1、Comment zhaoyh1: Comment zhaoyh2: 不能随意改名！Comment zhaoyh3: ？Comment zhaoyh4: ？J I A N G S U U N I V E R S I TY本 科 毕 业 论 文基于 MATLAB的 OFDM系统的仿真与设计Design of OFDM system based on MATLAB基于 MATLAB的 OFDM系统仿真设计系统的仿真与分析Simulation of OFDM system based on MATLAB专 业： （通信工程） 班 级： （2） 姓 名： （许小龙） 指导教师姓名： （赵跃华） 指导教师
2、职称： （教授） 江苏大学本科毕业论文2目 录引 言 4第一章绪论 51.1 OFOM 的发展及应用 .51.1.1 OFDM 的发展 51.1.2 OFDM 的应用 513 OFDM 的优缺点 .7第二章 OFDM 原理 82.1 无线信道衰落的特征及模型 82.1.1 无线信道衰落特征 82.1.2 小尺度衰落分析 92.2 OFDM 系统的调制与解调 .112.2.1 OFDM 系统的调制与解调原理 112.2.2 OFDM 系统中的 FFT/IFFT.132.2.3 OFDM 系统中的保护间隔（GI）和循环前缀（CP）及其作用 .142.3 OFDM 系统组成 .15第三章 OFDM
3、的系统仿真 163.1 MATLAB 特点与功能 163.2 OFDM 系统收发机 .173.3 OFDM 系统仿真 .183.3.1 串行数据的产生 .183.3.2 串并转换 .18333QPSK 调制 .193.3.4QPSK 调制星座图 203.3.5 不同信道环境下的系统仿真实现 223.3.6 系统不同实现方式的仿真实现 .243.4 仿真结果分析 .26结论 30致谢 31参考文献： 31附录 32Comment zhaoyh5: ？江苏大学本科毕业论文3基于 MATLAB的 OFDM系统仿真设计专业班级：07 通信（2） 学生姓名：许小龙指导老师：赵跃华 职称： 教授摘 要：随
4、着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM 技术在综合无线接入领域得到广泛的应用，它将是 4G 移动通信的核心技术之一。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种特殊的多载波传输方案，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统，具有传输速率快、抗多径干扰能力强的优点。目前，OFDM 技术在数字音频广播(DAB)、地面数字视频广播(DVBT)、无线局域网等领域得到广泛应用。本文分析了无线信道的特点，简要概述OFDM 技术的发展状况、原理、数学表示、部分关键技术，采
5、用 Matlab 仿真的方法，对由于高斯噪声而产生码间干扰等问题进行了仿真和讨论,，并对QPSK 调制技术进行了较为全面的仿真和分析。文中通过仿真得出了在一定信噪比范围内的 BER 性能曲线。关键词：正交频分复用; 仿真; MATLABSimulation of OFDM system based on MATLABAbstract：As people on the needs of data communication, broadband, individuals and mobile,OFDM technology accesses a wide range of application
6、s in the field of integrated wwwireless , it will be one of the core technology of 4 G mobile communications. OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is a special multi-carrier transmission。scheme , it combines some technologies such as figure modulation, digital signal processing, multi-ca
7、rrier transmission .It is the maximum utilization of the spectrumCommunication system with the advantages faster transfer rates , anti-multipathinterference. Currently known at present, OFDM technology is widely used in the digital audio broadcasting (DAB), terrestrial digital video broadcasting (DV
8、B-T) and 江苏大学本科毕业论文4wireless LAN.The paper analyzes the features of wireless channel, and briefly summarizes the development, principles, mathematics denotation, some key technology of the OFDM. At the same time, imitate and discuss deeply about some problems, such as ISI and QPSK modulation by usin
9、g the method of matlab simulation. This paper simulates the scope of BER performance curve within a certain signal to noise ratio. designed an effective complement to the actual system, and has some practical value.Key Words：OFDM;SIMULATION; MATLAB江苏大学本科毕业论文5引 言计算机技术、Intemet 网络的发展与普及改变了人类生活方式，这是人类科技
