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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于MATLAB的OFDM系统仿真及分析摘 要：正交频分复用(OFDM) 是第四代移动通信的核心技术。该文首先简要介绍了OFDM的发展状况及基本原理, 文章对OFDM 系统调制与解调技术进行了解析，得到了OFDM 符号的一般表达式，给出了OFDM 系统参数设计公式和加窗技术的原理及基于IFFT/FFT 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。在给出OFDM系统模型的基础上,用MATLAB语言
2、实现了传输系统中的计算机仿真并给出参考设计程序。最后给出在不同的信道条件下,研究保护时隙、循环前缀、信道采用LS估计方法对OFDM系统误码率影响的比较曲线,得出了较理想的结论。关键词:正交频分复用;仿真;循环前缀;信道估计目 次专心-专注-专业1 概述随着移动通信和无线因特网需求的不断增长，越来越需要高速无线系统设计，而这其中的一个最直接的挑战就是克服无线信道带来的严重的频率选择性衰落。正交频分复用（OFDM）技术可以很好地克服无线信道的频率选择性衰落，由于其简单高效，OFDM已成为实现未来无线高速通信系统中最核心的技术之一。现代移动通信发展至今，已经经历了三代，而3G 的后续技术也在加速研究
3、中。目前，国际标准化组织正在推动无线传输技术从2Mb/s 的传输速率向100Mb/s 和1000Mb/s 的目标发展，对4G 的定义也已经逐渐清晰起来。基本上可以确定，OFDM/OFDMA、MIMO和智能天线等技术将成为4G 的主流技术。OFDM 相关的技术很多， 实际应用中的OFDM 复杂度很高。因此， 建立适合自己研究方向的OFDM 模型， 无论是为了理解OFDM 技术的理论，还是对后续的OFDM 与其他技术相结合的研究工作，都有着非常重要意义。OFDM是一种特殊的多载波调制技术,它利用载波间的正交性进一步提高频谱利用率,而且可以抗窄带干扰和多径衰落。多载波调制原理最早在20 世纪60 年
4、代中期由Collins kinep lex 提出。70 年代,主要用于美国军用无线高频通信系统;80 年代,OFDM的研究主要用在高速调制解调器、数字移动通信及高密度录音带中;90 年代以后,OFDM主要用在非对称的数字用户环路(ADSL) 、ETSI 标准的数字音广播(DAB) 、数字视频广播(DVB) 、高清晰度电视(HDTV) 、无线局域网(WLAN)等。OFDM与CDMA技术结合主要有两种形式, 一种是多载波CDMA(MC-CDMA) , 一种是多载波直扩CDMA (MC-DS-CDMA) 。前者是频域扩展和多载波调制技术相结合,后者是时域扩展和多载波调制技术相结合。OFDM通过多个正
5、交的子载波将串行的数据并行传输,可以增大码元的宽度,减少单个码元占用的频带,抵抗多径引起的频率选择性衰落;可以有效克服码间串扰( ISI) ,降低系统对均衡技术的要求,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输;而且信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。这些方案都是基于OFDM 之上的, 因此, 研究OFDM系统的性能就显得非常必要。本文首先简要介绍OFDM基本原理,在这个基础上建立了OFDM仿真模型,然后通过加保护时隙及进行信道估计, 分析OFDM 系统在AWGN和多径Rayleigh衰落信道下不用的插入算法的性能,最后给出仿真结果。1.1 OFDM的发展及其现状OFDM是
