OFDM的系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)

..OFDM的系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)實驗器件Matlab編程軟件、PC機(jī)實驗?zāi)康?、通過實驗過程熟悉OFDM的系統(tǒng)運(yùn)行過程.2、進(jìn)一步練習(xí)通過MATLAB解決通信系統(tǒng)的仿真問題.3、掌握導(dǎo)頻插入、訓(xùn)練序列等原理與實際運(yùn)用.4、掌握通過實際仿真與理論分析的結(jié)合的方法.三、OFDM的基本原理OFDM<OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing>即正交頻分復(fù)用技術(shù),實際上OFDM是多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道,將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流,調(diào)制到在每個子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開,這樣可以減少子信道之間的相互干擾ICI。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬,因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落,從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分,信道均衡變得相對容易。在向B3G/4G演進(jìn)的過程中,OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一,可以結(jié)合分集,時空編碼,干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù),最大限度的提高了系統(tǒng)性能。包括以下類型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多帶-OFDM。OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的,而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制,并且各子載波并行傳輸。這樣,盡管總的信道是非平坦的,具有頻率選擇性,但是每個子信道是相對平坦的,在每個子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸,信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬,因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交,它們的頻譜是相互重疊的,這樣不但減小了子載波間的相互干擾,同時又提高了頻譜利用率。OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制〔Multi－CarrierModulation,MCM技術(shù)。有些文獻(xiàn)上將OFDM和MCM混用,實際上不夠嚴(yán)密。MCM與OFDM常用于無線信道,它們的區(qū)別在于：OFDM技術(shù)特指將信道劃分成正交的子信道,頻道利用率高；而MCM,可以是更多種信道劃分方法。OFDM技術(shù)的推出其實是為了提高載波的頻譜利用率,或者是為了改進(jìn)對多載波的調(diào)制,它的特點是各子載波相互正交,使擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊,從而減小了子載波間的相互干擾。在對每個載波完成調(diào)制以后,為了增加數(shù)據(jù)的吞吐量、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?它又采用了一種叫作HomePlug的處理技術(shù),來對所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號位的載波進(jìn)行合并處理,把眾多的單個信號合并成一個獨(dú)立的傳輸信號進(jìn)行發(fā)送。另外OFDM之所以備受關(guān)注,其中一條重要的原因是它可以利用離散傅立葉反變換/離散傅立葉變換〔IDFT/DFT代替多載波調(diào)制和解調(diào)。OFDM增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中,單個衰落或者干擾可能導(dǎo)致整個鏈路不可用,但在多載波的OFDM系統(tǒng)中,只會有一小部分載波受影響。此外,糾錯碼的使用還可以幫助其恢復(fù)一些載波上的信息。通過合理地挑選子載波位置,可以使OFDM的頻譜波形保持平坦,同時保證了各載波之間的正交。OFDM盡管還是一種頻分復(fù)用〔FDM,但已完全不同于過去的FDM。OFDM的接收機(jī)實際上是通過FFT實現(xiàn)的一組解調(diào)器。