通信系統(tǒng)Simulink仿真

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：MATLAB程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：通信系統(tǒng)仿真班級：學(xué)號：姓名：成績：教師簽字：1實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱通信系統(tǒng)仿真2實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ねㄐ畔嚓P(guān)方面的知識、學(xué)習(xí)并掌握OFDM技術(shù)的原理。熟悉MATLAB語言和simulinkSimulink工具箱的使用。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)OFDM通信系統(tǒng)的建模與仿真。3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)步驟要完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：自行設(shè)計(jì)基于OFDM的通信息系統(tǒng)仿真模型，分別采用MATLAB腳本程序和基于Simulink工具箱實(shí)驗(yàn)相同的功能。對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。本次試驗(yàn)采用OFDM-16QAM系統(tǒng)來建模和仿真。應(yīng)用(或涉及)的原理：OFDM的全稱為OrthogonalFrequencyDivi

2、sionMultiplexing，意為正交頻分復(fù)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)立的子比特流，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)符號去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成了多個(gè)低速率符號并行發(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,InverseFastFourierTransform)和快速傅里葉變換(FFT，F(xiàn)astFourierTransform)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。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

3、道分割成N個(gè)子信道，即將頻率上等間隔的N個(gè)子載波信號調(diào)制并相加后同時(shí)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)N個(gè)子信道并行傳輸信息。這樣每個(gè)符號的頻譜只占用信道帶寬的1/N,且使各子載波在OFDM符號周期T內(nèi)保持頻譜的正交性。在發(fā)送端，串行碼元序列經(jīng)過數(shù)字基帶調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換，將整個(gè)信道分成N個(gè)子信道。N個(gè)子信道碼元分別調(diào)制在N個(gè)子載波頻率角必加1上,設(shè)為最低頻率，相鄰頻率相差1/N，則竝一矗十對了，用=叮2,7/-1，角頻率為矗，用=D丄2,1。待發(fā)送的OFDM信號刀為：接收端對接收到的信號進(jìn)行如下解調(diào)：由于OFDM符號周期T內(nèi)各子載波是正交的。所以，當(dāng)”二朋時(shí)，調(diào)制載波與解調(diào)載波為同頻載波，滿足相干解調(diào)的條件，才如卜直冋

4、恥。丄m，恢復(fù)了原始信號；當(dāng)“也時(shí)，接收到的不同載波之間互不干擾，無法解調(diào)出信號。這樣就在接收端完成了信號的提取，實(shí)現(xiàn)了信號的傳輸。設(shè)M-1N-0若1個(gè)F內(nèi)川H以采樣頻率（其中心心）被采樣，則可得個(gè)采樣點(diǎn)。設(shè)心購，叫丁=曲阿，則j7-l）=Z疋阿嚴(yán)憶總=叩2川-1M-0上式正是序列疋5），叮2川-0的N點(diǎn)離散傅里葉反變換（IDFT）的結(jié)果，這表明IDFT運(yùn)算可完成OFDM基帶調(diào)制過程。而其解調(diào)過程可通過離散傅里葉變換（DFT）實(shí)現(xiàn)。因此，OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程等效于IDFT和DFT。在實(shí)際應(yīng)用中，一般用IFFT/FFT來代替IDFT/DFT，這是因?yàn)镮FFT/FFT變換與IDFT/DFT

5、變換的作用相同，并且有更高的計(jì)算效率，適用于所有的應(yīng)用系統(tǒng)。具體實(shí)驗(yàn)步驟：Simulink的設(shè)計(jì)過程：OFDM系統(tǒng)組成框圖如下圖所示。其中，上半部分對應(yīng)于發(fā)射機(jī)鏈路，下半部分對應(yīng)于接收機(jī)鏈路,整個(gè)系統(tǒng)包含信道編/解碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、IFFT/FFT、加/去保護(hù)間隔和數(shù)字變頻！DATARS館碼井串轉(zhuǎn)換插入保護(hù)間閘串井轉(zhuǎn)換QP5K解調(diào)QPSK調(diào)制去除諜護(hù)間隔并串轉(zhuǎn)串并轉(zhuǎn)換數(shù)字下數(shù)字上變頻R5解怛?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)原理圖如下所示上圖中粉紅色的部分為示波器顯示部分，主體結(jié)構(gòu)為其余顏色的部分。信源數(shù)據(jù)的產(chǎn)生：在本設(shè)計(jì)中，信源系統(tǒng)采用的是伯努利二進(jìn)制序列，所設(shè)置的占空比為0.5（即在同一個(gè)波中0和1所占的比例是一

