正交频分复用OFDM的研究与仿真毕业设计.docx

正交频分复用OFDM的研究与仿真毕业设计.docx

《正交频分复用OFDM的研究与仿真毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《正交频分复用OFDM的研究与仿真毕业设计.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

正交频分复用OFDM的研究与仿真毕业设计

本科毕业设计论文

题目正交频分复用（OFDM）的研究与仿真

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

摘要

正交频分复用（OFDM），实际上是多载波调制（MCM）的一种。

其主要思想是：

将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰落信道，从而可以消除符号间干扰。

论文首先介绍了无线通信的发展历程和OFDM的研究状况，接着讲述了OFDM和QAM的基本原理，最后通过对OFDM和QAM系统的输入输出信号波形及频谱比较分析得出结论。

结论表明，多载波OFDM技术的传输性能优于单载波QAM技术。

关键词：

正交频分复用；多载波调制；OFDM和QAM基本原理；波形及频谱分析

ABSTRACT

Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing（OFDM）,isactuallyakindofmulti-carriermodulation（MCM）.Themainideacontainsthatthechannelisdividedintoanumberoforthogonalsub-channels,thehighspeeddatasignalisconvertintoparallellowspeeddatastreamswhicharemodulatedontosub-channelsfortransmission.Orthogonalsignalsatthereceivingendareseparatedfromeachotherwithcorrelationtechnologies,thusreducingtheInter-ChannelInterference（ICI）.Thesignalbandwidthoneachsub-channelislessthanontherelevantchannel,soeachsub-channelcanbeseenasaflatfadingchannelwhichcaneliminateinter-symbolinterference.Thisthesis,firstlyintroducesthedevelopmentofwirelesscommunicationcourseandthestudystatusofOFDM,thendescribesthebasicprincipleofOFDMandQAM,atlastwithanalysisingtheOFDMandQAMsysteminputandoutputsignalofwaveformandspreadspectrum，comestoaconclusionthattheperformanceofmultiplecarrierOFDMtechnologyisbetterthanthesinglecarrierQAMtechnology.

Keywords：

OFDM；MCM；basicprincipleofOFDMandQAM；theanalysisofwaveformandspreadspectrum

1.绪论……………………………………………………………………5

1.1无线通信的发展历史与现状……………………………………5

1.2无线信道的传播特性……………………………………………6

1.2.1快衰落……………………………………………………………6

1.2.2慢衰落…………………………………………………………7

1.3OFDM研究现状及前景…………………………………………7

2.OFDM系统的基本原理……………………………………………8

2.1OFDM基本原理……………………………………………………8

2.1.1OFDM信号的产生………………………………………………8

2.1.2用FFT实现OFDM……………………………………………9

2.2OFDM优缺点……………………………………………………10

2.2.1OFDM优点………………………………………………………10

2.2.2OFDM缺点………………………………………………………10

3.QAM系统基本原理………………………………………………11

3.1QAM调制原理…………………………………………………11

3.2QAM解调原理…………………………………………………11

4.OFDM的多载波调制技术性能研究………………………12

4.1文本文档………………………………………………………12

4.1.1文本文档信号波形…………………………………………12

4.1.2文本文档信号频谱分析……………………………………14

4.2音频文档………………………………………………………15

4.2.1音频文档信号波形………………………………………15

4.2.2音频文档频谱分析………………………………………16

5.全文总结……………………………………………………18

参考文献…………………………………………………………19

1绪论

1.1无线通信的发展历史与现状

现代移动通信已经走过了三代，第四代移动通信正处于研究与试用中。

第一代移动通信系统属于模拟系统，主要采用频分多址技术FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）。

虽然模拟移动通信系统投入运行以来,其用户虽迅速增长,但对经济发达国家和地区,存在很多不足之处,主要表现在以下几点:

（1）频谱利用率低，系统容量受限制；

（2）提供业务种类非常有限，不能满足信息化时代的需求；（3）系统设备价钱高,手机体积大,电池充电后有效工作时间短,给用户带来不便；（4）系统安全性能差，容易出现号码被窃听、盗用等情况。