它將不同載波搬移至零頻,然后在一個碼元周期內(nèi)積分,其他載波信號由于與所積分的信號正交,因此不會對信息的提取產(chǎn)生影響。OFDM的數(shù)據(jù)傳輸速率也與子載波的數(shù)量有關(guān)。OFDM每個載波所使用的調(diào)制方法可以不同。各個載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式,比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等,以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。我們通過選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式就可以獲得最大頻譜效率。無線多徑信道的頻率選擇性衰落會使接收信號功率大幅下降,經(jīng)常會達(dá)到30dB之多,信噪比也隨之大幅下降。為了提高頻譜利用率,應(yīng)該使用與信噪比相匹配的調(diào)制方式?？煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)正常運(yùn)行的基本考核指標(biāo),所以很多通信系統(tǒng)都傾向于選擇BPSK或QPSK調(diào)制,以確保在信道最壞條件下的信噪比要求,但是這兩種調(diào)制方式的頻譜效率很低。OFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制,根據(jù)信道條件的好壞來選擇不同的調(diào)制方式。比如在終端靠近基站時,信道條件一般會比較好,調(diào)制方式就可以由BPSK〔頻譜效率1bit/s/Hz轉(zhuǎn)化成16QAM－64QAM〔頻譜效率4～6bit/s/Hz,整個系統(tǒng)的頻譜利用率就會得到大幅度的提高。自適應(yīng)調(diào)制能夠擴(kuò)大系統(tǒng)容量,但它要求信號必須包含一定的開銷比特,以告知接收端發(fā)射信號所應(yīng)采用的調(diào)制方式。終端還要定期更新調(diào)制信息,這也會增加更多的開銷比特。OFDM還采用了功率控制和自適應(yīng)調(diào)制相協(xié)調(diào)工作方式。信道好的時候,發(fā)射功率不變,可以增強(qiáng)調(diào)制方式〔如64QAM,或者在低調(diào)制方式〔如QPSK時降低發(fā)射功率。功率控制與自適應(yīng)調(diào)制要取得平衡。也就是說對于一個發(fā)射臺,如果它有良好的信道,在發(fā)送功率保持不變的情況下,可使用較高的調(diào)制方案如64QAM；如果功率減小,調(diào)制方案也就可以相應(yīng)降低,使用QPSK方式等。自適應(yīng)調(diào)制要求系統(tǒng)必須對信道的性能有及時和精確的了解,如果在差的信道上使用較強(qiáng)的調(diào)制方式,那么就會產(chǎn)生很高的誤碼率,影響系統(tǒng)的可用性。OFDM系統(tǒng)可以用導(dǎo)頻信號或參考碼字來測試信道的好壞。發(fā)送一個已知數(shù)據(jù)的碼字,測出每條信道的信噪比,根據(jù)這個信噪比來確定最適合的調(diào)制方式。三、OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)的整體思路1、系統(tǒng)圖如下：2、具體實現(xiàn)過程〔1先進(jìn)行信道編碼為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的性能,信道編碼〔通常還伴有交織是普遍采用的方法。在OFDM系統(tǒng)中,如果信道衰落不是太嚴(yán)重,均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的,因為OFDM系統(tǒng)自身具有利用信道分集特性的能力,一般的信道特性信息已經(jīng)被OFDM這種調(diào)制方式本身所利用了。但是,OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機(jī)會,形成COFDM〔前置編碼OFDM方式。編碼可以采用各種碼,如分組碼、卷積碼等,其中卷積碼的效果要比分組碼好,但分組碼的編解碼實現(xiàn)更為簡單?！?子載波調(diào)制傳輸信號進(jìn)行信道編碼后,要進(jìn)行子載波的數(shù)字調(diào)制將其轉(zhuǎn)換成載波幅度和相位的映射,一般采用QAM或MPSK方式。各子載波不必要采用相同的狀態(tài)數(shù)〔進(jìn)制數(shù),甚至不必要采用相同的調(diào)制方式。這使得OFDM支持的傳輸速率可以在一個較大的范圍內(nèi)變化,并可以根據(jù)子信道的干擾情況,在不同的子信道上采用不同狀態(tài)數(shù)的調(diào)制,甚至采用不同的調(diào)制方式。調(diào)制信號星座在IFFT之前根據(jù)調(diào)制模式形成?！?加入保護(hù)間隔應(yīng)用OFDM的一個重要原因在于它可以有效地對抗多徑時延擴(kuò)展。