基于matlab的ofdm系统仿真.docx

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基于matlab的ofdm系统仿真

摘要

正交频分复用（OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一种特殊的多载波方案,它可以被看作一种调制技术,也可以被当作是一种复用技术｡选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰｡OFDM由于其频谱利用率高,成本低等原因越来越受到人们的关注｡

本次毕业设计是利用MATLAB对OFDM进行仿真｡仿真实验是掌握系统性能的一种有效手段,它通过对仿真模型的实验结果来确定（或推断）实际系统的性能,从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考｡

论文介绍了OFDM技术的研究意义和背景及发展趋势,还有其主要技术和对其的仿真｡具体如下:

首先介绍了OFDM的历史背景､发展现状及趋势､研究意义和研究目的及研究方法和OFDM的基本原理､基本模型､OFDM的基本传输技术及其应用,然后介绍了本课题所用的仿真工具软件MATLAB,并对其将仿真的OFDM各个模块包括信道编码､交织､调制方式､快速傅立叶变换及无线信道进行介绍,最后是对于OFDM的流程框图进行分析和在不影响研究其传输性的前提下进行简化,并且对其仿真出来的数据图形进行分析理解｡

关键词：

复用技术；仿真；快速傅立叶变换；信道编码ABSTRACTOfdmisaspecialkindofthecarrier,itcanberegardedasoneofmodulationtechnique,alsoakindofmultiplexingtechnology.Oneofthemainreasontochooseofdmisthatthesystemwillbeavailableagainstfrequencyselectivefadingornarrow-bandinterference.Becauseofitshighfrequencyspectrumutilization,ofdmgetattentionofpeopelincreasingly.

Thisgraduationdesignisusingmatlabtocarryoutsimulatedofdm.Simulationexperimentisaeffectivemeanofgraspthesystemperformance.Byexperimentalresultofmulationmodeltodetermineordeducethatthesystemperformancethenasthereliablereferencefortheestablishmentofthenewsystemandimprovmentofoldsystem.Paperintroducesstudyimplications,developmenttrendandthebackground,andthemaintechnologyandthesimulation.Accessoriesdetailsasfollow:

Firstlyitintroducedthehistoricalbackground,developmenttrendandsituation,researchmethodsandpurposeofstudy,thebasicprinciple,thebasicmodel,basictransporttechnologyandapplicationsofofdm.Thenintroducingasubjectofemulationsoftwaretoolscalledmatlabandtellingeachmoduleincludecodemodulation,thechannelwitharapidlychangingfourierintroduced,andradiochannelsofsimulatedofdm.Last,weanalysetheflowblockdiagraminfertoofdmandsimplifyitontheassumptionthatitdoesnoteffecttransmissionperformance,thentoanalyzesimulateddatagraphic.

Keywords:

multiplexingtechnology;simulation;fastfouriertransform;channelencoding

1绪论---------------------------------------------------------------------------------2

1.1研究OFDM的意义及背景----------------------------------------------------2

1.2OFDM系统的发展现状-----------------------------------------------------------3

1.3OFDM的发展趋势-----------------------------------------------------------------3

1.4本文的主要工作-------------------------------------------------------------------3

2OFDM传输技术-----------------------------------------------------------------------------4

2.1OFDM基本模型---------------------------------------------------------------------4

2.2基于DFT的OFDM信道估计-----------------------------------------------------4

2.3OFDM的技术特点-------------------------------------------------------------------5

2.3.1抗多径衰落----------------------------------------------------------5

2.3.2循环前缀------------------------------------------------------------5

2.3.3同步技术------------------------------------------------------------5

2.3.4OFDM的主要缺点-----------------------------------------------------5

2.3.5OFDM技术的应用------------------------------------------------------5

3移动通信系统仿真平台------------------------------------------------------------6

3.1MATLAB简介---------------------------------------------------------------------6

3.2OFDM仿真平台---------------------------------------------------------------------8

3.2.1信道编码------------------------------------------------------------8

3.2.2交织----------------------------------------------------------------8

3.2.3调制方式------------------------------------------------------------8

3.2.4快速傅立叶变换-----------------------------------------------------8

3.2.5无线信道-----------------------------------------------------------8

3.3OFDM系统参数选择---------------------------------------------------------------9

4基于MATLAB的OFDM系统仿真-----------------------------------------------------14

4.1OFDM传输系统原理---------------------------------------------------------14

4.2OFDM原理简化--------------------------------------------------------------------14

4.3对程序的分析--------------------------------------------------------------------14

4.3.1初始化设置----------------------------------------------------------14

4.3.2发送部分------------------------------------------------------------14

4.3.3信道部分-----------------------------------------------------------14

4.3.4接收部分------------------------------------------------------------14

4.4仿真结果及分析----------------------------------------------14

5结论----------------------------------------------------------------------------------------20

致谢----------------------------------------------------------------------------------------------21

