OFDM通信系統(tǒng)與QPSK系統(tǒng)性能比較

1、 OFDM通信系統(tǒng)與QPSK 系統(tǒng)性能比較 姓名：唐 潔 學(xué)號(hào)：200921126 學(xué)院：信 息 學(xué) 院 專業(yè)：信號(hào)與信息處理OFDM通信系統(tǒng)與QPSK系統(tǒng)的性能比較摘要：正交頻分復(fù)用(OFDM) 是第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。本文首先簡(jiǎn)要介紹了OFDM基本原理，并對(duì)OFDM的系統(tǒng)框架進(jìn)行了分析，其中包括調(diào)制、解調(diào)以及IFFT、FFT的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)。接著重點(diǎn)用MATLAB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)基于QPSK調(diào)制技術(shù)的計(jì)算機(jī)仿真，分析該系統(tǒng)的信噪比及PAPR的分布。最后對(duì)QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，對(duì)兩種系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明：OFDM頻帶利用率高，誤碼率高，功率利用率下降，而QPSK頻

2、帶利用率低，誤碼率低，功率利用率升高。關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用，QPSK,快速傅里葉變換第一章 OFDM系統(tǒng)的基本原理OFDM的全稱為Orthogonal Frequency Division Multiplexing,意為正交頻分復(fù)用。OFDM的思想可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)人們對(duì)多載波調(diào)制做了許多理論上的工作，論證了在存在符號(hào)間干擾的帶限信道上采用多載波調(diào)制可以優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸性能。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，由于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，OFDM技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域受到了人們的廣泛關(guān)注。現(xiàn)在OFDM已經(jīng)在歐洲的數(shù)字音視頻廣播（如DAB和DVB）、歐洲和北美的高速無(wú)線局域網(wǎng)系

3、統(tǒng)（如HIRERLAN2、IEEE802.11a）、高比特率數(shù)字用戶線（如ADSL、VDSL）以及電力線載波通信中得到了廣泛的應(yīng)用。OFDM通信技術(shù)是多載波傳輸技術(shù)的典型代表。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)獨(dú)立的子比特率，每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號(hào)去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成了多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。OFDM是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，利用快速傅里葉逆變換（IFFT）和快速傅里葉變換（FFT）來分別實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度最低、應(yīng)用最廣的一種多載波傳輸方案。1.1 正交調(diào)制解調(diào)OFDM是一種特殊的多載波傳送方案，單個(gè)用戶的信息流被串

4、/并變換為多個(gè)低速率碼流，每個(gè)碼流都用一條載波發(fā)送。OFDM棄用傳統(tǒng)的用帶通濾波器來分隔子載波頻譜的方式，改用跳頻方式選用那些即便頻譜混疊也能夠保持正交的波形，因此，OFDM既可以當(dāng)作調(diào)制技術(shù)，也可以當(dāng)作復(fù)用技術(shù)。OFDM增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。為了提高頻譜利用率，OFDM方式中各個(gè)子載波頻譜有1/2重疊，但保持相互正交，在接收端通過相關(guān)解調(diào)分離出各個(gè)子載波，同時(shí)消除碼間干擾的影響。OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其原理是用N個(gè)子載波把整個(gè)信道分割成N個(gè)子信道，即將頻率上等間隔的N個(gè)子載波信號(hào)調(diào)制并相加后同時(shí)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)N個(gè)信道并行傳輸信息。這樣每個(gè)符號(hào)的頻譜只占用信道帶寬的1/

5、N，且使各子載波在OFDM符合周期T內(nèi)保持頻譜的正交性。即滿足：1.2 系統(tǒng)組成1.3用IFFT、FFT實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)技術(shù)調(diào)制和解調(diào)框圖如下：圖2-1 調(diào)制解調(diào)框圖以下是數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)。（1） 調(diào)制部分：OFDM信號(hào)可以用復(fù)數(shù)形式表示為：, 式中，為起始時(shí)間，為門函數(shù)，為第i個(gè)子載波的頻率，為第i個(gè)信號(hào)。令=0，則：OFDM信號(hào)的產(chǎn)生式首先在基帶實(shí)現(xiàn)，然后通過上變頻產(chǎn)生輸出信號(hào)。因此，在基帶處理時(shí)可令，則與快速離散傅里葉反變換形式相比較，IFFT實(shí)現(xiàn)為：（2）解調(diào)部分（3）傳輸?shù)男盘?hào)應(yīng)用實(shí)信號(hào)，則：則：在Hermitian對(duì)稱條件，一般將N點(diǎn)數(shù)據(jù)共軛擴(kuò)展2N個(gè)點(diǎn)，即：的約束下，2N點(diǎn)快速離散傅