10、的一次革命性的进步。随着人们对信息量的需求越来越多，无线移动通信进入了一个快速发展时期，从第一代的模拟通信到第二代的数字通信，再到第三代的宽带通信，现在提出的 4G 宽带多媒体系统，都是在向移动通信界提出的个人通信的目标发展：任何人在任何地点任何时间和世界上任何人进行任何形式的通信。进入 21 世纪以来，世界和国内移动通信有着更快速的发展，特别是无线通信网络和 Intemet 的结合，使网络资源发挥了更大的作用，更加促进了Intemet 的发展和无线移动网络的完善，人们的生活方式更加便捷和多样化，世界发展更快、更加精彩、更加辉煌。无线移动通信技术迎来了又一次伟大的变革。当然，科技的进步对无线移
11、动通信的业务从语音、数据、图像、服务质量和传输速率的要求也是越来越高，宽带化己成为当今通信技术领域的主要发展方向。但在数字移动通信中，移动信道存在频率选择性衰落、快衰落和慢衰落，以及各种噪声的干扰和多径传播下的码间串扰等问题，这些问题都会严重影响数字通信系统的性能和质量。为了克服上述缺陷，提高系统的性能，大多数数字移动通信系统都采用了对幅度抖动不敏感的频移键控(FsK)和带高斯滤波器的频移键控(GMSK)等调制方式，并采用了降低码率及自适应反馈均衡等措施。但上述调制的信道利用率不是很高，所以随着频率资源的日趋紧张，又出现了多种新的高效的调制方式。其中正交频分复用(OFDM-orthogonal
12、 Frequeney Division MMultiPlexing)就是一种能够有效地对抗多径传播，使受到干扰的信号能够可靠地接收的调制方式。OFDM 基本原理就是将传送的高速数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。每个子信道中的符号周期会相对增加，使得符号周期比多径时延长，这样可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。另外，OFDM 由于充分利用了信号的时频正交性允许 N 个子信道频谱有 1/2 重叠，使频谱利用率相对于单载波串行系统提高近一倍，同时它可以用数字信号处理（DSP）技术-快速傅里叶变换(FFT)来实现，而无需梳状滤波器组，实
13、现简便易行。随着信息量的增大，MIMO- OFDM 技术成为移动通信界的热点，而江苏大学本科毕业论文6MIMO(Multiple-Input Multiple-output)技术由于能够在空间中产生独立的并行信道，同时传输多路数据流，从而有效地提高了系统的数据传输速率，极大提高了系统的频谱效率。因此，将 OFDM 和 MIMO 两种技术相结合，一是可以实现很高的传输速率，二是可以通过分集实现很强的可靠性，充分利用时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。MIMO-OFDM 技术己成为未来宽带无线通信的发展趋势。江苏大学本科毕业论文7第一章 绪论1.1 OFOM
14、的发展及应用1.1.1 OFDM 的发展上个世纪70年代，韦斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT ）研制了一个完整的多载波传输系统，叫做正交频分复用（OFDM）系统。OFDM 是正交频分复用的英文缩写。正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案。OFDM 应用离散傅里叶变换（DFT ）和其逆变换（IDFT）方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题。应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低。从此 OFDM 技术开始走向实用。但是应用 OFDM 系统仍然需要大量
15、繁杂的数字信号处理过程，而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件，因此 OFDM 技术迟迟没有得到迅速发展。由于 OFDM 可以有效地消除信号多径传播所造成符号干扰(ISI) ，OFDM 技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。随着因特网的发展，人们对数据业务的需求也不断增大，人们希望移动通信系统能提供更广泛的业务种类，包括话音、视频、多媒体和宽带数据业务等。为了实现真正意义上的宽带无线系统，国际电信联盟已开始着手制定下一代移动通信系统，即 4G。随着 4G 标准的制定，OFDM 将作为主流技术写入 4G 标准中。而 OFDM 已存在的许多不兼容的标准会影响其广泛的使用1.1.2 OFDM
16、 的应用OFDM 在各个领域中得到广泛应用，主要的应用有：无线局域网及城域网，数字视音频广播，第四代移动通信。（1）OFDM 在无线局域网及城域网中的应用近年来, ，随着互联网的发展和个人移动电子设备的日益普及, ，人们希望自己的电脑或其它电子设备能够随时以较高的数据传输率接入互联网,，在这个大背景下,，无线局域网和城域网的应用需求日益增加。因此, ，如何使用户在江苏大学本科毕业论文8复杂的传输环境下获得可靠且高速的数据传输就成了不同标准竞争的焦点。OFDM技术凭借其优势在无线局域网和城域网领域发挥着越来越重要的作用。目前IEEE 802.11a、和IEEE 802.11g等无线局域网标准和I
17、EEE 802.16e 无线城域网标准均采用OFDM 技术作为其物理层技术。现在的趋势是越来越多的无线网络标准倾向于采OFDM 技术。（2）OFDM 在数字视音频广播中的应用在上个世纪的80年代末期,，OFDM技术就已经被应用到了DAB 数字音频广播中，,随后OFDM 又在数字视频广播中得到广泛的应用。目前较有影响力地面数字电视标准是：: 以美国为代表的ATSC 数字电视标准、以欧洲为中心的DVB-T标准、日本的I S D B 方案以及由我国清华大学提出的D M B - T 标准。以上四种方案中只有A T S C没有采用O F D M 技术。不难看出，, O F D M 技术在数字广播中得到了