参考文献----------------------------------------------------------------------------------------22附录---------------------------------------------------------------------------------------------

1绪论

1.1研究OFDM的意义和背景

现代通信的发展是爆炸式的。

从电报、电话到今天的移动电话、互联网，人们从中享受了前所未有的便利和高效率。

从有线到无线是一个飞跃，从完成单一的话音业务到完成视频、音频、图像和数据相结合的综合业务功能更是一个大的飞跃。

在今天，人们获得了各种各样的通信服务，例如，固定电话、室外的移动电话的语音通话服务，有线网络的上百兆bit的信息交互。

但是通信服务的内容和质量还远不能令人满意，现有几十Kbps传输能力的无线通信系统在承载多媒体应用和大量的数据通信方面力不从心:

现有的通信标准未能全球统一，使得存在着跨区的通信障碍;另一方面，从资源角度看，现在使用的通信系统的频谱利用率较低，急需高效的新一代通信系统的进入应用。

目前，3G的通信系统己经进入商用，但是其传输速率最大只有2Mbps，仍然有多个标准，在与互联网融合方面也考虑不多。

这些决定了3G通信系统只是一个对现有移动通信系统速度和能力的提高，而不是一个全球统一的无线宽带多媒体通信系统。

因此，在全世界范围内，人们对宽带通信正在进行着更广泛深入的研究。

1.2OFDM系统的发展现状

OFDM调制技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用率开辟了一条新的路径，首先应用于军事通信系统中，但因其设备结构复杂，限制了进一步的发展。

20世纪70年代，人们提出了采用离散傅立叶变换（DFT），快速傅立叶变换（FFT）实现多载波调制，使OFDM的实际应用成为可能。

20世纪80年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了FFT的问题，随着DSP芯片技术的发展，格栅编码（TrellisCode）技术的应用，OFDM开始向实际应用转化。

20世纪90年代，OFDM开始应用于广播信道的宽带数据通信，数字音频广播（DAB），高清晰度数字电视（HDTV）和无线局域网（WLAN）等。

此外，还由于其具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，也被看作第4代移动通信的核心技术之一。

1.3OFDM的发展趋势

在未来的宽带接入系统中，OFDM会是一项基本技术。

宽带无线接入系统是针对微波及毫米波段中新的空中接口标准，它具有速率高，抗干扰性强等特点，能支持无线多媒体通信，适用于商务大楼，热点地区及家庭用户的宽带接入。

IEEE802.16工作组专门负责BWA方面的技术工作，开发了2~11GHzBWA的标准IEEE802.16a，物理层采用的就是OFDM技术。

1.4本文的主要工作

本文从提高无线远距离移动传输系统对抗多径和多普勒频移的性能角度出发，研究了无线远距离移动通信系统中的OFDM调制技术应用。

给出了OFDM无线远距离移动通信系统发送和接收的实现设计框图。

并在matlab仿真环境下，利用matlab语言模拟OFDM信号的实际数据流程，编写了整个OFDM调制解调系统的仿真程序，对OFDM系统进行了算法仿真。

本文的工作重点是对OFDM解调系统中信道估计方法的研究。

因此，本文首先从对无线远距离移动通信信道存在的特性分析出发，确定了本文所要研究的无线远距离移动通信系统的信道模型。

在此基础上，对信道估计的各种算法做了理论上的比较分析，确定了本文所研究的OFDM系统的信道估计方式。

然后在matlab仿真环境下，用Simulink模块搭建了多径信道模型用来对信道传输性能进行仿真。

根据仿真结果确定了信道估计的各个参数。

并给出了仿真的误码率值，对系统的设计效果进行了检验分析。

最后，本文还介绍了OFDM调制子系统其它模块：

IDFT/DFT调制解调、同步定时等模块的原理和实现方法，给出了各个模块具体算法的比较分析，并综合性能和成本的考虑，从中选择出了适合于本文所讨论的无线远距离移动通信系统的设计方案。

2OFDM传输技术

2.1OFDM的基本模型

正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex）是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。