把輸入數(shù)據(jù)流串并變換到個并行的子信道中,使得每一個調(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OFDM符號間插入保護(hù)間隔可以進(jìn)一步抵制符號間干擾〔ISI,還可以減少在接收端的定時偏移錯誤。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,每一個子載波內(nèi)有一個整數(shù)倍的循環(huán),此種符號的復(fù)制產(chǎn)生了一個循環(huán)的信號,即將每個OFDM符號的后時間中的樣點復(fù)制到OFDM符號的前面,形成循環(huán)前綴,在交接點沒有任何的間斷。因此將一個符號的尾端復(fù)制并補(bǔ)充到起始點增加了符號時間的長度。符號的總長度為,其中為OFDM符號的總長度,為抽樣的保護(hù)間隔長度,TFFT為FFT變化產(chǎn)生的無保護(hù)間隔的OFDM符號長度,則可以完全克服ISI的影響。同時,由于OFDM延時副本內(nèi)所包含的子載波的周期個數(shù)也為整數(shù),時延信號就不會破壞子載波間的正交性,在FFT解調(diào)過程中就不會產(chǎn)生載波間干擾〔ICI?！?將信號進(jìn)行上變頻〔載波調(diào)制后,發(fā)送出去,在接收端經(jīng)過解調(diào)、逆快速傅里葉變換、去掉保護(hù)間隔等過程即可恢復(fù)原始的信號。四、OFDM系統(tǒng)的具體實現(xiàn)1、詳細(xì)設(shè)計思路接收端采用的算法和程序流程與發(fā)送端發(fā)送的OFDM符號的幀結(jié)構(gòu)有關(guān)系。具體的幀結(jié)構(gòu),以及定時估計,頻偏估計,剩余誤差跟蹤的算法可參考算法說明文檔。這里對程序的流程進(jìn)行說明。首先根據(jù)短訓(xùn)練字的特性進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,進(jìn)行信號到達(dá)檢測,當(dāng)檢測到相關(guān)值大于門限一定次數(shù)后,認(rèn)為有信號到達(dá)。然后根據(jù)長訓(xùn)練字的特性,進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,進(jìn)行OFDM符號FFT窗口起始位置的估計。估計出FFT窗口的位置后,先在時域進(jìn)行小頻偏的估計,將兩個長訓(xùn)練字進(jìn)行小頻偏補(bǔ)償后,進(jìn)行FFT運(yùn)算,根據(jù)FFT運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行整數(shù)倍頻偏的估計。這些參數(shù)估計完成后,就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)了。先對數(shù)據(jù)部分進(jìn)行完整的頻偏補(bǔ)償,然后根據(jù)估計的FFT窗口位置進(jìn)行FFT運(yùn)算得到頻域的數(shù)據(jù),進(jìn)行解調(diào)。然后在對應(yīng)于導(dǎo)頻的子載波位置上提取出導(dǎo)頻信息,根據(jù)導(dǎo)頻信息估計出剩余定時誤差以及剩余的信道響應(yīng)誤差,將誤差量送入環(huán)路進(jìn)行跟蹤。當(dāng)收到所有數(shù)據(jù)后,重新回到信號到達(dá)檢測狀態(tài),進(jìn)行下一次信號到達(dá)的檢測和信號接收。2、程序流程圖3、具體代碼實現(xiàn)Nfft=128*2;%256進(jìn)行256點的FFTNg=32*2;%64Nzero=0;Nzerosub=floor<<Nfft*0.5>/2>;%forpaddingNtotal=Ng+2*Nzero+Nfft;%320Constellation_num=16;Symbol_num=20;%ableN=Symbol_num*Nfft;%totalNs=Symbol_num*Ntotal;Pnum_least<1:Symbol_num>=10000;Pnum<1:Symbol_num>=0;Ndata_o=Symbol_num*<Nfft/2-Nfft/16/2>;sita=0;sita1=1;sita2=0;sita3=0;%測試變量sign=1;%forfilterLHBF1=23;%半帶濾波器長度%I1=zeros<1,Ndata_o>;%I2=zeros<1,Ndata_o>;%I3=zeros<1,Ndata_o>;%I4=zeros<1,Ndata_o>;CHBF1<1:LHBF1>=0;InsertGIout<1:Symbol_num,1:Ntotal>=0;%半帶濾波器系數(shù)fid2=fopen<'HBF23.txt','r'>;CHBF1=fscanf<fid2,'%f'>;fclose<fid2>;IHBF1in<1:LHBF1>=0;QHBF1in<1:LHBF1>=0;%進(jìn)行半帶濾波時的緩沖區(qū)IHBF1out<1:2*Ns>=0;QHBF1out<1:2:Ns>=0;%兩倍上采樣后時域數(shù)據(jù)的存放數(shù)組%I、Q分別表示I、Q兩路信號ii=1;k=1;k1=1;k2=1;k3=1;k4=1;k5=1;t=1;t2=1;t3=1;SoutI<1:Ns>=0;