基于simulink的ofdm通信系统的仿真

基于simulink的ofdm通信系统的仿真内容摘要：

扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。 造成码间干 扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。 OFDM 由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。 OFDM 技术的不足之处包括： （ 1） .对频偏和相位噪声比较敏感 OFDM 技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。 频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅 1%的频偏就会造成信噪比下降 30db。 因此， OFDM 系统对频偏和相位噪声比较敏感。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 6 1 （ 2） .峰均值比大导致射频放大器功率效率低 与单载波系统相比，由于 OFDM 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相 加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值功率与均值功率之比，简称峰均值比（ PAPR）。 对于包含Ｎ个子信道的OFDM 来说，当 N 个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的 Ｎ 倍 ，因而基带信号的峰均值比为： PAPR=10lgN 例如，在 N=256 的情况下， OFDM 系统的 PAPR=。 当然，这是一种非常极端的情况，通常 OFDM 系统内的峰值不会达到这样高的程度。 高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低 [4]。 本文研究内容 本文对 OFDM 通信系统进行了较为全面的仿真分析。 主要包括： １．对采用 Simulink 搭建的仿真系统及主要模块进行了说明； ２．对分别采用 QPSK， 16QAM， 64QAM 的 OFDM 系统的性能进行了比较和分析： ３．对采用 RS 编码和未采用编码的 OFDM 系统的性能进行了比较； ４．对采用 COST207多径信道模型及不同多普勒频移的 OFDM 系统进行了仿真，深入全面研究了瑞利衰落信道对 OFDM 通信系统性能的影响； ５．对采用块状导频的 OFDM 通信系统进行了仿真分析，对采用不同导频比及不同多普勒频移的系统性能进行 了比较和分析，得出了仿真模型下适用的多普勒频移的变化范围及相应的导频比的选择； ６．对采用梳状导频的 OFDM 通信系统进行了仿真分析，对采用不同导频比及不同多普勒频移的系统性能进行了比较和分析，根据仿真结果总结了梳状导频的适用情况，对 OFDM 系统的导频选择进行了分析和总结。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 7 1 本章小结 正交频分复用（ OFDM）是 一 种多载波数字通信调制技术，它的基本思想是将高速传输的数据流通过串并转换，变成在若干个正交的窄带子信道上并行传输的低速数据流。 OFDM 技术将传送的数据信息分散到每个子载波上，使得符号周期加长并 大于多径时延，从而有效地对抗多径衰落； OFDM 技术利用信号的时频正交性，允许子信道频谱有部分重叠，使得频谱利用率提高近一倍。 正交频分复用技术其概念最早出现于 20 世纪 50 年代中期。 60 年代形成了并行数据传输和频分复用的思想。 离散傅立叶变换（ DFT）的引入使实际应用中可以依靠更为方便的快速傅立叶变换（ 从 F1 至 FT）来完成 OFDM 系统的调制和解调功能。 80 年代，人们对多载波调制在高速 MODEM、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究。 90 年代，数字信号处理技术和超大规模集成电路的飞速发展为 OFDM 技术的 实现扫除了障碍。 DSP 与 FFT 技术的结合，使得 OFDM开始迅速发展并被广泛应用。 随着成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发 OFDM 技术在移动通信领域的应用。 人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求日益增长， OFDM 技术在综合无线接入领域将得到广泛的应用。 此外，还由于其具有高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，而被看作是第四代移动通信的核心技术之一。 OFDM 技术应用领域有移动通信领域、数字传输领域、计算机网络领域和电力线网络领域。 OFDM 技术主要有如下几个优点：抗衰落能力强、频率利用率高 、适合高速数据传输和抗码间干扰能力强。 OFDM 技术的不足之处包括：对频偏和相位噪声比较敏感、峰均值比大导致射频放大器功率效率低、加载算法和自适应调制会增加系统复杂度。 在本章的最后，对本文研究内容进行了说明。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 8 1 第 2 章 OFDM 原理与性能 OFDM 由大量在频率上等间隔的子载波构成（设共有 N 个 载波），各载波可用同一种数字调制方法，或不同的载波使用不同的调制方法，将高速串行数据分成多路并行的低速数据加以调制。 所以 OFDM 实际上是一种并行调制方案，将符号周期延长 N 倍 ，从而提高了抗多径衰落的抵抗能力。 在传统的频 分复用中．备载波的信号频谱互不重叠，频带利用率较低。 在 OFDM 系统中，各于载波在整个符号周期上是正交的．即加于符号周期上的任何两个载被的乘积等于零，因此各于载波信号频谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率。 由于 OFDM 系统中的载波数量多达几百上千，所以在实际应用中不可能使用几百个振荡器和锁相环进 行调制。 因此， Weinstein 提出了用离散傅里叶变换 DFT）实现 OFDM 的方法。 随着数字信号处理技术（ DSP）的飞速发展，采用快速傅里叶变换㈣，利用现有的高速数字信号处理芯片实现 OFDM 的调制与解调，非常方便，又可大 大降低系统成本。 OFDM 的基本原理模型 OFDM 的基本原理就是把串行的数据流分解成若干个数据速率低得多的并行子数据流，每个子数据流再去调制相应各个正交的子载波，最后把各个子载波上的信号叠加合成一起输出。 