4G OFDM系統(tǒng)的仿真及其誤碼率性能分析d

1、 4GOFDM系統(tǒng)的仿真及其誤碼率性能分析摘要：本文主要研究分析了OFDM系統(tǒng)的誤碼率性能，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)仿真。并通過(guò)信噪比，多普勒效應(yīng)和保護(hù)間隔測(cè)量并計(jì)算誤碼率。在仿真過(guò)程中，使用BPSK、QPSK和16PSK調(diào)制技術(shù)，信道采用高斯白噪聲信道。OFDM信號(hào)加入信噪比，多普勒效應(yīng)和保護(hù)間隔的效果能改善系統(tǒng)性能。索引詞：高斯白噪聲、誤碼率（BER）、多普勒效應(yīng)、保護(hù)間隔、OFDM系統(tǒng)、信噪比（SNR）1.簡(jiǎn)介下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的目標(biāo)是要像聲音信號(hào)那樣做到高速數(shù)據(jù)、圖像及多媒體無(wú)線通信等通信服務(wù)的無(wú)縫接合。而能夠應(yīng)付這種挑戰(zhàn)的便是4GOFDM系統(tǒng)。雖然OFDM調(diào)制原理早在1960年就已經(jīng)存在

2、，但在最近幾年才在商用的高速通信系統(tǒng)中作為關(guān)鍵調(diào)制技術(shù)嶄露頭角。其最主要原因在于它能方便得實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸率，并有效抑制離散信道的符號(hào)間干擾。所以，OFDM調(diào)制被廣泛應(yīng)用于有線和無(wú)線通信系統(tǒng)，例如歐洲的數(shù)字音頻、視頻廣播，還有局域網(wǎng)等。本文第二章是OFDM系統(tǒng)的文獻(xiàn)綜述，第三章講述了OFDM系統(tǒng)的數(shù)字工具和技術(shù)。第四章設(shè)計(jì)了OFDM系統(tǒng)并在第五章給出仿真結(jié)果，最后，第六章作為結(jié)論。OFDM技術(shù)是由多載波調(diào)制發(fā)送技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。多載波傳輸MCM把發(fā)送比特流分解成若干具有低比特率的并行子比特流，然后用這樣低比特率形成的低速率的多狀態(tài)符號(hào)再去調(diào)制相應(yīng)載波。第一個(gè)使用MCM技術(shù)的是50年代末60年代初

3、的高頻軍用系統(tǒng)，例如：Kineplex,Andeft和Kathryn系統(tǒng)。OFDM是一種特殊的MCM技術(shù)，具有大規(guī)模子載波和可重疊頻譜的特點(diǎn)，于1966年在BELL實(shí)驗(yàn)室由Chang提出發(fā)表并獲得專利。OFDM徹底拋棄了采用帶通濾波器將各個(gè)子載波頻譜完全分離的方式，而前者被廣泛應(yīng)用于頻分多址（FDMA）。而作為替代的，OFDM采用各子載波保持互相正交的方式以保證時(shí)域波形上載波頻譜能夠有部分重疊。其中發(fā)送數(shù)據(jù)流的正交可通過(guò)傅里葉變換（或者快速傅里葉變換FFT）得到。由于OFDM的各個(gè)子載波之間相互正交，可采用FFT實(shí)現(xiàn)這種調(diào)制，但在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)時(shí)傅里葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)振蕩器的穩(wěn)

4、定性以及射頻放大器的線性要求等因素都成為OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的制約條件。所以O(shè)FDM技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世并沒(méi)有馬上得到廣泛應(yīng)用。如今，隨著諸多技術(shù)問(wèn)題的解決，自上世紀(jì)90年代起，OFDM技術(shù)由于其在衰落信道中的抗衰落的優(yōu)勢(shì)得到了多方的興趣與關(guān)注。2.OFDM系統(tǒng)的數(shù)學(xué)化工具與技術(shù)OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案。它可以被看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)作一種多路復(fù)用技術(shù)，多路復(fù)用與OFDM的不同在于前者的發(fā)送信號(hào)來(lái)自不同信源，而后者的發(fā)送信號(hào)來(lái)自同一信源并且由此信號(hào)分成若干子信號(hào)。MCM的基本思想是把單個(gè)數(shù)據(jù)流串變換為N路速率較低的子數(shù)據(jù)流串，而OFDM的主要思想是在頻域內(nèi)將所給信道分成若干個(gè)正交子信道，