解决上述问题的最有效办法就是采用一种新技术,即移动通信的数字化,称为数字移动通信系统。

第二代移动通信系统属于数字系统，主要采用时分多址技术TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）或者是窄带码分多址CDMA技术（CodeDivisionMultipleAccess）。

其中，GSM系统是由欧洲提出的二代通信标准，CDMA移动通信技术是由美国提出的第二代移动通信系统标准。

数字移动通信系统有以下有点：

（1）随着语音编码调制的应用，传输效率有了很大提高；

（2）业务种类有一定的扩展，声音、数据和传真可集成在一个系统中也可以利用ISDN的各种附加业务；（3）加密、鉴权算法应用，系统安全有所改善。

第三代移动通信系统，目前国际电联公开的3G标准有三个：

欧洲和日本共同提出的WCDMA、美国以高通公司为代表提出的CDMA2000以及中国以大唐集团为代表提出的TD-SCDMA，这三种标准无一例外的都采用了CDMA这一核心技术。

3G的主要特点有：

（1）具有高速和多种速率传输能力,在广域覆盖下的最高速率达384Kbps，本地覆盖下的最高速率为2048Kbps；

（2）实现全球覆盖和全球无缝漫游；（3）多媒体应用能力，多种业务能力和多种终端的支持；（4）具有很高的兼容性、灵活性和安全性。

第四代移动通信系统，目前正处于研究与商用推广阶段，以OFDM为核心技术，主要特点有：

（1）传输速率大大提高，达到100Mbit/s；

（2）发射功率大大降低；（3）支持高速移动通信环境；（4）支持更丰富的业务，包括高清视频、会议电视等。

1.2无线信道的传播特性

空间中电波的传播由于阻挡、距离等多种因素使得其必然存在传播损耗，移动台接收信号的强度随移动台的运动产生随机变化，即衰落。

这种变化的周期从几分之一秒至几小时不等。

因此移动通信电波传播中的衰落又常分为慢衰落和快衰落两种，其中，接收信号强度曲线的中值呈现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。

1.2.1快衰落

快衰落（也称短期衰落或多径衰落）指的是接收信号强度随机变化较快，具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。

有两种效应都会导致这种信号幅度快速波动。

第一种称为多径衰落它是由于沿不同路径到达的信号相加而产生的。

第二种称为多普勒效应，它是由于移动终端朝着或背向基站发送器运动而产生的。

多径衰落：

无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等,从而使电波沿着各种不同的路径传播,这称为多径传播。

多径传播使得接收端接收到的信号是在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号,不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。

这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落，称为多径衰落，或称多径效应。

多径效应会产生信号的时延扩展和频率选择性衰落现象。

所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径，路径长度不同，且传输路径随移动台的运动而不断变化，因而可能导致发射端一个较窄的脉冲信号，在到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。

在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰（ISI）。

为了避免码间串扰，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展，或者等效地说码元速率Rb小于时延扩展的倒数。

所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机的响应。

由于信号中不同频率分量衰落不一致，因此衰落信号波形将产生失真。

多普勒频移效应：

多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高,而在波源远离观察者时频率变低。

多普勒效应会引起接收功率谱的展宽，称为多普勒频展。

用FD表示多普勒频展的宽度，将其倒数定义为相关时间：

，相关时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落在时域具有选择性，称为时间选择性衰落。

对于移动信道

当发送信号的持续时间T>Tc，则会产生时间选择性衰落，快衰落；

当T

当T<

时间选择性衰落对数字信号的误码性能有明显影响，为了减少其影响，要求码元速率远大于衰落节拍的速率。

1.2.2慢衰落

慢衰落指的是接收信号强度随机变化缓慢，具有十几分钟或几小时的长衰落周期。

慢衰落产生的原因：

障碍物阻挡电磁波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落。

主要受地形地物的影响。

天气变化、障碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等有关。

1.3OFDM研究现状及前景

OFDM技术的应用始于20世纪60年代，主要用在军事通信中，其结构复杂限制了进一步推广。

70年代韦斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT）研制了一个完整的多载波传输系统，OFDM技术开始走向实用化。