6、一种特殊的多载波频分复用(FDM)技术。在传统的多载波频分复用系统中，各个子信道采用不同的载波并行传送数据，子载波之间间隔足够远，采用隔离带来防止频谱重叠，故频谱效率很低。在均衡器未被采用以前，人们就是用这种多载波方式在时间色散信道中进行高速通信的。1966年，R.W.Chang分析了在多载波通信系统中如何使经过滤波后带限的子载波保持正交。随后不久B.R.Saltzberg给出了一篇性能分析的文章，他指出在设计一个有效的并行传输系统时，应该把注意力更多地集中在减少相邻信道的串扰上，而不是使各个独立的信道工作得更好，因为此时信道串扰是造成信号失真的主要因素。1971年，S.B.Weinstein
7、和P.M.Ebert提出用傅立叶变换(DFT)进基带OFDM调制和解调。通过DFT进行OFDM基带调制和解调避免了生成多个子载波和多个窄带带通滤波器，使系统的模拟前端由多个变为一个，同时由于DFT可以用FFT来快速实现，这进一步降低了系统实现的复杂度。为对抗符号间干扰和载波闻干扰，他们提出在符号间插入一段空白时隙作为保护间隔。他们的系统虽然没有能在色散信道中获得很好的子载波正交性，但对OFDM仍是一个很大贡献。另一个重要贡献来自A.Peled和A.Rmz，他个人提出了采用循环前缀来解决色散信道中子载波间的正交性问题。当信道响应长度小于循环扩展时，循环前缀的存在使信号与信道响应的线性卷积变成循环
8、卷积，从而使色散OFDM信号可以通过频域单点均衡进行去相关。当然，循环扩展的引入会导致少量的信噪比损失。由于无线信道的多径传播会使宽带OFDM信号产生频率选择性衰落，导致各个子信道上的信噪比不同，因此实际的OFDM系统都是与交织、纠错编码结合在一起，形成编码的正交频分复用(COFDM)。交织和编码能够使OFDM系统获得良好的频率和时间二维分集。1.2 OFDM的优缺点 虽然OFDM已经得到广泛的应用，但是在使用中我们也要清楚的认识到它的优缺点，下面简要的从这两方面介绍下OFDM。OFDM技术的优点主要有：(1) OFDM调制方式适用于多径和衰落信道中的高速数据传输。当信道因为多径的影响出现频率
9、选择性衰落时，只有落在频率凹陷处的载波及其携带的信息受到影响，其它子载波未受损害；。(2) 在OFDM调制方式中，通过插入保护间隔，可以很好地克服符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)(3) 由于OFDM各子载波相互正交，允许各子载波有1/2重叠，因此可以大大提高频谱利用率：(4) 由于深度衰落而丢失的一些子载波可通过编码、交织等措施来很好的恢复，提高系统抗误码性能，且通过各子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力；(5) OFDM技术抗脉冲及窄带干扰的能力很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道；(6) 与单载波系统相比，对采样定时偏移不敏感。OFDM技术的缺点主要有：(1) 由于要
10、求各子载波正交，所以对频率偏移和相位噪声很敏感； (2) 由于各子载波相互独立，峰值功率与均值功率比相对较大，且随子载波数目的增加而增加。高峰均比信号通过功放时，为了避免信号的非线性失真和带外频谱再生，功放需要具有较大的线性范围，导致射频放大器的功率效率降低。国外对OFDM技术的研究已有近50年的历史。最初无线OFDM传输系统是用在军用无线高频通信链路中，随着数字信号处理(DSP)超大规模集成电路(VLSI)技术的发展，OFDM技术获得了长足的进步并广泛应用于社会生活的各个方面。其应用主要有：(1) 广泛应用于音频和视频传输中，如欧洲数字音频广播18J(DAB)、数字视频广播(DVB)以及日本
11、的综合业务数字广播(ISDB)等；(2) 非对称数字用户链路(ADSL)；(3) 无线局域网标准IEEE802.1la、欧洲电信标准协会(ETSI)推出的局域网标准Hyperlan2等；(4) 无线城域网标准IEEE802.16a；(5) 已具雏形的4G蜂窝系统；2 OFDM的基本原理在宽带无线通信系统中，影响高速信息传输的最主要一类干扰是频率选择性干扰。它表现为对信号的某些频率成分衰减严重，而对另外一些频率成分有较高的增益。为克服这类衰落，一个很自然的想法是在信道上划分多个子信道，使每一个子信道的频率特性都近似于平坦，使用这些独立的子信道传输信号并在接收机中予以合并，以实现信号的频率分集，这
