正交頻分復用通信系統(tǒng)設(shè)計及其性能研究

1、正交頻分復用通信系統(tǒng)設(shè)計及其性能研究年級:學號:姓名:專業(yè):指導老師:二零一五年五月摘要由于OFDM技術(shù)出現(xiàn)了近四十年的時間，該技術(shù)在移動通信上已經(jīng)得到快速發(fā)展。本論文主要研究OFDM系統(tǒng)的應用，介紹了OFDM技術(shù)的基本概念和發(fā)展歷程，并簡要闡述OFDM在無線移動技術(shù)中的發(fā)展前景。在介紹OFDM原理的同時，比較FDM與OFDM的異同點，認識保護間隔和循環(huán)前綴對OFDM的意義，簡述OFDM的優(yōu)勢和缺點，了解OFDM的關(guān)鍵技術(shù)，研究OFDM頻域和時域的波形圖，利用加窗技術(shù)來提高OFDM的功率譜密度。關(guān)鍵字：正交頻分復用；碼間干擾；循環(huán)前綴；高斯白噪聲AbstractBecauseofOFDMtec

2、hnologyemergedaboutfortyyears,ithasdevelopedrapidlyinthefieldofmobilecommunications,ThisthesismainlystudiestheapplicationofOFDMsystem,introducesthebasicconceptsanddevelopmentoftheOFDMtechnology,besides,thethesisalsodescribesthefuturedevelopmentinwirelessmobiletechnology.Whileintroducetheprinciplesof

3、OFDM,comparingthesimilaritiesanddifferencesbetweenFDMandOFDM,understandingthesignificanceofprotectionintervalandcyclicprefixinOFDM,IdescribedtheadvantagesanddisadvantagesofOFDMbriefly,andknownthekeytechnologiesofOFDM,studiedthedomainwaveformfigureOFDMfrequencydomainandtimedomain,byusingthewindowtech

4、nologytoimprovethepowerspectraldensityofOFDM.Keywords:OFDM;ISI;CP;WGN目錄摘要IV.AbstractIII第1章緒論11.1 本文研究的背景及意義11.2 本文的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀11.3 本文的主要內(nèi)容1第2章OFDM系統(tǒng)的基本介紹22.1 OFDM的基本原理32.1.1 OFDM的產(chǎn)生和發(fā)展32.1.2 IDFT/DFT的實現(xiàn)32.1.3 保護間隔和循環(huán)前綴42.2 OFDM系統(tǒng)的優(yōu)缺點42.3 OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)4第3章OFDM系統(tǒng)載波實現(xiàn)過程及仿真介紹53.1 OFDM子載波調(diào)制過程53.2 OFDM符號的形成和加窗技

5、術(shù)73.3 OFDM系統(tǒng)的仿真星座圖的形成8第4章仿真結(jié)果及分析84.1 OFDM系統(tǒng)有無頻偏的性能比較84.2 循環(huán)前綴在多徑信道的OFDM性能比較94.3 OFDM系統(tǒng)的仿真波形圖分析94.4 仿真結(jié)果分析13第5章總結(jié)14致謝14參考文獻14附錄1程序15第1章緒論1.1 本文研究的背景及意義移動通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)是現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的一部分，不僅包括有線和無線通信技術(shù)，而且集中了網(wǎng)絡接收發(fā)送和計算機技術(shù)的許多研究成果?，F(xiàn)在大多數(shù)的移動通信從模擬通信到數(shù)字移動通信的發(fā)展，以及通信正朝著一個更高級的發(fā)展階段1。而在將來移動通信的方向則是完成5W,即能在任何時間、任何方位、任何人向任何人或移動

6、配置供應迅速可靠的通信2。由于人們對信息量的需要越來越大，無線移動通信隨即來到了一個迅速發(fā)展時代。二十一個世紀以來，由于無線通信網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合使用，國內(nèi)外移動通信技術(shù)的發(fā)展速度更為明顯，使世界網(wǎng)絡資源發(fā)展更加快速。正交頻分復用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技術(shù)就是移動通信中的關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變之一。1.2 本文的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀OFDM屬于是多載波傳輸系統(tǒng)，起源于上個世紀70年代，當時Weinstein和Ebert等人把離散傅里葉變換DFT(DiscreteFourierTransform!)和快速傅里葉變換從而提出了正交頻分復用系統(tǒng)5o個