近些年来，随着集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展，以及对无线通信高速率要求的日趋迫切，OFDM技术再次受到了重视。

进入90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频和单边带（SSB）信道进行高速数据通信，陆地移动通信，高速数字用户环路（HDSL），非对称数字用户环路（ADSL）及高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统。

1999年，IEEE802.lla通过了一个SGHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达54MbPs。

这样，可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。

这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。

欧洲电信组织（ETsl）的宽带射频接入网的局域网标准HiperiLAN2也把OFDM定为它的调制标准技术。

为了满足未来宽带无线通信的需求，人们在加紧实现3G系统商业化的同时，也开始了4G的研究。

在宽带无线接入系统中，OFDM是一项基本技术，由于该系统的优良性能，将成为下一代蜂窝移动通信网络的无线接入技术。

目前许多大公司机构纷纷开展了对OFDM的研究，解决了同步、峰均功率比高等一系列难题，同时还提出了OFDM与CDMA、空时编码、MIMO技术结合的方案，对这些方面的研究必将有着更广泛地发展前景。

2.OFDM系统的基本原理

2.1OFDM基本原理

2.1.1OFDM信号的产生

正交频分复用（OFDM）是多载波调制（MCM）技术的一种。

MCM基本思想是把数据流串并变换为N路速率较低的子数据流，用它们分别去调制N路子载波后再并行传输。

因子数据流的速率是原来的1/N，即符号周期扩大为原来的N倍，远远大于信道的最大延迟扩展，这样MCM就把一个宽带频率选择信道划分成了N个窄带平坦衰落信道，从而具有很强的抗多径衰落和抗脉冲干扰能力，特别适合高速无线数据传输。

OFDM选择时域相互正交的子载波，它们虽然在频域相互混叠，却能在接收端被分离出来。

OFDM系统框图如下图2-1所示。

图2-1OFDM系统框图

一个OFDM符号内包含多个经过相移键控（PSK）或者正交振幅键控（QAM）的子载波。

OFDM符号可以表示为：

s（t）=

（2-1）

式中N为子载波的个数；T为OFDM符号周期；

为分配给每个信道的数据符号；

为第i个子载波的频率；rect（t）为矩形函数，rect（t）=1,

。

对式（2-1）的第j个子载波进行解调，然后在时间长度T内进行积分，即

由上式可知，对第j个子载波进行解调可以恢复出期望的符号，而对其他子载波来说，由于在积分间隔内，频率差别（i-j）/T可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零。

2.1.2用FFT实现OFDM

当N较大时，式（2-1）可采用离散逆傅里叶变换（IDFT）来实现。

OFDM信号可写成

抽样信号

利用N点DFT可以计算出信号的第k个频谱分量为

式中

—第k个频谱分量；

—抽样信号，n=0,1,2,…,N-1;

=

/N—DFT的分辨率。

多载波调制系统的调制可由IDFT完成，解调可由DFT完成，而IDFT和DFT都可以采用高效的FFT来实现。

2.2OFDM优缺点

2.2.1OFDM优点

OFDM技术的提出，有诸多优点：

OFDM使用正交的子载波作为子信道，极大地提高了频谱利用率；

把高速的数据流进行串/并转换，消除了ISI造成的干扰，提高系统性能；

每路子载波的调制制度可以不一样，可以自适应地改变调制体制以适应信道特性的变化；

OFDM易于与空时编码、分集、智能天线等技术结合，最大限度提高信息传输的可靠性。

2.2.2OFDM缺点

OFDM同时也主要存在着两大缺点：

对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感。

对频偏和相位噪声比较敏感。

OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。

频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1％的频偏就会使信噪比下降30dB。

因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。

信号峰值功率和平均功率的比值较大，这将会降低射频功率放大器的效率。

功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。

与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。

对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。

当然这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。

高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。

3.QAM系统基本原理

3.1QAM调制原理

正交振幅调制（QAM）是一种振幅和相位联合键控。

16QAM信号产生方法主要有两种。

第一种是正交调幅法，即两路独立的正交4ASK信号叠加，形成16QAM信号。

第二种是复合相移法，它用两路独立的QPSK信号叠加，形成16QAM信号。

下面介绍正交调幅法。

16QAM调制器

图中串/并变换器将速率为Rb的二进制码元序列分为两路，速率为Rb/2。

2-4电平变换将Rb/2的二进制码元序列变成速率为Rs=Rb/log216的4个电平信号，4电平信号与正交载波相乘，即完成正交调制，两路信号叠加即产生16QAM信号。