12、就是多载波调制的基本思想。在无线通信中应用最广的是OFDM多载波调制技术，它的每一个子载波都是正交的，提高了频谱的利用率。还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，最大限度的消除由于多径带来的符号间干扰。2.1基于IFFT/FFT 的OFDM 系统模型 基于IFFT/FFT 实现的OFDM 系统方框图如图2.1.1 所示F(t)信道编码交织数字调制插入导频串/并解交织数字解调信道校正并/串串/并并/串IFFTFFT插入循环前缀和加窗数/模载波调制信道R(t)模/数定时和频率同步去循环前缀数据解调图2.1.1 IFFT/FFT 实现的OFDM 系统概述：实际上一
13、个OFDM的形成可以遵循以下过程：首先，在N1个经过数字调制的符号后面补零，构成N2个输入样值序列，再进行IFFT计算。然后，IFFT输出的最后L1个样值被插入到OFDM符号的最前面，而且IFFT输出的最前面 L1个样值被插入到OFDM符号的最后面。最后，OFDM符号与升降余弦函数时域相乘，使得系统宽带之外的功率可以快速下降。再经过数模转换、射频调制，最后发送。2.1.1确定参数需要确定的参数为：子信道，子载波数，FFT长度，每次使用的OFDM符号数，调制度水平，符号速率，比特率，保护间隔长度，信噪比，插入导频数（基本的仿真可以不插入导频，可以为0）。2.1.2产生数据使用随机数产生器产生一个
14、序列。2.1.3编码、交织与解交织、解码交织编码可以有效地抗突发干扰。分别用编码器、交织器实现。而解交织、解码是按照编码交织对应解码，解交织的方法，还原为原始数据，可以由解码器和解交织其实现。进行纠错处理，同时比较第2步产生的数据和接收到的数据，计算误码率BER2.1.4子载波调制与子载波解调子载波调制：OFDM可以采用MPSK、QAM调制方式。按照星座图，将每个子信道上的数据，映射到星座图点的复数表示，转换为同相和正交分量。子载波解调：FFT后的同相粉脸感和正交分量两组数据在星座图上对饮高的点，由于噪声和信道的影响，不再是严格的发送端的星座图。将得到的星座图上的点按照最近原则判决为原星座图上
15、的点，并按映射规则还原为一组数据。解调也有很多方法，例如：差分解调、相干解调。2.1.5串并转换和并串转换串并转换是将一路高速数据转换成多路低速数据，用解复用模块实现。而并串转换刚好与之相反。2.1.6IFFT与FFT 在实际运用中， 信号的产生和解调都是采用数字信号处理的方法来实现的， 此时要对信号进行抽样， 形成离散时间信号。IDFT可以采用快速反傅立叶变换(IFFT)来实现得到更快的处理速度。FFT与发送端的IFFT互为逆变换。2.1.7 插入循环前缀与去掉循环前缀 插入循环前缀也就是加入保护间隔，由IFFT运算后的每个符号的同相分量和正交分量分别转换为串行数据，并将符号尾部G长度的数据
16、加到头部，构成循环前缀。如果加入空的间隔，在多径传播的影响下，会造成载波间干扰ICI。保护见个的长度G应该大于多径时的扩张的最大值。利用循环前缀和加入特殊的OFDM训练符号等方法，可以较好的时间同步和频率同步。去掉循环前缀即根据同步得到的数据，分别将给每个符号的同相分量和正交分量开头的保护间隔去掉。2.1.8加窗 加窗是为了降低系统的PAPR（峰值平均功率比）。通过这种方法，可以显著地改善OFDM通信系统高的PAPR分布，大大降低了峰值信号出现的概率以及对功率放大器的要求，节约成本。经常被采用的窗函数是升余弦窗。本文给出的即是升余弦窗。2.1.9信道传输信道可分为多径实验信道和高斯白噪声信道。