6、樣的），所產(chǎn)生的序列是以幀（frame）的形式產(chǎn)生，每幀的數(shù)據(jù)是44位，碼元寬度為16e-5/44/2s,此時(shí)輸出到信道上面的數(shù)據(jù)是44x1的形式！詳細(xì)參數(shù)如下圖所示：RS調(diào)制：本卷積碼將11個(gè)信息比特編成15個(gè)比特，由于11和15都很小，特別適合以串行形式進(jìn)行傳輸，時(shí)延小。卷積碼編碼后的15個(gè)碼元不僅與當(dāng)前段的11個(gè)信息有關(guān)，還與前面的N-1段信息有關(guān)，編碼過程中互相關(guān)聯(lián)的碼元個(gè)數(shù)為15N。卷積碼的糾錯(cuò)性能隨N的增加而增大，而差錯(cuò)率隨N的增加而指數(shù)下降。在編碼器復(fù)雜性相同的情況下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。所以本設(shè)計(jì)中采用RS碼來進(jìn)行信源編碼，方便產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)能進(jìn)行糾錯(cuò)！本RS碼，信息位為11為

7、編碼為15位的數(shù)據(jù)，所以一幀的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后幀長就變?yōu)?0，所以經(jīng)卷積編碼輸出的數(shù)據(jù)為60 x1的數(shù)據(jù)格式RS調(diào)制模塊的參數(shù)設(shè)計(jì)如下所示QPSK調(diào)制：QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的縮略語簡稱，意為正交相移鍵控是一種數(shù)字調(diào)制方式。在數(shù)字信號的調(diào)制方式中QPSK四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號調(diào)制方式，它具有較高的頻譜利用率、較強(qiáng)的抗干擾性、在電路上實(shí)現(xiàn)也較為簡單四相相移調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息，是四進(jìn)制移相鍵控。QPSK是在M=4時(shí)的調(diào)相技術(shù)，它規(guī)定了四種載波相位，分別為45，135，225，315，調(diào)制器輸入的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)

8、字序列，為了能和四進(jìn)制的載波相位配合起來，則需要把二進(jìn)制數(shù)據(jù)變換為四進(jìn)制數(shù)據(jù)，這就是說需要把二進(jìn)制數(shù)字序列中每兩個(gè)比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個(gè)雙比特碼元是由兩位二進(jìn)制信息比特組成，它們分別代表四進(jìn)制四個(gè)符號中的一個(gè)符號。QPSK中每次調(diào)制可傳輸2個(gè)信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。解調(diào)器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號的相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。本次試驗(yàn)中QPSK設(shè)置的參數(shù)如下圖所示JtairLDataTypesPararnieters以bit進(jìn)行編碼，沒兩比特進(jìn)行一次映射將00映射為-1-j；將01映射為T+j；將

9、10映射為1-j；將11映射為1+j。OFDM調(diào)制系統(tǒng)：調(diào)制模型最關(guān)鍵在于IFFT變換，在這種IFFT變化能很方便的實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制，本系統(tǒng)所用的是數(shù)字載波調(diào)制方式，采用與另外一路數(shù)字載波控制信號合成后，本來輸入的數(shù)據(jù)是30 x1的復(fù)信號，然后再中間補(bǔ)一個(gè)0構(gòu)成了了31x1的復(fù)信號，與另外一路31x1的信號合成之后就變成了31x2的一路矩陣信號，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制，又由于進(jìn)行IFFT時(shí)需要的數(shù)據(jù)是2的N次方所以在數(shù)據(jù)中加上足夠多的0構(gòu)成了64x2的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行IFFT調(diào)制之后輸出。設(shè)計(jì)的子模塊如下圖所示本OFDM調(diào)制只將該信號分為兩部分即碼元速率變?yōu)樗?/2,在兩路分開的信號合在一起后補(bǔ)了一個(gè)0。Co

10、nstantvalue:在數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFt前為了方式數(shù)據(jù)產(chǎn)生ICI,必須進(jìn)行補(bǔ)零。將數(shù)據(jù)全部集中到一個(gè)幀的中間，這樣可以很有效的防止由于碼間串?dāng)_對數(shù)據(jù)造成干擾。完成IFFT調(diào)制之后的數(shù)據(jù)如下圖所示，由于數(shù)據(jù)是復(fù)數(shù)，所以將數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)部和虛部分離出來了。參數(shù)設(shè)置IIParameters口Inputisinbit-reyets&datrder廠IInputisconjngateaynnetrLcHIDivideoutputbyFFTlengthHInheritFFIlcrirthfroiiiivpuidiJitai呂iongQutpurtsaaplitignodB：based經(jīng)過OFDM調(diào)制輸出的信