OFDM 系统的基本原理如 图 所示： 图 OFDM 系统基本原理模型 从上图可以看出： OFDM 的发送端的基本原理就是把输入数据经过串并变换武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 9 1 成 N 路子信道数据，然后分别调制相应各个正交的子载波后叠加合成一起输出。 而在接收端则用各个子载波分别混频和积分得到各路数据，经过并串变换便输出原始数据。 从上面对 OFDM 基本原理的论述可以看出：其实现的根本思想是通过串并变换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，实现的关键点是保证各个子载波之间的正交性 [5][6]。 串并变换是很容易实现的，而正交性是如何实现的呢。 下面先看看 OFDM 信号的表达式。 一个 OFDM 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波信号都可以进行相移键控（ PSK）或者正交幅度 调制 （ QAM）。 如果 N 表示子信道的个数， T 表示一个 OFDM 符号的时间宽度， id (i=0,1,i N1)为每个子信道的数据符号， fc是第 0 个子载波的载波频率，则 tts。 开始的一个已经调制的OFDM 符号可表示为： ed ttftssc TjNi i))(1(210Re)(  Tttt ss  (21) 然而在多数的文献中，通常采用复等效基带信号来表示 OFDM 的输出信号，如式 (22)所示。 其中实部和虚部分别对应于 OFDM 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应的子载波的 COS 分量和 SIN 分量相乘，再叠加成 OFDM 信号。 ed tttssTijNi i)(210)( Tttt ss  （ 22） 从式 ()和式 （ ） 都可以看出， OFDM 信号相邻子载波间的间隔为 OFDM的码元速率即 1/T，这样就有： dtTdtT eeee tTmjT tTnjT tjwtjw mn  202011   dtT e Tmnj   021 （ 23） ={10 mnmn 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 10 1 式 （ 23） 说明了只要使各个子载波之间的间隔为 1/T 就保证了各个子载波之间的正交性。 正是这种正交性使频谱互相重叠的各个 子载波信号能够被正确的分离出来。 比如要解调第 j 个子载波，根据图 21 及式 (23)有： dttsTs stTsttTjjj ed    )(2)(1  = dtT eed sss ttTjjttTijtTsNi i)(2)(2101    （ 24） = dtdTs stTsttT jijNi i e )(2101  =dj 这种正交性在时域的表现就是每个子载波在 一个 OFDM 符号周期内包含整数 倍个 周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期 [7]。 如图 所示 图 OFDM 信号正交性的时域表现 这种正交性也可 以从频域得到 更直观的体现。 因为每个 OFDM 符号包 含 了多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为 T 的矩形脉冲的频谱与各个子载波的脉冲响应函数 )(t 的卷积，图 显示了 OFDM 信号频谱中各个子信道频谱的情况．其中每个子信道的频谱为 sinc 函数，它在中心频率处有最大值，在 1/T的整数倍频率上的值为零 [8]。 这样，在每 个子载波的频谱最大值处所有其他子载波为零，在解调时，需要计算各个于载波频谱的最大值，只要保证各个子载波的武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 11 1 频率没有偏移，就可以准确的解调出每个子信道上的数据而不受其他子信道的影响 图 从各个子信道 频谱看 OFDM 信号的频谱 在 OFDM 信号频谱中，由于各个子信道频谱相互重叠， OFDM 信号的带宽是进行一般频分复用信号带宽的一半．即频谱利用率提高了一倍。 这是 OFDM 给我们带来的最 大 好处之一 [9]。 OFDM 的 IFFT/FFT 实现 图 21 只是从理论上说明了 OFDM 系统的基本原理，按图 21 来实现 OFDM系统是非常的困难和不可取的。 因为当子载波数目多，子载波间隔非常小时，难以实现这么高的频率分辨率，而且解调时每一路子载波都要进行积分，导致系统结构庞大，非常的浪费资源，因此需要寻找一种易于实现的方案 [10]。 在式 （ 22） 中．令，对信号 s(t)以 T/N 的速率进行采样．即令 NkTt / (k=0,1,2...N1)，可以得到： 10102   NkdNiNikjik es  （ 25） 可以看到 sk 可以看作对 di 进行离散傅立叶反变换 IDFT 运算。 同样在接收武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 12 1 端．为了恢复出原始的数据符号 di，对 sk进行反变换，即进行离散傅立叶变换DFT 得到： 10102   NisNkNikjkj ed  （ 26） 根据以上的分析可以看出， OFDM 系统的调制和解调可以分别由 IDFT/DFT完成。 通过 N 点 IDFT 运算，把频域数据符号 di变成时域数据 符号 sk，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。 其中，每一个 IDFT 输出的数据符号 sk都是由所有子载波信号经过叠加而生成，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。 这样通过 DFT 的方法来实现 OFDM 有很大的好处，它大大简化了调制解调器的设计，使用 IDFT/DFT 便可完成了多路子载波的调制和解调，而且 IDFT/DFT 早就有了成熟的快速算法 IFFT/FFT，它 可以方便的在 DSP芯片中实现。 使用 IFFT/FFT 的 OFDM 系统基本原理如图 所示 [11]。 图 OFDM 基本原理的 IFFT/FFT 实现 添加循环前缀 应用 OFDM 的一个最主要原因是它可以有效的对抗多径时延扩展。 通过把输入的数据流串并变换到 N 个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的 N 倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低 N 倍。 为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个 OFDM 符号之间插入保护间隔（ guard interval），而且该保 护间隔长度 [12]Tg 一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即。