5、將待傳的數(shù)據(jù)分到各個(gè)子信道并行傳輸，然后分別進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。1971年Weinstein和Erbet提出了利用傅里葉變換調(diào)制多載波信號(hào)，并用傅里葉反變換進(jìn)行相干解調(diào)。下文將給出數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明幅角的有效性。f1fed）n-i假設(shè)一數(shù)據(jù)串（dO,dl,，dn-1）,每個(gè)數(shù)據(jù)符dn是一個(gè)復(fù)數(shù)：d=an+jbn。對(duì)向量nn=o做傅里葉變換得到N個(gè)復(fù)數(shù)向量s=（s0,s1,，sn-1）,有At是區(qū)間內(nèi)的任意值。則S的實(shí)部有：如果這部分以時(shí)間間隔At通過(guò)低通濾波器，則可得到近似的頻分復(fù)用信號(hào)：由于只有調(diào)試數(shù)據(jù)的實(shí)部才會(huì)被發(fā)送,故以兩倍采樣頻率做傅里葉變換來(lái)恢復(fù)對(duì)調(diào)制數(shù)據(jù)，即卩得到傅里葉變換的結(jié)果為：則可以提

6、取出原始數(shù)據(jù)al和bl的實(shí)部和虛部zl（除1=0的情況以外）。由于并聯(lián)輸入的正弦部分是有時(shí)限的，功率頻譜為sinf/f2，即只要選擇正確的采樣間距，則其余部分互不干擾。因此OFDM符號(hào)的正交性能有效對(duì)抗碼間干擾。本文另外還提出了簡(jiǎn)單的均衡方案并研究了線性信道的失真影響。3.OFDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)仿真，使用MATLAB建立圖1中的鏈路。本文基于此系統(tǒng)模型。此模型實(shí)現(xiàn)了OFDM系統(tǒng)的基本特性。MATLAB環(huán)境下能幫助實(shí)現(xiàn)這一目的。A.算法以下是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真的概述與基本原理：生成一組長(zhǎng)度可分的二進(jìn)制數(shù)據(jù)采用BPSK技術(shù)調(diào)制信號(hào)，通過(guò)語(yǔ)句：out=msg.12得到使用MATLAB模塊“reshape

7、s”進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換進(jìn)行傅里葉反變換加入延時(shí)循環(huán)。根據(jù)輸入?yún)?shù)的保護(hù)長(zhǎng)度定義此延時(shí)長(zhǎng)度。進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)備信號(hào)傳輸。通過(guò)帶有高斯白噪聲的瑞利多徑衰落信道，同時(shí)進(jìn)行信道估算。進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換。消除保護(hù)循環(huán)前綴根據(jù)得到的信道估值，對(duì)接收信號(hào)均衡化。使用傅里葉變換恢復(fù)信號(hào)。進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換對(duì)BPSK編碼符號(hào)解調(diào)，判決域?yàn)椋篸emond=2（實(shí)部（RXmsg）=0）計(jì)算系統(tǒng)誤碼率仿真結(jié)果本文仿真了信噪比、多普勒效應(yīng)以及保護(hù)間隔對(duì)OFDM信號(hào)的影響，并得出了如下的仿真結(jié)果：信噪比和誤碼率性能的仿真結(jié)果首先使用隨機(jī)比特發(fā)生器產(chǎn)生一組隨機(jī)信號(hào)，并使用不同的調(diào)制技術(shù)調(diào)制該信號(hào)，例如BPSK、QPSK、16PSK技

8、術(shù)。使信號(hào)通過(guò)高斯白噪聲信道，此時(shí)解調(diào)信號(hào)并進(jìn)行檢錯(cuò)。本次仿真選擇不同的信噪比值進(jìn)行研究，此處的信噪比可看作平均信噪比。從圖表中我們可以看到誤碼率隨信噪比變化曲線。仿真使用100個(gè)子載波，比特率為1OObps。通過(guò)仿真結(jié)果我們可以看出，采用16PSK、QPSK、BPSK調(diào)制技術(shù)分別可以允許信噪比SNR大于28dB，SNR大于15-17dB和SNR大于7-10dB。其中，16PSK調(diào)制技術(shù)可允許的信噪比大于其余兩個(gè)。所以，可以采用16PSK調(diào)制技術(shù)測(cè)量和計(jì)算誤碼性能。保護(hù)間隔和誤碼率性能的仿真結(jié)果為分析循環(huán)前綴的效果，取信道最大時(shí)延擴(kuò)展值為5妙,循環(huán)前綴的長(zhǎng)度分別取1妙、4妙、20妙。多徑仿真采

9、用兩個(gè)不同路徑，取最大多普勒時(shí)延為1kHZ。下圖演示了不同的循環(huán)前綴取值下系統(tǒng)性能的相對(duì)變化曲線圖。正如預(yù)期那樣，當(dāng)保護(hù)循環(huán)前綴的長(zhǎng)度小于5妙時(shí)，OFDM系統(tǒng)信號(hào)有符號(hào)間干擾，并且誤碼率直線上升，曲線的上升趨勢(shì)明顯。當(dāng)保護(hù)長(zhǎng)度大于或等于5妙時(shí)誤碼率很低。當(dāng)保護(hù)長(zhǎng)度略低于所需長(zhǎng)度，為4妙時(shí)，誤碼率上升，當(dāng)保護(hù)長(zhǎng)度預(yù)案低于多徑時(shí)延長(zhǎng)度僅為1妙時(shí)，OFDM系統(tǒng)出現(xiàn)了多個(gè)符號(hào)間干擾，誤碼率也很高。最后，我們可以得出結(jié)論：對(duì)于BPSK和QPSK調(diào)制技術(shù)來(lái)說(shuō)，誤碼率隨著保護(hù)長(zhǎng)度的降低而上升，反之亦然。多普勒效應(yīng)和誤碼率性能的仿真結(jié)果在此項(xiàng)仿真中，我們采用3,5,10等不同的信道估計(jì)率。此處2kHZ是最大多