7、基點，當帶寬的接收天線網(wǎng)。1.3 本文的主要內(nèi)容本論文主要介紹OFDM系統(tǒng)及其MATLAB仿真。論文的第一章介紹了論文的研究的方向、論文的目的和意義，然后主旨說明OFDM的發(fā)展歷程，對OFDM的發(fā)展前景做一個簡要闡述。論文第二章主要介紹論文中研究OFDM系統(tǒng)的原理、優(yōu)缺點和關(guān)鍵技術(shù)；并對OFDM的循環(huán)前綴和保護間隔作大體概述論文第三章說明OFDM系統(tǒng)的子載波調(diào)制實現(xiàn)過程，加窗技術(shù)對OFDM技術(shù)功率譜密度的影響，并對形成星座圖的過程進行簡述。論文第四章是分析OFDM經(jīng)過MATLAB仿真結(jié)果，并對波形圖作對比分析，得出仿真結(jié)果。論文第五章結(jié)束章節(jié)是整體論文的總結(jié)，最后分別是致謝、參考文獻和附錄，這

8、就是本篇論文的大體結(jié)構(gòu)。第2章OFDM系統(tǒng)的基本介紹OFDM技術(shù)，與FDM原理相似，OFDM通過串行并行變換的高速數(shù)據(jù)流，分配到幾個頻率子信道11。OFDM和FDM的主要區(qū)別是：是在傳統(tǒng)的廣播系統(tǒng)，每個無線電臺在不同的頻率發(fā)送信號，以確保FDM分隔每個網(wǎng)站的有效使用，每個站點不同位或同步廣播系統(tǒng)；當使用OFDM通信技術(shù)的時候，每一個單一的復用數(shù)據(jù)流被組合成多個無線站臺的信息信號，而且多個子載波也組成了該數(shù)據(jù)，然后在OFDM系統(tǒng)中進行傳輸，在所有子載波的OFDM信號在時間和頻率同步，所以不允許有子載波之間互相存在干擾。慢獲的魄田復用(FDM)多載茯調(diào)耨技木概率正交費介要用(OFDM)多翻波調(diào)朝枝

9、木圖2-1FDM與OFDM調(diào)制技術(shù)的比較2.1 OFDM的基本原理2.1.1 OFDM的產(chǎn)生和發(fā)展OFDM的提出已經(jīng)接近四十年的時間，只是由于模擬濾波器實現(xiàn)起來的系統(tǒng)復雜度較高等各種原因，所以一直沒有得到很好的應用起來；直到70到90年代，被逐漸利用DFT來實現(xiàn)多載波的影響，才為此OFDM系統(tǒng)實際應用打下了基礎(chǔ)；在此期問，L.J.Cimini也分析OFDM系統(tǒng)的問題和具體解決方案12。自那以后，OFDM的移動通信才得到迅速發(fā)展。圖2-2OFDM收發(fā)機框原理框圖2.1.2 IDFT/DFT的實現(xiàn)DFT的時域和頻域是緊密結(jié)合的，不同的環(huán)境選擇的的傅立葉變換形式是不同的。DFT為一個常規(guī)變換方法，其

10、中對時域和頻域上的信號進行采樣。對于N較大的系統(tǒng)，OFDM可以用離散傅立葉逆變換(IDFT)來完成15。對信號s(t)以T/N進行抽中令t=kT/N(k=0,1,N-1),得到：.N/2詠1sk=s(kT/N)=£diexpji(2-1)$<N)看出Sk等效對di進彳TIDFT運算。在接收端，為了數(shù)據(jù)符號di,可以對Sk進行IDFT的逆變換，得到:2.1.3保護間隔和循環(huán)前綴正是由于這種低符號率使得OFDM系統(tǒng)可以抵抗碼問干擾ISI(Inter-SymbolInterference),另外，通過附加保護間隔，在每一個符號的開始時，可以進一步抵制ISI,也可以減少接收定時偏移誤差