6、里葉反變換將頻域內(nèi)的N個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào)子符號(hào)變換成時(shí)域中的2N個(gè)實(shí)數(shù)樣值，加上循環(huán)前綴之后，這個(gè)實(shí)數(shù)樣值就構(gòu)成了實(shí)際的OFDM 發(fā)送符號(hào)。經(jīng)過并/串變換之后，通過時(shí)鐘速率的D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器輸出基帶信號(hào)。最后經(jīng)過上變頻輸出OFDM信號(hào)。第二章 系統(tǒng)性能分析指標(biāo)2.1 OFDM信號(hào)的PAPR及其分布對(duì)于一個(gè)OFDM系統(tǒng)而言，由于復(fù)合包絡(luò)是多個(gè)子載波信號(hào)的疊加，所以它將會(huì)有大的包絡(luò)變化范圍，因此會(huì)產(chǎn)生很大的PAPR。通常，PAPR與子載波數(shù)N之間呈現(xiàn)正比的關(guān)系。在OFDM中，實(shí)際發(fā)射的信號(hào)是多個(gè)子載波信號(hào)的疊加，這將不可避免地導(dǎo)致信號(hào)的包絡(luò)變化非常劇烈，如果N個(gè)子載波的信號(hào)均以相同的相位相加時(shí)，就

7、會(huì)產(chǎn)生一個(gè)OFDM信號(hào)的峰值功率，這個(gè)峰值功率是平均功率的N倍。通常，我們將在一個(gè)時(shí)間內(nèi)最大峰值功率與平均功率的比值稱為峰值平均功率比（PAPR）。其中，表示經(jīng)過IFFT運(yùn)算之后得到的輸出信號(hào)，即：2.2 頻帶利用率設(shè)一OFDM系統(tǒng)中共有N個(gè)路子子載波，子信道碼元持續(xù)時(shí)間為T，每路子載波均采用M進(jìn)制的調(diào)制，則它占用的頻帶寬帶等于頻帶利用率為單位帶寬傳輸?shù)谋忍芈剩寒?dāng)N很大時(shí)，若用單個(gè)載波的M進(jìn)制碼元傳輸，為得到相同的傳輸速率，則碼元持續(xù)時(shí)間應(yīng)縮短為，而占用帶寬等于，故頻帶利用率為：第三章 OFDM通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)3.1仿真參數(shù)設(shè)定根據(jù)前面已經(jīng)介紹的OFDM通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，表3-1給出了仿真系統(tǒng)的

8、主要參數(shù)。表3-1 OFDM通信系統(tǒng)的仿真參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率10.24Mbps調(diào)制方式QPSKOFDM符號(hào)長(zhǎng)度152保護(hù)間隔循環(huán)前后綴各32點(diǎn)子載波數(shù)64IFFT/FFT點(diǎn)數(shù)256信道加性高斯白噪聲（AWGN）3.2 程序流程圖3.3 OFDM系統(tǒng)性能仿真根據(jù)前面已經(jīng)介紹的OFDM通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以仿真得到設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能，如圖3-1所示OFDM系統(tǒng)的信噪比。圖3-13.3 QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)性能仿真1、QPSK工作原理四相絕對(duì)移相調(diào)制是利用載波的4種不同相位來表征數(shù)字信息。每一種載波相位代表兩個(gè)比特的信息。例如，若輸入一進(jìn)制數(shù)字信息，序列為10011100.則應(yīng)該先將其進(jìn)行分組，每?jī)蓚€(gè)比特編

9、為一組?？蓪⑺鼈兎殖?0，00，01，11等，然后分別用4種不同的相位來表示。故每個(gè)四進(jìn)制碼元又被稱為雙比特碼元。把組成雙比特碼元的前一個(gè)信息比特用ab表，后一個(gè)信息比特用b代表。雙比特碼元中的兩個(gè)信息比特ab通常是按格雷碼排列的。載波相位若用k表示，則k在0到2內(nèi)等間隔的取值僅有4種可能。表3-2給出QPSK信號(hào)的編碼。又由于正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的互補(bǔ)特性，對(duì)應(yīng)于k的4種取值，例如45,135,225,315,其幅度ak和bk只有兩種取值，所以，四相絕對(duì)移相調(diào)制可以看作兩個(gè)正交的二相絕對(duì)移相調(diào)制的合成。載波相位k的4種取值矢量關(guān)系，如圖1。圖1( a)中表示采用方式1的Q PSK信號(hào)的矢量圖，

10、圖1（b）表示采用方式2的QPSK信號(hào)的矢量圖。表3-2 QPSK信號(hào)的編碼abkabk00901127001010180 圖1（a） 圖1（b）2、QPSK信號(hào)產(chǎn)生 因?yàn)樗南嘟^對(duì)移相調(diào)制可以看作兩個(gè)正交的二相絕對(duì)移相調(diào)制的合成，所以同相通道I和門正交通道Q的調(diào)制過程應(yīng)與二相絕對(duì)移相調(diào)制相同。因此，在本質(zhì)上QPSK調(diào)制器是兩個(gè)2PSK調(diào)制器的并行組合。QPSK信號(hào)產(chǎn)生的方法和2PSK信號(hào)一樣，用調(diào)相法產(chǎn)生 /4體系的QPSK信號(hào)的系統(tǒng)中，串并變換器將輸入的二進(jìn)制序列依次分為兩個(gè)速率減半的并行的單極性序列。假設(shè)兩個(gè)序列中的二進(jìn)制數(shù)字分別為a和b每一對(duì)ab稱為一個(gè)雙比特碼元。單極性的a和b脈沖通過