SoutQ<1:Ns>=0;%沒有進(jìn)行兩倍上采樣之前的時域數(shù)據(jù)存放數(shù)組%I、Q分別表示I、Q兩路信號IFFToutI<1:Symbol_num,1:Nfft>=0;IFFToutQ<1:Symbol_num,1:Nfft>=0;IFFToutIQ<1:Symbol_num,1:Nfft>=0;IFFToutIQS<1:Symbol_num,1:Nfft>=0;%進(jìn)行IFFT運(yùn)算后OFDM符號存放數(shù)組%I、Q分別表示I、Q兩路信號%IQ表示復(fù)數(shù)信息FFTout_t_1<1:Symbol_num,1:2*Nfft>=0;FFTout_t_2<1:Symbol_num,1:4*Nfft>=0;FFTout_t_3<1:Symbol_num,1:8*Nfft>=0;%測試變量ii=1;M_pilot=8;subcarrier<1:N>=0;subcarriercom<1:N>=0;%train_word%獲得短前導(dǎo)字頻域信息fid3=fopen<'data_I_train_word_re_i0_256.txt','r'>;I_train_word_re_temp=fscanf<fid3,'%f'>;fclose<fid3>;I_train_word_re=<I_train_word_re_temp>';fid3=fopen<'data_Q_train_word_re_i0_256.txt','r'>;Q_train_word_re_temp=fscanf<fid3,'%f'>;fclose<fid3>;Q_train_word_re=<Q_train_word_re_temp>';%獲得一個長前導(dǎo)字頻域信息fid3=fopen<'data_I_train_word_1_i0_256.txt','r'>;I_train_word_1_temp=fscanf<fid3,'%f'>;fclose<fid3>;I_train_word_1=<I_train_word_1_temp>';fid3=fopen<'data_Q_train_word_1_i0_256.txt','r'>;Q_train_word_1_temp=fscanf<fid3,'%f'>;fclose<fid3>;Q_train_word_1=<Q_train_word_1_temp>';%獲得二個長前導(dǎo)字頻域信息fid3=fopen<'data_I_train_word_2_i0_256.txt','r'>;I_train_word_2_temp=fscanf<fid3,'%f'>;fclose<fid3>;I_train_word_2=<I_train_word_2_temp>';fid3=fopen<'data_Q_train_word_2_i0_256.txt','r'>;Q_train_word_2_temp=fscanf<fid3,'%f'>;fclose<fid3>;Q_train_word_2=<Q_train_word_2_temp>';l=1;%加窗處理的參數(shù)設(shè)置wind=zeros<1,<Nfft+Ng>>;windo=hamming<Nfft+Ng>;wind<<Ng+1>:Nfft>=windo<<Ng+1>:Nfft>;wind<1:Ng>=windo<Ng+1>;wind<<Nfft+1>:<Nfft+Ng>>=windo<Nfft>;stst=1;%獲得隨機(jī)數(shù),當(dāng)作用戶信息,調(diào)制到各個子載波上fid3=fopen<'I1.txt','r'>;I1=fscanf<fid3,'%d,'>;fclose<fid3>;fid3=fopen<'I2.txt','r'>;I2=fscanf<fid3,'%d,'>;fclose<fid3>;fid3=fopen<'I3.txt','r'>;I3=fscanf<fid3,'%d,'>;fclose<fid3>;fid3=fopen<'I4.txt','r'>;I4=fscanf<fid3,'%d,'>;fclose<fid3>;%BitsMappingtoconstellationsfori=1:N%前面4個符號是前導(dǎo)字if<i<Nfft*4+1>%短前導(dǎo)字if<i>0&i<2*Nfft+1>if<rem<i,Nfft>==0>Imapped<i>=I_train_word_re<Nfft>;Qmapped<i>=Q_train_word_re<Nfft>;elseImapped<i>=I_train_word_re<rem<i,Nfft>>;Qmapped<i>=Q_train_word_re<rem<i,Nfft>>;endend%第一個長前導(dǎo)字if<i>2*Nfft&i<3*Nfft+1>if<rem<i,Nfft>==0>Imapped<i>=I_train_word_1<Nfft>;Qmapped<i>=Q_train_word_1<Nfft>;elseImapped<i>=I_train_word_1<rem<i,Nfft>>;Qmapped<i>=Q_train_word_1<rem<i,Nfft>>;endend%第二個長前導(dǎo)字if<i>3*Nfft&i<Nfft*4+1>if<rem<i,Nfft>==0