10、普勒擴(kuò)展。同樣，還是把信道分成兩個(gè)子信道。采用5kHZ的循環(huán)前綴來(lái)保證結(jié)果不受符號(hào)間干擾。結(jié)果如下圖所示。這里我們采用兩種調(diào)制技術(shù)：BPSK和QPSK。在實(shí)際仿真中，最小估算率一般可以從給定的最大多普勒擴(kuò)展推出。比較這三種符號(hào)曲線，我們可以看到：當(dāng)符號(hào)數(shù)增加時(shí)，誤碼率也在增加，反之亦然。兩種調(diào)制技術(shù)都可以得出此結(jié)論。結(jié)論符號(hào)間干擾和碼間串?dāng)_是OFDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題。而這些問(wèn)題可以通過(guò)添加保護(hù)前綴/保護(hù)間隔解決。在信噪比和誤碼率性能的分析中，可以看出：在相同給定信道環(huán)境下，誤碼率隨信噪比的增加而降低。此時(shí)誤碼率為零。我們采用BPSK、QPSK、16PSK等調(diào)制技術(shù)。誤碼率決定于子載波數(shù)和信號(hào)傳

11、輸時(shí)間。BPSK、QPSK、16PSK要求的最小信噪比分別為7dB、12dB和26dB。在保護(hù)間隔和誤碼率性能的仿真項(xiàng)目中，在相同信道環(huán)境下，若增加保護(hù)長(zhǎng)度，誤碼率隨之下降。此時(shí)誤碼率為零。在多普勒效應(yīng)和誤碼率性能的仿真項(xiàng)目中，在相同信道環(huán)境下，若增加符號(hào)數(shù)，誤碼率也隨之增加。最后，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)仿真的分析，我們可以推出:添加一個(gè)最小值為最大多徑時(shí)延擴(kuò)展的循環(huán)前綴就可以有效抵抗符號(hào)間干擾。因此，在低速和多普勒擴(kuò)展的條件下，能產(chǎn)生較低的信道估算率以改善數(shù)據(jù)吞吐效率。圖1.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方框圖a4-t弟生o二0AJOUJ一PJRno*s0*耀魁比M生盤(pán)siI術(shù)趙卒摩叵藉吆卜垂惡Msda.9(mmuNS_0

12、畝上QMsdD$.QJSHc-ozol_BUB_Buub上qa笆爰工出s【i,/r/7*$/jryr3H.CENSffi-s.HNS_muu辛0N/dglr-BloR足s-ozPUBmpuuequS2S.Hmmmp)HN3puusquiledm點(diǎn)ofld_M-s空QwPUEBLOmlsm EffectofGuardIntervalforBPSKEfladorGuardIntersDorBPSK圖8.BPSK調(diào)制下保護(hù)間隔長(zhǎng)度為20陰的BER性圖9.BPSK調(diào)制下保護(hù)間隔長(zhǎng)度為1,4,20gs的BER性能EffectofGuardInteivalforQP&KEffectofGuardInter

13、valforQPSK圖10.QPSK調(diào)制下保護(hù)間隔長(zhǎng)度為1陰的BER性臺(tái)匕冃匕EffectofGuardIntervalforQPSK圖11.QPSK調(diào)制下保護(hù)間隔長(zhǎng)度為4陰的BER性臺(tái)匕冃匕EffectofGuardIntenslforQPSK圖12.QPSK調(diào)制下保護(hù)間隔長(zhǎng)度為20陰的BER性能ChannelSNR(dB)圖13.QPSK調(diào)制下保護(hù)間隔長(zhǎng)度為1,4,20陰的BER性能MaramumDopplerof2kHzforBPSKChannelSNR(dB)圖14.BPSK調(diào)制的3符號(hào)估算率的BER性能MaKimunDopplerof2kHzforBPSKMaKimunDopplerof2kHzforBPSK圖15.BPSK調(diào)制的5符號(hào)估算率的BER性能圖16.BPSK調(diào)制的10符號(hào)估算率的BER性能MajrimumDopplerof2kHzforBPSKChannelSNR(dB)1HXmtds1ft“時(shí)MajdmumDopplerof1kHzforQPSK圖1