11、號是64x2的調(diào)制信號，為了防止碼間串?dāng)_需要進(jìn)行cp循環(huán)調(diào)制，這樣可以很有效的防止碼間串?dāng)_！減少系統(tǒng)的誤碼率！CP循環(huán)：應(yīng)用OFDM的一個(gè)重要原因在于它可以有效地對抗多徑時(shí)延擴(kuò)展。把輸入數(shù)據(jù)流串并變換到個(gè)并行的子信道中，使得每一個(gè)調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)周期可以擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號周期的N倍，因此時(shí)延擴(kuò)展與符號周期的數(shù)值比也同樣降低N倍。另外，通過在每個(gè)OFDM符號間插入保護(hù)間隔（GI，GuardInterval）可以進(jìn)一步抵制符號間干擾（ISI），還可以減少在接收端的定時(shí)偏移錯(cuò)誤。這種保護(hù)間隔是一種循環(huán)復(fù)制，增加了符號的波形長度，在符號的數(shù)據(jù)部分，每一每個(gè)OFDM符號的后馬個(gè)子載波內(nèi)有一個(gè)整數(shù)倍的循環(huán)

12、，此種符號的復(fù)制產(chǎn)生了一個(gè)循環(huán)的信號，即將時(shí)間中的樣點(diǎn)復(fù)制到OFDM符號的前面,形成循環(huán)前綴（CP,CyclicPrefix），在交接點(diǎn)沒有任何的間斷。因此將一個(gè)符號的尾端復(fù)制并補(bǔ)充到起始點(diǎn)增加了符號時(shí)間的長度。主徑昂檢干子就2?O3TeI嚴(yán)-J-1C1fl1:I11廠、廠、W:Y4viffl14子載玻1在本次CP循環(huán)中，將數(shù)據(jù)的3964位共25位加到每一幀的最前面去，這樣雖然增大了帶寬，但是對抑制碼間串?dāng)_有很大的好處！具體的設(shè)置參數(shù)如下圖所示indexDotionIndex(JutDUt51iIridesvector(dia.log)39：64?1:64Inkerl-t2Selectalln

13、/aInheritfOFDM解調(diào)模塊OFDM解調(diào)模塊是將是對上面的IFFT數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換恢復(fù)數(shù)據(jù)，然后按照上面數(shù)據(jù)的排列恢復(fù)所需要的數(shù)據(jù)！設(shè)計(jì)模塊如下圖所示itii數(shù)據(jù)矩陣分離FFT“Hi選擇數(shù)據(jù)幀由于數(shù)據(jù)幀與數(shù)據(jù)幀間存在很長一段的0數(shù)據(jù)，所以可以之間進(jìn)行FFT變換而不需要去掉0之后再進(jìn)行FFT變換，這樣的方式充分的利用FFt變換的優(yōu)勢！設(shè)計(jì)流程圖如下所示FFT的參數(shù)設(shè)置如下所示DataTypesParameOutputinbit-reversedorderDividebutterflyoutputsbytiifo/Iriheri丈FFTlengthfrominputdimenEionE信

14、道估計(jì)F面是信道電路圖以及各參數(shù)設(shè)置PN序列發(fā)生器參數(shù)如下所示該去零中使用的行選擇器的參數(shù)設(shè)置如下所示這樣就去掉了第16行就可以很好的恢復(fù)出經(jīng)過QPSK映射后的數(shù)據(jù)，接下來要做的事將映射后的數(shù)據(jù)還原。QPSK解調(diào)：Qpsk解調(diào)是將復(fù)數(shù)映射到實(shí)數(shù)域里面，1+j映射為11將1-j映射為10;-1+j映射為01;-1-j映射為00;的映射原則將數(shù)據(jù)映射回去，這樣就將原來30 x1的數(shù)據(jù)變味了60 x1的數(shù)據(jù)。將帶寬變味了原來的兩倍。RS卷積譯碼：本設(shè)計(jì)中直接使用simulink自帶的譯碼模塊，但其設(shè)計(jì)思路是基于維特比譯碼設(shè)計(jì)的，所以在上面寫出了維特比譯碼原理。譯碼器設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示Spedfygen