11、170這種保護間隔的復制周期，增加符號長度，在每個子載波的周期，周期信號的符號是數(shù)據(jù)符號的整數(shù)倍，即在OFDM符號后的時間復制到OFDM符號的前部，形成循環(huán)前綴CP(Cyclicprefix)。因此，復制的符號和符號的一端添加到了起點，為了增加時間的符號長度，圖2-3顯示保護區(qū)間。符號N符號N+1圖2-3OFDM加入保護間隔2.2 OFDM系統(tǒng)的優(yōu)缺點近年來，OFDM技術(shù)實際應用，而且倍受人們的期待，在于OFDM技術(shù)的各個優(yōu)點：(1)把數(shù)據(jù)的高速率通過所述串并轉(zhuǎn)換，使得在各個子載波的數(shù)據(jù)碼元的持續(xù)時間長度的相對增加，從而有效地降低引起的ISI的無線信道擴散時間，從而降低了復雜度，有時僅僅是插入

12、循環(huán)前綴，就可以消除ISI的不利影響。2.3 OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)有以下三個：(1)時域和頻域同步OFDM系統(tǒng)對定時和頻率偏移敏感，在FDMA,TDMA和CDMA多址連接的時候，時域和頻率同步尤為重要，同步分為捕獲和跟蹤分為兩個過程。根據(jù)每個移動終端發(fā)送信息到基站在時域進行子載波提取并發(fā)送回移動終端，基站同步，使移動終端的頻率域和同步信息。在具體實施方式中，同步將在同一時間被分成時域同步和頻域同步，也可以兩者同時一起同步。第3章OFDM系統(tǒng)載波實現(xiàn)過程及仿真介紹數(shù)據(jù)傳輸是串行數(shù)據(jù)流被連續(xù)地發(fā)送的碼元，每個數(shù)據(jù)符號能夠占用到可用的整個頻譜的帶寬。然而，并行數(shù)據(jù)系統(tǒng)的時候，許

13、多符號數(shù)被同時發(fā)送，從而減少那些發(fā)生在系統(tǒng)中串行問題200由于自適應調(diào)制，各子載波的調(diào)制方式是可以改變的，因此每個子載波上傳輸?shù)谋忍財?shù)也可以改變，所以串行并行轉(zhuǎn)換需要分配給每個子數(shù)據(jù)段不一樣的長度載體，然而在接收端的過程則是截然相反。3.1OFDM子載波調(diào)制過程當在一個OFDM無線多徑信道的傳輸，可能會導致相當大的衰減，通過子載波頻率選擇性衰落，導致誤碼。在零的信道頻率響應導致上傳送受損的相鄰子載波的信息，從而產(chǎn)生一系列的位錯誤在每個符號。與連續(xù)錯誤一長串發(fā)生的情況相比，多數(shù)前向糾錯將在錯誤的均勻分布的情況下更有效地工作。因此，為了提高系統(tǒng)性能，大多數(shù)系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)擾頻和轉(zhuǎn)換工作作為字符串的一

14、部分，這不僅可以恢復數(shù)據(jù)位的原始序列，同時還分散了一系列由于信道衰落隨時間由于使近似均勻分布的比特差錯。隨機化之前錯誤的這個位置，以提高糾錯編碼的FEC的性能，以及該系統(tǒng)的整體性能得到了改進210N4s(t)=vdiretct-ts-T2exp(j2二，(t-ts)ts<t<tsT(3-2)s(t)=0t：tstTts圖3-1中給出了OFDM系統(tǒng)框圖，fi=fc+并。接收端將接收到的同相和正交反回信息，對子載波進行了調(diào)解。圖3-1OFDM模擬圖如圖3-2是一個OFDM符號4個子載波的情況下，對于所有的子載波而言，幅值和相位都是相同的22,子載波的正交性就可以用這一特性來解釋，即是：

15、T1,1m于expjnt.expjmtdtum_n0(3-3)對式（3-2）解調(diào)第j個子載波，在T內(nèi)積分，即如下得到式（3-4）:1tsT.cj,I.ci/Iexplj2冗-(t-ts)'diexplj2九一(t-ts)dtT1,T口/TdT修ts不Ifexpj2n's(t-ts)dt=d(3-4)圖3-2OFDM四個子載波的時域波形1/T整根據(jù)公式（3-1）,頻譜幅值的矩形脈沖作為該函數(shù)的函數(shù)的零點出現(xiàn)在數(shù)倍的位置的頻率。3.2OFDM符號的形成和加窗技術(shù)由公式(3-1)得出，假設(shè)ts=0,OFDM信號的復包絡：s(t)=£directt-Tiexp(j2nfit)