3.2QAM解调原理

16QAM信号采用正交相干解调。

两路信号中的一路与cos

t相乘，另一路与sin

t相乘。

然后经过低通滤波器滤除高频分量，经抽样判决后即可恢复出电平信号。

16QAM正交相干解调

4.OFDM的多载波调制技术性能分析

4.1文本文档

4.1.1文本文档信号波形

文本文档信息分别经过OFDM调制和QAM调制，OFDM调制系统的输入信号和恢复信号波形基本一致，而QAM调制系统的输入信号与恢复信号波形有一定的差别。

这表明在传输高速的数据信息流时，OFDM调制系统能在对抗码间干扰方面性能优于QAM调制系统。

4.1.2文本文档信号频谱分析

通过FFT对信号进行频谱分析，信道对OFDM信号的影响很小，而对QAM信号影响较大，在0.25处衰减作用明显。

这表明OFDM能有效对抗信道的衰落效应。

文本文档仿真结果显示：

OFDM:

BER=0%Numberoferrorbits=0

QAM:

BER=23.9%Numberoferrorbits=996。

该数据充分说明OFDM系统性能优于QAM系统。

4.2音频文档

4.2.1音频文档信号波形

音频文档信息分别经过OFDM调制和QAM调制，OFDM调制系统的输入信号和恢复信号波形基本一致，干扰较小。

而QAM调制系统的输入信号与恢复信号波形有一定的差别，干扰较大。

这表明在传输高速的数据信息流时，OFDM调制系统能在对抗码间干扰方面性能优于QAM调制系统。

4.2.2音频文档频谱分析

通过FFT对信号进行频谱分析，信道对OFDM信号的影响较小，而对QAM信号在0.25处衰减作用明显。

这表明OFDM能有效对抗信道的衰落效应。

文本文档仿真结果显示：

OFDM:

BER=0.0651%Numberoferrorbits=2

QAM:

BER=22.5%Numberoferrorbits=691。

该数据充分说明OFDM系统性能优于QAM系统。

5.全文总结

本文就以下几个方面进行了仿真与探讨：

（1）文章对OFDM和QAM调制系统的过程进行了仿真，包括信号的发送、信道、信号的接收。

OFDM系统包括信号的输入、数据极性转换、串并变换、IFFT运算、信道对信号的截取、衰减和多径延迟、FFT运算、并串变换、数据极性转换、信号的输出。

QAM系统包括信号的输入、数据极性转换、2-4电平转换、调制、信道对信号的截取、衰减和多径延迟、解调、4-2电平转换、数据极性转换、信号的输出。

（2）文章通过对文本文档和音频文档通过OFDM和QAM系统后的输出与输入信号的波形、频谱和误比特率进行比较分析，OFDM系统在抗码间干扰和多径效应方面有较大的优势。

（3）衡量一个通信系统的性能，主要从两方面进行探讨分析：

有效性和可靠性。

一个高速的数据信息流通过OFDM可以转换成N个低速的数据信息流，从而有效减小码间干扰，提高了有效性和可靠性。

若OFDM子信道的带宽足够小，则可以认为信道特性接近理想信道特性，码间串扰可以得到有效的克服，提高系统可靠性。

既然OFDM技术系统有着天然的优势，随着人们对其更加深入的研究，OFDM技术必将迎来更加广泛的应用，实现更大的价值。

参考文献：

[1]张海滨编著正交频分复用的基本原理与关键技术国防工业出版社

[2]汪裕民编著OFDM关键技术与应用机械工业出版社

[3]尹长川罗涛编著多载波宽带无线通信技术北京邮电大学出版社

[4]樊昌信曹丽娜编著通信原理国防工业出版社

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程