>Imapped<i>=I_train_word_2<Nfft>;Qmapped<i>=Q_train_word_2<Nfft>;elseImapped<i>=I_train_word_2<rem<i,Nfft>>;Qmapped<i>=Q_train_word_2<rem<i,Nfft>>;endendelse%前導(dǎo)字發(fā)送完后,發(fā)送用戶信息,這里用隨機(jī)數(shù)代替用戶信息%中間查0的虛擬子載波沒有用戶信息if<<rem<i,Nfft><<Nfft/2-Nzerosub+1>>|<rem<i,Nfft>><Nfft/2+Nzerosub>>>if<rem<i,Nfft/<2*M_pilot>>==0>%insertpilotsif<sign==1>Isignal=3*1.414;Qsignal=0;elseIsignal=-3*1.414;Qsignal=0;end%%sub-carrierpolitschemeisBPSKstst=stst+1;else%插入導(dǎo)頻信息Isignal=2*<I1<l>*1+I2<l>*2>-3;Qsignal=2*<I3<l>*1+I4<l>*2>-3;l=l+1;endImapped<i>=Isignal;Qmapped<i>=Qsignal;else%中間查0的虛擬子載波沒有用戶信息Imapped<i>=0;Qmapped<i>=0;endendif<rem<i,Nfft>==0>now_step=[num2str<ii>]sign=rem<sign+1,2>;Imappedfs<1:Nfft>=Imapped<i-Nfft+1:i>;Qmappedfs<1:Nfft>=Qmapped<i-Nfft+1:i>;%對頻域信息進(jìn)行IFFT變換,獲得時域信息IFFToutI<ii,1:Nfft>=ifft<Imappedfs,Nfft>;IFFToutQ<ii,1:Nfft>=ifft<Qmappedfs,Nfft>;%IFFToutIQ<ii,1:Nfft>=IFFToutI+j*IFFToutQ;IFFToutIQS<ii,1:Nfft>=ifft<Imappedfs<1:Nfft>+j*Qmappedfs<1:Nfft>,Nfft>;IFFToutIQ<ii,1:Nfft>=IFFToutIQS<ii,1:Nfft>;ii=ii+1;end;end;%endoffftsymbolgenerationfor<ig=1:Symbol_num>%插入循環(huán)前綴InsertGIout<ig,1:Nzero>=0;InsertGIout<ig,Ng+Nzero+1:<Ng+Nfft+Nzero>>=IFFToutIQ<ig,1:Nfft>;InsertGIout<ig,Nzero+1:<Ng+Nzero>>=IFFToutIQ<ig,<Nfft-Ng>+1:Nfft>;InsertGIout<ig,<Ng+Nfft+Nzero>+1:Ntotal>=0;%加窗處理if<ig>4>InsertGIouta<ig,1:Ntotal>=InsertGIout<ig,1:Ntotal>;InsertGIout<ig,1:Ntotal>=InsertGIouta<ig,1:Ntotal>.*wind;endFFTout_t<ig,1:Nfft>=fft<InsertGIout<ig,Ng+1-sita:Nfft+Ng-sita>,Nfft>;%進(jìn)行中間變量的測試%將生成的OFDM時域信號依次寫入一個數(shù)組里,形成一個連續(xù)的OFDM時域數(shù)據(jù)流for<is=1:Ntotal>SoutI<<ig-1>*Ntotal+is>=real<InsertGIout<ig,is>>;SoutQ<<ig-1>*Ntotal+is>=imag<InsertGIout<ig,is>>;end;end;%對生成的OFDM時域信號進(jìn)行兩倍上采樣%samplerateinterpolationandmodulationfor<k=1:Ns>%HBF1forj1=1:2IHBF1in<2:LHBF1>=IHBF1in<1:LHBF1-1>;QHBF1in<2:LHBF1>=QHBF1in<1:LHBF1-1>;if<j1==1>IHBF1in<1>=SoutI<k>;QHBF1in<1>=SoutQ<k>;elseIHBF1in<1>=0;QHBF1in<1>=0;end;IHBF1out<k1>=2*IHBF1in*CHBF1;QHBF1out<k1>=2*QHBF1in*CHBF1;if<rem<k1,2*Ntotal>==0>FFTout_t_1<t,1:2*Nfft>=fft<IHBF1out<k1-2*Nfft+1-sita1:k1-sita1>,2*Nfft>+j*fft<QHBF1out<k1-2*Nfft+1-sita1:k1-sita1>,2*Nfft>;t=t+1;end;k1=k1+1;end;%endofj1end;%endofk%MODULATION%將基帶信號轉(zhuǎn)換成中頻信號M=2;NN=length<IHBF1out>;phase0=pi/30;error_f=0;w=pi/M;%IF=8*<symbolrate>or<samplerate>/4IMOD<1:NN>=0;QMOD<1:NN>=0;Mod