16、<N(3-5)i=0為功率歸化因子,i2,fi=fc+。OFDM的功率譜密度S(f為N個子載波上T的功率譜密度總和為了使帶寬下降以外的功率譜密度更快，我們需要利用OFDM符號“窗口”技術(shù)。OFDM符號用于“加窗”是指：使符號周期的振幅值，一個一個過渡到幾乎為零的邊緣。窗口類型是常用的開余弦函數(shù)，如下：0.50.5cos二t二丁s0<t-Tsw(t)=<1.0PTs<t<Ts(3-7)0.5+0.5cos«t-TsA/(PTs)Ts<t<(1+?Ts其中，Ts表示加窗前的符號長度，(1+PTs為加窗后符號的長度，從而允許在臨時符號之前存在有相互

17、覆蓋的區(qū)域。加窗處理后的OFDM如圖3-5r=t+Tr圖3-5OFDM加窗處理示意圖圖3-6升余弦加窗函數(shù)對OFDM功率譜密度的影響3.3OFDM系統(tǒng)的仿真星座圖的形成首先設(shè)計各種參數(shù)，子載數(shù)為256,用16-QAM調(diào)制加入循環(huán)前綴和高斯白噪聲，進行IFFT,最后解調(diào)并計算誤碼率。我的論文所使用得主函數(shù)randint,調(diào)用子函數(shù)QAM16_mod,形成16QAM星座圖，最后調(diào)用QAM_16demod函數(shù)。QAM16_mod函數(shù)流程程序如以下：第4章仿真結(jié)果及分析在本次仿真中，我根據(jù)OFDM系統(tǒng)的收發(fā)框圖，首先用MATLAB仿真驗證OFDM的頻率偏移影響，并在有無保護間隔和循環(huán)前綴的情況下進行對

18、比作結(jié)果驗證。在16-QAM的調(diào)制方式下，進行有無高斯白噪聲WGN（WhiteGaussianNoised和加入循環(huán)前綴前后的情況下，加入不同的信噪比對OFDM系統(tǒng)的仿真。最后得出結(jié)果進行驗證對比。4.1 OFDM系統(tǒng)有無頻偏的性能比較由于在OFDM符號系統(tǒng)的解調(diào)過程，每個子載波頻率的最大值都是估計的，并且因此，可以從各子載波的重疊子載波的符號的符號被提取而不被其它頻譜子載波的干擾。OFDM子載波的頻譜不存在干擾之間的個數(shù)，所以最大值的子載波的頻譜和其他子載波的頻譜為0特性避免載波間干擾（ICI）,但也發(fā)現(xiàn)子載波之間的頻率問隔，每當有一個輕微的偏離將破壞這種正交性，OFDM系統(tǒng)的頻率偏移更敏感

19、。下面我們用MATLAB軟件進行仿真驗證。仿真結(jié)果如下：圖4-1無頻偏的子載波解調(diào)結(jié)果圖4-2有頻偏時子載波解調(diào)結(jié)果從圖4-1和4-2中，當頻率沒有存在偏差，解調(diào)結(jié)果與原始數(shù)據(jù)保持一致性，當解調(diào)頻率有偏差時，原始數(shù)據(jù)的解調(diào)結(jié)果相比，有很大的差距，嚴重影響了信道噪聲,通常也是容易導致后面的QAM解調(diào)產(chǎn)生差錯。4.2 循環(huán)前綴在多徑信道的OFDM性能比較2徑信道的模擬比較空白前綴和循環(huán)前綴的OFDM系統(tǒng)性能比較圖4-3有無循環(huán)前綴在兩徑信道結(jié)果對比如圖4-3可以在不超過前綴長度更多路延遲的情況下可以看出，信道均衡后，加入第二符號循環(huán)前綴不與所述第一碼元和子載波受到干擾，并添加一個空白前綴符號，于是