15、eratorpolynomialPuncturedcodeEnableerasuresinputport3Outputnumberof匚orrectederrorsOutputdatatype:SameasinputMATLAB腳本程序說明：（1）確定參數(shù)：需要確定的參數(shù)為：子信道，子載波數(shù)，F(xiàn)FT長度，每次使用的OFDM符號數(shù)，調(diào)制度水平，符號速率，比特率，保護(hù)間隔長度，信噪比，插入導(dǎo)頻數(shù)，基本的仿真可以不插入導(dǎo)頻，可以為0。（2）產(chǎn)生數(shù)據(jù)：使用個(gè)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)，每次產(chǎn)生的數(shù)據(jù)carrier_count*symbols_per_carrier*bits_per_symbol。（3

16、）編碼交織：交織編碼可以有效地抗突發(fā)干擾。（4）子載波調(diào)制：OFDM采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM4種調(diào)制方式。按照星座圖，將每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù)，映射到星座圖點(diǎn)的復(fù)數(shù)表示，轉(zhuǎn)換為同相Ich和正交分量Qch。（5）串并轉(zhuǎn)換：將一路高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多路低速數(shù)據(jù)。（6）IFFT：對上一步得到的相同分量和正交分量按照（Ich+Qch*i）進(jìn)行IFFT運(yùn)算。并將得到的復(fù)數(shù)的實(shí)部作為新的Ich，虛部作為新的Qch。（7）加入保護(hù)間隔：由IFFT運(yùn)算后的每個(gè)符號的同相分量和正交分量分別轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并將符號尾部G長度的數(shù)據(jù)加到頭部，構(gòu)成循環(huán)前綴。如果加入空的間隔，在多徑傳播的影響下，會造成載

17、波間干擾ICI。保護(hù)見個(gè)的長度G應(yīng)該大于多徑時(shí)的擴(kuò)張的最大值。（8）加窗：加窗是為了降低系統(tǒng)的PAPR，滾降系數(shù)為1/32。通過這種方法，可以顯著地改善OFDM通信系統(tǒng)高的PAPR分布，大大降低了峰值信號出現(xiàn)的概率以及對功率放大器的要求，節(jié)約成本。經(jīng)常被采用的窗函數(shù)是升余弦窗。（9）通過信道：信道分為多徑實(shí)驗(yàn)信道和高斯白噪聲信道。多徑時(shí)延信道直射波河延遲波對于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間按照固定比率遞減，因此多徑時(shí)延信道參數(shù)為比率和對大延遲時(shí)間。（10）同步：同步是決定OFDM系統(tǒng)高性能十分重要的方面，實(shí)際OFDM系統(tǒng)都有同步過稱。主要同步方法有使用導(dǎo)頻，循環(huán)前綴，忙算法三種。研究目的為同步的可以詳細(xì)實(shí)現(xiàn)本步，基

18、本的方針可以略過此步，假設(shè)接收端已經(jīng)于發(fā)射端同步。（11）去掉保護(hù)間隔：根據(jù)同步得到的數(shù)據(jù)，分別見給每個(gè)符號的同相分量和正交分量開頭的保護(hù)間隔去掉。（12）并串轉(zhuǎn)換：將每個(gè)符號分布在子信道上的數(shù)據(jù)，還原為一路串行數(shù)據(jù)。（13）FFT:對每個(gè)符號的同相分量和正交分量按照（Ich+Qch*i）進(jìn)行FFT運(yùn)算。并將得到的實(shí)部作為新的Ich，虛部作為新的Qch。與發(fā)端相類似，上述相關(guān)運(yùn)算可以通過離散傅立葉變換（DFT）或快速傅立葉變換（FFT）來實(shí)現(xiàn)。（14）子載波解調(diào)：FFT后的同相粉臉感和正交分量兩組數(shù)據(jù)在星座圖上對飲高的點(diǎn)，由于噪聲和信道的影響，不再是嚴(yán)格的發(fā)送端的星座圖。將得到的星座圖上的點(diǎn)按

