
0.001291
15
242
24DB
0.001941
27
364
22DB
0.002832
54
531
20DB
0.001156
0.004293
159
805
18DB
0.002596
0.006603
357
1238
16DB
0.005793
0.01047
791
1963
14DB
0.01051
0.01584
1445
2970
12DB
0.01916
0.02494
2635
4677
10DB
0.03364
0.03845
4626
7209
8DB
0.05757
0.05988
7916
11230
6DB
0.0926
0.09129
12730
17120
4DB
0.1372
0.135
18860
25320
2DB
0.1958
0.1923
26930
36050
0DB
0.2687
0.2618
36950
49080
使用M文件和已测的实验数据，可以绘出RS编码与未经RS编码误码率比较图，这样可以直观地看出它们的区别：
从直接画出的误码率图可看出，由于误码率的值比较小，画出的两条线接近重合，很难看出区别，故转化成分贝图进行比较，画出的图如下图所示：
将误码率转换成分贝的误码率图
对以上不同高斯白噪声信噪比系统的改进所得到的数据表格表格可知，总的来说高斯白噪声信噪比越高，系统的抗误码性越高，这与理论知识相吻合。
当信噪比低于一定值时，误码率相当大，增加RS编码并不能改善系统的性能，反而增加了设备的复杂度，增加成本，所以尽量不要在信噪比很低的情况下传输数据。
随着信噪比的提高，系统的误码率下降很快，加上RS编码后抗误码性能更好。
由已测的数据可以看出，当高斯白噪声的信噪比超过36DB时，RS编码基本上不再提高系统的抗误码能力，因此当高斯白噪声的信噪比比较高时，可以考虑不使用RS编码模块，这样可降低通信设备的复杂度，同时还可以节省成本。
目前除了使用RS编码外，目前较好的编码方式还有卷积编码、TCM编码、LDPC编码等。
其中LDPC编码在衰落信道中的优良性能，将更大程度上提高COFDM系统的差错性能，是目前学术界非常热门的一个课题。
5COFDM系统中不同调制方式的分析比较
COFDM系统仿真可以采用多种调制方式，在本课程设计中分析了4QAM、16QAM、64QAM调制方式。
QAM是适用于COFDM系统中的一种调制方式。
QAM（QuadratureAmplitudeModulation，正交幅度调制），是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输的数字信号调制方式。
该调制方式通常有二进制QAM（4-QAM）、四进制QAM（16-QAM）、八进制QAM（64-QAM）等。
QAM是一种矢量调制，将输入比特先映射到一个复平面（星座）上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部，也就是水平和垂直方向）采用幅度调制，分别对应调制在相互正交（时域正交）的两个载波（和）上。
这样与幅度调制（AM）相比，其频谱利用率将提高1倍。
QAM是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小距离相同的条件下可实现更高的频带利用率，QAM最高已达到1024-QAM。
样点数目越多，其传输效率越高。
例如具有16个样点的16-QAM信号，每个样点表示一种矢量状态，16-QAM有16态，每4位二进制数规定了16态中的一种状态，16-QAM中规定了16种载波和相位的组合，16-QAM的每个符号和周期传送4比特。
下面分析各种调制方式的模型及仿真数据
采用4QAM调制的C
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