11、極性變換，即0變-1和1變0，變成雙極性一電平信號(hào)I（t）和Q(t)，然后進(jìn)入兩個(gè)平衡調(diào)制器，分別對(duì)同相載波和正交載波進(jìn)行二相調(diào)制，將兩路輸出疊加，即得到四相移相信號(hào)。3、QPSK系統(tǒng)仿真3.4 OFDM技術(shù)和QPSK技術(shù)的性能比較OFDM頻帶利用率高，誤碼率高，功率利用率下降，而QPSK頻帶利用率低，誤碼率低，功率利用率升高。參考文獻(xiàn)：1張純德，王興亮.現(xiàn)代通信理論與技術(shù)指導(dǎo).西安電子科技大學(xué)出版社.2005.2樊昌信，曹麗娜著.通信原理.國(guó)防工業(yè)出版社.20073邵佳，董辰輝著.MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例精講.2009附錄：MATLAB程序清單%main_OFDM

12、.m%OFDM通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，包括QPSK或QAM數(shù)字調(diào)制、IFFT、%保護(hù)間隔、高斯信道建模、FFT、解調(diào)、計(jì)算信噪比及PAPRclear all;%+%seq_num%SNR_Pre 設(shè)定用于仿真的信噪比的初值%interval_SNR 設(shè)定用于仿真的信噪比間隔%frame_num 每一個(gè)信噪比下仿真的數(shù)據(jù)的幀數(shù)%Pe 用于計(jì)算出現(xiàn)的誤比特?cái)?shù)%N 子載波數(shù)%+N=64;SNR_Pre=1;interval_SNR =1;Pe=zeros(1,20);%發(fā)射機(jī) frame_num =5000;for SNR_System=SNR_Pre:interval_SNR:20 counter=0

13、; for seq_num=1:frame_num %+輸入數(shù)據(jù)+ datain=randint(1,N); %+ %+QPSK調(diào)制+ qpskin=reshape(datain,2,);%將生成序列變成兩行 qpskflection=(ones(2,N/2).*(-1); qpskflection=qpskflection.qpskin;%0-1;1-1 qpskflection(2,:)=j*qpskflection(2,:); qpskout=sum(qpskflection); %+ %+擴(kuò)展+ ifftin=zeros(1,N); ifftout=zeros(1,N); for k=

14、1:N %將輸入的N/2點(diǎn)擴(kuò)展為共軛對(duì)稱的N點(diǎn) if (33k=1) if(k=1) ifftin(1)=qpskflection(1,1); else ifftin(k)=qpskout(k); end else if(k=33) ifftin(k)=(-1)*j*qpskflection(2,1); else ifftin(k)=conj(qpskout(N+2-k); end end end %+ %+IFFT+ ifftout=ifft(N*ifftin); %+ %+加入保護(hù)間隔+ clength=N+N/16; PVout=zeros(1,clength); col=(N-N/16

15、+1):(N); PVout=ifftout(col),ifftout; %+ %+高斯白噪聲信道+ gsrv=awgn(PVout,SNR_System,measured); %+ %接收機(jī) %+去保護(hù)間隔+ movep=zeros(1,N); length=(N/16+1):(N+N/16); movep=gsrv(length); %+ %+FFT+ fftout=(fft(movep)/N; %+ %+QPSK解調(diào)+ %outsign=qpskout(fftout,count,k); count=1; K=1; %判決門限取0 if(fftout(K)=0) outsign(count

16、)=0; count=count+1; else outsign(count)=1; count=count+1; end if(fftout(N/2+1)0) outsign(count)=0; count=count+1; else outsign(count)=1; count=count+1; end for K=2:N/2 realpart=real(fftout(K); imagpart=imag(fftout(K); if(realpart=0) outsign(count)=0; count=count+1; else outsign(count)=1; count=count

17、+1; end if(imagpart=0) outsign(count)=0; count=count+1; else outsign(count)=1; count=count+1; end end %+ %+計(jì)算誤碼率+ for k=1:N if(outsign(k)=datain(k) counter=counter+1; end end end Pe(SNR_System)=counter/(N*frame_num);end %畫圖 figure plot(Pe,b); xlabel(信噪比); ylabel(誤碼率); title(不同信噪比下的誤碼率); grid on;%* p

18、reparation part *para=64; % Number of parallel channel to transmit (points)fftlen=64; % FFT lengthnd=1; % Number of information OFDM symbol for one loopml=2; % Modulation level : QPSKgilen=8; % Length of guard interval (points)%* Data generation * seldata=rand(1,para*nd*ml)0.5; % rand : built in fun

19、ction%* Serial to parallel conversion *paradata=reshape(seldata,para,nd*ml); % reshape : built in function%* QPSK modulation * ich,qch=qpskmod(paradata,para,nd,ml);kmod=1/sqrt(2); % sqrt : built in functionich1=ich.*kmod;qch1=qch.*kmod;%* IFFT *x=ich1+qch1.*i;y=ifft(x); % ifft : built in functionich2=real(y); % real : built in functionqch2=