17、多径时延信道直射波和延迟波对于标准时间按照固定比率递减，因此多径时延信道参数为比率和最大延迟时间。2.1.10 同步同步是决定OFDM系统高性能十分重要的方面。实际OFDM系统都有同步过称，主要的同步方法有使用导频、循环前缀和忙算法三种。研究目的为同步的可以详细实现本步，基本的方针可以略过此步，假设接收端已经于发射端同步。IFFT/FFT过程详叙：图2.1.1中串行输入数据序列经过信道编码后（如Turbo码），将该序列转换成包含R个比特的块，每块再分成N个组，每个组对应一个子载波。根据所采用调制方式的不同，每个组包含的比特数可以不同,设第K 组的比特数为, 则有采用ASK、PSK、QAM等调制
18、方式将这个比特映射成复值符号。 除了上述经过数据调制的信息符号外，还有个不需要经过数据调制的用于同步与信道估计的导频符号，一共有 组有用数据。在适当的位置上添加一定数量的零使得总的信息符号个数为刚好大于N的2 的整数幂，记为N，即有个子信道不用，其上传输的复值符号为0。这样做不仅是为了采用，还可以防止谱外泄。对于连续的OFDM信号模型，假设系统的总带宽是，OFDM码元周期为，为保护间隔。一个OFDM复值基带码元可以表示为： (2.1) 式（2.1）中的信号以1/（t = T / N ）的速率从时刻开始采样，所得的N 个样本为：= = , k=0，1,2，3.N-1 (2.2)显然，这个样值与序
19、列S=的IDFT，除了系数外完全一样。由于对每个连续OFDM 码元采样N 个样本，正好满足Nyquist 采样定理，所以可以通过这些样值重构原始的连续信号。这样样值可以通过IDFT 来得到，这就是用IDFT 和DFT 可以实现OFDM 系统的根源。下面给出OFDM载波的幅度谱和相位谱，分别如下图2.1.2和图2.1.3所示图2.1.2 OFDM载波幅度谱图2.1.3 OFDM载波相位谱2.2 OFDM信号的频谱特性当各个子载波用QAM或MPSK进行调制时，如果基带信号采用矩形波形，则每个子信道上已调的频谱为形状，其主瓣宽度为，其中为OFDM信号长度（不包括CP）。由于在时间内共有OFDM信号的
20、N个抽样，所以OFDM信号的时域信号的抽样周期为。由于相邻子载波之间的频率间隔为，所以即这些已调子载波信号频谱函数的主瓣宽度为,间隔为。根据函数性质，知道它们在频域上正交，这就是正交频分复用（OFDM）名称的由来。一般的频分复用传输系统的各个子信道之间要有一定的保护频带，一便在接收端可以用带通滤波器分离出各个信道的信号。保护频带降低了整个系统的频谱利用率。OFDM系统的子系统间不但没有保护频带，而且各个信道的信号频谱还相互重叠。如图2.2.1所示：图2.2.1 OFDM信号正交性的频谱图这使得OFDM系统的频谱利用率相比普通频分复用系统有很大的提高，而各子载波可以采用频谱效率高的QAM和MPS
21、K调制方式，进一步提高OFDM系统的频谱效率。2.3 0FDM 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：， （2.3）式（2.3）实部和虚部分别对应于OFDM 符号的同相和正交分量，实际应用中可以分别与相应子载波的cos 分量和sin 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM 符号。收端对应OFDM 解调，其第k 路子载波信号解调过程为：将接收信号与第k 路的解调载波相乘，然后将得到的结果在OFDM 符号的持续时间T 内进行积分，即可获得相应的发送信。实际上，式（2.3）中定义的OFDM 复等效基带信号可以采用离散逆傅里叶变换（IDFT）实现。令式（2.3）的=0,
22、t=KT/N(k=0,1,N-1)，则可以得到： （2.4）在式（2.4）中，即为的IDFT 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号，可以对进行DFT 变换得到： (2.5)由上述分析可以看出，OFDM 系统可以通过N 点IDFT运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过载波调制之后，发送到信道中；在接收端，将接收信号进行相干解调。然后将基带信号进行N 点DFT 运算，即可获得发送的数据符号。实际应用中， 可用快速傅里叶变换（FFT/IFFT）来实现OFDM 调制和解调。N 点IDFT 运算需要实施次的复数乘法，而IFFT 可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基2IFFT 算法来说，其复