19、照最近原則判決為原星座圖上的點(diǎn)，并按映射規(guī)則還原為一組數(shù)據(jù)。（15）解碼解交織：按照編碼交織對應(yīng)解碼，解交織的方法，還原為原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行糾錯(cuò)處理。（16）計(jì)算誤碼率：比較第2步產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)，計(jì)算誤碼率BER4實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)所使用的器件、儀器設(shè)備：一臺PC機(jī)、軟件MATLAB、simulink工具箱。5實(shí)驗(yàn)過程與分析Simulink仿真結(jié)果：信源數(shù)據(jù)的產(chǎn)生：產(chǎn)生的波形如下圖所示QPSK調(diào)制：所形成的星座圖如下圖所示-+*nj_iiiiIIIIIIIIIIIIUiIlliIIIIII1I1111IIIIIIII1-In3-2-1)123每一個(gè)角度對應(yīng)一個(gè)數(shù)值左上角對應(yīng)的是01,右上角對

20、應(yīng)的是11左下角對應(yīng)的是00;右下角對應(yīng)的是10經(jīng)過映射之后輸出的數(shù)據(jù)是復(fù)數(shù)，且信道上面此時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為30 x1的數(shù)據(jù)格式，每幀的長度變?yōu)?0可以觀察到實(shí)部和虛部的數(shù)據(jù)，也就是IQ兩路數(shù)據(jù)如下所示OFDM調(diào)制系統(tǒng)：本OFDM調(diào)制只將該信號分為兩部分即碼元速率變?yōu)樗?/2,在兩路分開的信號合在一起后補(bǔ)了一個(gè)0,之后的波形如下圖所示補(bǔ)零模塊參數(shù)設(shè)置圖形在波形之下在數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFt前為了方式數(shù)據(jù)產(chǎn)生ICI,必須進(jìn)行補(bǔ)零，補(bǔ)零后形成的波形如下圖所示將數(shù)據(jù)全部集中到一個(gè)幀的中間，這樣可以很有效的防止由于碼間串?dāng)_對數(shù)據(jù)造成干擾。完成IFFT調(diào)制之后的數(shù)據(jù)如下圖所示，由于數(shù)據(jù)是復(fù)數(shù)，所以將數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)部和

21、虛部分離出來了。實(shí)部虛部經(jīng)過OFDM調(diào)制輸出的信號是64x2的調(diào)制信號，要進(jìn)行cp循環(huán)調(diào)制，這樣可以很有效的防止碼間串?dāng)_！從實(shí)部和虛部來看這里有四路數(shù)據(jù)！CP循環(huán)：仿真之后實(shí)部和虛部的波形分別如下所示實(shí)部為了防止碼間串?dāng)_需減少系統(tǒng)的誤碼率！a門虛部接收機(jī)的串并轉(zhuǎn)換：將信號分解之后與源發(fā)送端的信號進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)輸出的信號是完全一致的除了時(shí)間上面的延遲以外如下圖去CP循環(huán)：選擇輸出后的數(shù)據(jù)與發(fā)送端沒有加CP循環(huán)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。可以發(fā)現(xiàn)兩數(shù)據(jù)是完全一致的。波形比較如下所示OFDM解調(diào)模塊：變化后的數(shù)據(jù)如下圖信道估計(jì)：可以看到兩路信號相乘之后的數(shù)據(jù)為一個(gè)正弦波每一個(gè)周期對應(yīng)兩個(gè)碼元寬度，然后用這樣的得到

22、的正弦波與數(shù)據(jù)波相乘就可以得到恢復(fù)后的加了一個(gè)零的的數(shù)據(jù)，如下圖所示接下來要做的事就是去掉每幀數(shù)據(jù)中間的零，這可以用一個(gè)rowsleet選擇去掉第16行即可。此時(shí)輸出的數(shù)據(jù)為QPSK解調(diào)：映射后的數(shù)據(jù)圖如下所示如下所示兩路數(shù)據(jù)除了延遲以外數(shù)據(jù)的內(nèi)容是一模一樣的。可以說OFDM調(diào)制解調(diào)恢復(fù)出來的數(shù)據(jù)誤碼率很低。RS卷積譯碼：經(jīng)譯碼后輸出的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較如下所示除了延遲波形保持完全一致，在通過誤碼率（信噪比為lOdb）計(jì)算可以看出這樣的誤碼率為0。MATLAB腳本程序仿真結(jié)果：16QAM調(diào)制后星座團(tuán)循環(huán)前后繳不養(yǎng)抑的OFDMTimeSignal(.-Eon)-snQ_E.5a-10002000300040005000600070008000EO-Time(sample?)循環(huán)前后綴蠱加的OFDMTimeSignali-xapnl_-dE5o.-10002000300040005000600070008000Time(samples)4抑窗的發(fā)送信號頻諸00000mp)apnlEcnE