它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。

由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。

近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。

图是OFDM基带信号处理原理图。

其中，（a）是发射机工作原理，（b）是接收机工作原理。

当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。

如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。

当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。

在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。

在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。

当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。

当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。

对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。

2.2基于DFT的OFDM信道估计

基于DFT的信道估计算法利用了OFDM系统的一个特性，即信道冲击响应（CIR）的长度

通常情况下小于循环前缀的长度

。

因此如果把频域信道估计转化到时域，可以通过把N>

时的信道响应值置零的方法，来消除噪声的影响。

下面给出算法的具体步骤。

首先对LS信道估计

作IDFT变换，得到时域的信道估计：

由于CIR的长度不大于OFDM循环前缀的长度

，所以n>

-1时的

应为干扰噪声，不含任何信道信息，因此把n>

-1时的估计值置0，其余值不变，可以得到去噪后的信道估计：

然后去噪后的CIR估计做DFT变换重新得到信道的频域估计：

基于DFT的信道估计第k个子载波上的MSE为：

由以上基于DFT信道估计算法的过程可见，该算法只去除了CIR估计中循环前缀长度以外的干扰噪声，而，l≤

一1时的CIR估计所含噪声没有得到抑制。

由此可见，基于DFT的信道估计算法性能还有提高的余地。

2.3OFDM的技术特点

2.3.1抗多径衰落

由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。

相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽（如20MHz）。

2.3.2循环前缀

OFDM传输系统中，为了克服信道的多径干扰，消除码间串扰ISI，更好地解调，采用循环前缀保护间隔技术，插入循环前缀（CyelicPrefix）的方法就是在每个符号块前加入一定长度的该符号后段的重复数值，其实现如图2：

当所插入的保护间隔时间长度

大于最大时延间隔扩展时间

，则所有的时延小于

的多径信号均不会延长到下一个码元，从而有效地消除了符号间串扰ISI。

此时的码元宽度为

则OFDM信号的频谱利用率将降至原来的

.保护间隔的使用，使得数据传输效率降低了，但子波间的正交性并未受到破坏。

2.3.3同步技术

众所周知，OFDM系统对于载波频偏和相位噪声非常敏感。

在OFDM系统链路中仅当发送机和接收机使用完全相同的载波频率时，各个子载波才是正交的。

任何一点频率偏移都会导致载波间干扰ICI。

类似的问题是相位噪声。

在实际中，振荡器不可能提供具有完全单一确定值的载波频率，而总是带有随机相位抖动，因此它的频率不是恒定的，也会导致ICI。

另一方面，OFDM接收端还要解决定时错误的问题。

这包括码元同步和采样时钟同步两个方面。

码元同步是为了找到FFT窗的正确位置，如果码元定时起点落到了保护间隔之外，就会引起码间干扰ISI，破坏子载波间的正交性；采样时钟同步是为了对齐收发两端的采样时钟，采样时钟频率错误会导致ICI的产生，还会引起码元定时的偏移，恶化码元同步问题。

可见，在以OFDM为传输方式的系统中，同步是整个系统能否正常工作的关键。

OFDM系统对于同步要求十分严格，主要包括载波频率同步和定时恢复两大方面。

在突发传输系统中，还要包括帧同步，来确定帧的起点。

载波频偏误差直接破坏子载波的正交性，定时同步误差、载波相位误差都导致符号星座点的旋转、扩散。

首先，我们来分析各种同步误差给系统性能带来的影响。

1）码元定时误差

令码元定时错误

，其中，

表示OFDM码元中有用部分的第一个采样点位置，

表示码元定时估计值，并且以上三个值都经过采样间隔T的归一化。

由于保护间隔的存在，在一定范围内不会因为信道的多径效应产生码间干扰。

只要FFT在这个间隔内开始，就能保证正交性。

落在保护间隔内的码元定时误差只会导致每个子载波码元的相位旋转：

但是如果FFT的开始时刻不在保护间隔内，码间干扰就会破坏子载波的正交性。

此时，解调器的输出可以表示为：

其中由于ISI引起的ICI可以归结为一个附加的噪声量

。

可见，码元的定时同步必须非常精确，使得

比高斯噪声

小很多。

否则就需要采用一个更长保护间隔的传输机制，但这样就会减小系统的吞吐量。

2）采样时钟误差

采样时钟误差主要来自两个方面，时钟的相位误差和时钟的频率误差。

时钟相位误差的影响与码元定时误差的类似，即会产生某种相位的旋转。

但时钟频率的误差就会产生ICI。

如果我们定义归一化的采样频率误差为：

β=（T'−T）/T，则有：

其中

是采样时钟频率误差归结的加性噪声量，其方差为：

当

时，

就可以忽略不计。

同时，我们必须注意到，采样时钟的频率误差会导致OFDM信号的定时漂移。

对于OFDM通信系统的同步问题，有很多方法可以解决。

可以利用OFDM符号本身具有的循环前缀，也可以利用在信号中插入特殊的训练字符——前导字和导频信号来获得同步信息。

插入前导字和导频的方式也各有不同。

还有文章提出利用对OFDM时间信号两倍过抽样，然后分别对偶数位和奇数位的抽样进行FFT计算，得到序列1kz和2kz。

接收机计算

，则频偏的整数部分由序列

的符号决定，剩余的频偏量也可以根据

计算出来。

但是，采取这样的方法，要获得稳定的同步，需要对大量的OFDM数据组取平均。

因此，不适合突发模式传输系统的同步检测。

1）利用循环扩展进行同步

因为加了循环前缀，每个OFDM符号的前

秒部分和其末尾的

秒部分是完全一致的。

可以利用这一性质来对OFDM系统做定时和频偏同步。

将信号中长为

秒的部分符号同延时T秒后的同样长的部分符号做相关。

根据相关的结果来做定时和频偏估计。

具体实现框图如图。