20、，解調(diào)后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)，當多徑信道最大延遲超出了前綴的長度不一致時，所述第二符號是將受到第一個干擾。4.3 OFDM系統(tǒng)的仿真波形圖分析以下是第一次模擬，輸入25dB的信噪比，仿真圖如下：圖4-4是輸入隨機數(shù)據(jù)的星座圖，圖中可以看出，輸入的隨機數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過了16QAM調(diào)制，調(diào)制后的星座點圖如下所示。小叉是星座點。圖4-416-QAM星座圖圖4-5是輸入加入噪聲前后的信號波形的比較。左邊和右邊分別代表信號的實部和虛部，上面和下面分別代表當加入噪聲前后的噪聲。當信號經(jīng)過高斯白噪聲的信道時，可以很看到信號的發(fā)生了較大的變化，出現(xiàn)所謂的失真。圖4-5加噪前后信號波形對比圖4-6是加入噪前后的信號幅值

21、和相位變化比較，左為幅值部分，右為相位部分上下兩圖分別是加入高斯白噪聲前后的信號。由圖得出，相位和幅度都出現(xiàn)失真狀況。圖4-6加入噪聲前后信號幅值和相位圖4-8是OFDM信號的星座圖，當信號經(jīng)過高斯白噪聲后，星座圖的點位置發(fā)生巨大的變化，圓圈和紅叉相互混合（紅叉為沒經(jīng)過高斯信道的信號，圓圈相反），這是因為當信號經(jīng)過有高斯白噪聲的信道，信號出現(xiàn)失真，星座圖出現(xiàn)變化。圖4-8接收到的OFDM符號星座圖系統(tǒng)的誤碼率為：0.1641從仿真得到，在輸入25dB的信噪比時，輸出的信號是存在誤碼率的第二個仿真信噪比為40dB時。仿真圖形如下：圖4-9是輸入隨機數(shù)據(jù)的16-QAM仿真星座圖。紅色的小叉為星座點

22、。HX圖4-916-QAM星座圖圖4-10是加入噪聲前后的信號波形圖。我們可以看到，通過高斯白噪聲的信號數(shù)值部分幾乎不變，信號加噪聲的影響特別的小。圖4-10加入噪聲前后信號對比圖4-11是加入噪聲前后的信號幅值和相位的波形圖對比情況。圖中我們可以看到，該信號通過高斯白噪聲信道，具幅值大小幾乎沒有任何一點點變化。再看相位,變化的幅度比較大，相位發(fā)生了變化，出現(xiàn)很嚴重的失真。圖4-11加入噪聲前后信號幅值和相位對比圖4-12是與循環(huán)前綴和添加循環(huán)前綴后的信號波形的比較，對兩圖分別加入循環(huán)前綴的信號波形的前、后兩圖對應的信號的實部和虛部。圖4-12加入循環(huán)前綴前后出現(xiàn)信號波形變化圖4-13為OFD

23、M信號接受時的星座圖，圖中能夠得到，經(jīng)由高斯白噪聲后，可以看出變化甚小，也就是說OFDM符號根本就沒有發(fā)生有誤碼的情況。4.4 仿真結(jié)果分析通過兩次不同信噪比對OFDM系統(tǒng)的仿真，產(chǎn)生隨機數(shù)據(jù)的星座圖，分別得出加入噪聲前后的圖像，并對波形圖進行對比，并對OFDM信號的波形具有和不具有循環(huán)前綴的比較，它可以從經(jīng)過信號高斯白噪聲信道前后的變化所獲得的結(jié)果可以看出，在信道中會產(chǎn)生信號失真，這種情況變化的原因是受到了信道的高斯白噪聲的影響。然而，通過比較在波形圖上的數(shù)據(jù)，隨著信噪比的增大，該系統(tǒng)的誤碼率會下降,系統(tǒng)性能變得更好。第5章總結(jié)通過撰寫畢業(yè)論文后，對OFDM系統(tǒng)有更深一步的了解，對其原理也有一定的認識，也能夠做一定的仿真，OFDM在整個無線接入和移動高速傳輸中的使用前景也非常可觀，被作為是