23、数乘法的次数仅为。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的时域和频域图形如下：图2.3.1 OFDM一个符号周期的时域OFDM信号图2.3.2 OFDM每一个载波对应的时域信号2.4 加窗由式（2.3）所定义的OFDM 符号存在的缺点是功率谱的带外衰减速度不够快。技术上，可以对每个OFDM 符号进行加窗处理，使符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。经常被采用的窗函数是式（2.6）定义的升余弦窗 （2.6）（2.6）式中， 表示加窗前的符号长度。而加窗后符号的长度应该为，从而允许在相邻符号之间存在有相互覆盖的区域。在实际系统中，
24、经过加窗的OFDM 符号的产生过程为：首先，在个经过数字调制的符号后面补零，构成N 个输入样值序列，然后进行IFFT 运算；将IFFT 输出的最后Tprefix个样值插入到OFDM 符号的最前面，将IFFT 输出的最前面的Tpostfix 个样值插入到OFDM 符号的最后面；接下来，将OFDM 符号与式（2.6）定义的升余弦窗函数时域相乘；最后将经过加窗的OFDM 符号延时，与前一个经过加窗的OFDM 符号相加。应当指出，式（2.6）中值的选择要适当，如对于64 个子载波的OFDM 符号，可取=0.025。用matlab可以画出其频谱密度仿真图。如图2.4.1(a),2.4.1(b)所示；其中
25、，每一个子图横轴表示归一化频率，纵轴表示归一化幅度衰减(单位：dB)。(a)、(b)两个子图分别表示包含128、256个子载波的OFDM符号的功率密度谱。从图中可以看出，随子载波数增加，OFDM符号功率密度谱下降速度会增快。但是即使在256个子载波情况下，其3dB带宽仍然会是128个载波3dB带宽的2倍。 为了加快OFDM信号功率谱带外衰减部分的下降速度，可以对每个OFDM时域符号进行加窗，使符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零，这与成型滤波的原理相当的类似。成型滤波是在频域加平方根升余弦窗，降低时域信号的拖尾振荡；而OFDM符号在时域加升余弦窗，降低频域信号拖尾振荡，使带外衰减速度加快。图2.4
26、.1（a）载波数为256的信号频谱信号仿真图图2.4.1（b）载波数128的信号频谱信号功率谱带外衰减仿真图对OFDM时域符号加窗之前，首先要添加循环前缀和循环后缀，添加了循环前缀和循环后缀后的归一化功率的OFDM复信号表示为： (2.7)加入循环前缀、循环后缀后的OFDM功率谱密度为： (2.8)如图2.4.2（a）和2.4.2(b)所示，通过对OFDM信号加窗前后的信号频谱进行仿真比较，得到加窗后信号的带外衰减大副减小，但是对信号的误码率也有一定的影响。图 2.4.2（a）未加窗OFDM功率频谱带外衰减仿真图2.4.2（b）加升余弦窗后OFDM功率谱带外衰减仿真3 循环前缀及信道估计对系统误码率的改善分析3.1循环前缀OFDM系统中,每个并行数据支路都是窄带信号,可近似认为每个支路都经历平坦衰落,这样就减小了频率选择性衰落对信号的影响。同时,每路子数据流速率的降低,减小了符号间干扰( ISI) 。此外,还可以通过加保护间隔的办法完全消除符号间干扰。假设每个OFDM符号由Y个样值组成,由于时延扩展,接收端将会有和信道冲激响应持续时间相对应的前L (L %产生随机二进制数据:baseband_out = round(rand(1,baseband_out_length);convert_matrix=reshape(baseband_out,bits