18、非常广泛的应用。（3）OFDM 在第四代移动通信系统中的应用目前第3代(3G) 移动通信系统正搞得如火如荼。我国三大电信运营商均获得了3G运营牌照,，新一轮的电信大战已经打响,，但这只是国内的公司与公司之间的竞争。就在人们热衷于讨论3G的时候, ，很多国家已经开始投入大量的人力物力对下一代(4G) 移动通信系统进行研究。不同的是,，这场竞争的主角是国家与国家, ，各国都努力争取在下一代移动通信领域获得主动权。下一代移动通信系统对数据传输性能的要求是在静止时达20Mbps以上,高速运动时2Mbps以上, ，要在无线通信环境中和频谱资源有限的情况下取得如此高的通信质量没有OFDM的支持是很难的,
19、，这就需要OFDM 技术来支撑。如果说3G 的核心技术是CDMA(Code Division Multiple Access, 码分多址) 技术的话，,那4G的核心技术无疑就是OFDM 技术了。目前对4G 的认识中都包含了采用 OFDM技术这一点。我国东南大学的移动通信国家重点实验室就做了大量关于OFDM 技术的研究。OFDM 技术有以下几种。(1)V-OFDM由宽带产品供应商 Iospan 公司和 Cisco 系统公司开发 V-OFDM(Vector OFDM)。该系统使用空间分集技术，利用多重信号发射以提高带宽，通过使用特殊天线和信号处理来实现。天线接收信号再进行信号处理，使延迟信号合并江
20、苏大学本科毕业论文9变为更高的数据流。V-OFDM 大多用于固定无线城域网(MAN)。(2)W-OFDM目前，W-OFDM(Wideband OFDM)已经正式通过 IEEE 组织的认证，成为 IEEE802.16a 标准(无线城域网的国际通用标准)物理层调制技术。 OFDM 论坛称 Wi-LAN公司的 W-OFDM 应该是标准版本。W-OFDM 使用的不是 紧压缩正交载波，而是在正交信道之间引入额外频率空间。通过在 W-OFDM 数据的每一帧插入一些已知数据计算出传输信道的“估计 ”(这个“估计”就是理论 中的“传输函数”)，并利用这个“估计”来纠正选频衰落的影响。这能更好地减少干扰，并且对
21、 OFDM 传输中存在的一些问题如抖动有了更高的容忍度。无线互 联网商务服务供应商在城域网中使用 W-OFDM，因为城域网中的收发信机往往是在室外并需要更高的容错能力。(3)F-OFDMF-OFDM(Flash OFDM)是 1998 年由 Bell 实验室发明，后来由朗讯科技下设的Flarion 公司推出商用化产品。相对 V-OFDM、 W-OFDM 而言，它的特点是 能在移动环境下工作，是一种移动宽带接入 Internet 解决方案。F-OFDM 在 OFDM 中引入快速跳频扩频技术，该技术在传输中不断变换频率，即在每 个时隙中可以根据跳频图样来选择每个用户所用的子载波频率。这种系统在比
22、OFDM 所需频带更宽的频带上传输信号，将信号能量扩展到更宽频谱上，提高了信号的抗干扰能力。且由于高速切换子载波，因而相邻节点可以使用相同频率的子载波，可提高频率利用效率。该技术与 GSM 后向兼容，可以为蜂窝电话用户和其他移 动用户提供宽带服务。Flarion 公司 2004 年 3 月 17 日发布了针对笔记本电脑、台式 PC、PDA 和手机的芯片组、参考设计包和两款调制解调器，希望 以此提高其 F-OFDM 技术的采用率。美国通信运营商 Nextel Communications 于 2004 年 4 月 14 日开始提供无线互联网服务“Nextel Wireless Broadband
23、”，最大下行数据传输速度为 3Mbit/s。用户每月交纳数十美元便可永久接入无线互联网。该服务采用就是 F-OFDM。利用 F- OFDM 的无线互联网技术投入实际商用，此前尚无先例。(4)MIMO-OFDM多输入多输出(MIMO)OFDM 由 Iospan Wireless 公司开发，是 OFDM 和 MIMO技术结合产生的一种新技术。MIMO 是该项技术的核心，是在收发两端江苏大学本科毕业论文10使用多个天线，每个收发天线对之间形 成一个 MIMO 子信道，若各发射接收天线间的通道响应独立，则 MIMO 系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息使得数据传输率 得以提
24、高。而 OFDM 技术有极好的抗衰落特性，通过在 OFDM 传输系统中采用阵列天线实现空间分集，可结合二者优点，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限 大大增加，而且大大提高频谱利用率和业务覆盖范围。由于 MIMO 和 OFDM 在提高无线链路的传输速率和可靠性的巨大潜力，使得这两种技术特别是二者的结合 有望成为过渡到 4G 的潜在技术。5)Multiband OFDMMultiband OFDM 联盟由 50 多个世界知名企业所组成，手机芯片制造商德州仪器(TI)是该联盟的发起人之一。Samsung 、Panasonic 及 Nokia 都是该联盟的成员。Multiband OFDM 联盟称，与
25、 W-OFDM 相比，该技术产品的数据将更为强大，其中包括能轻松处理视频流的能力。1999 年 12 月，包括 Erisson、Nokia 和 Wi-LAN 在内的 7 家公司发起国际 OFDM，致力于策划一个基于 OFDM 技术的全球性单一标准。 据分析，Wi-LAN和 Cisco 很可能在 OFDM 的标准化方面相互争霸。我国的信息产业部也参加了OFDM 论坛，可见 OFDM 在无线通信的应用已经引起 国内通信界的重视。只有尽快开发出我国自主知识产权的技术，我国才能成为未来标准的真正制定者之一1.1.3 OFDM的优缺点OFDM 主要有下列一些优点：(1)OFDM 在对抗干扰及衰落的优势：
26、把高速数据流通过串并变换，使得每个子子载波上的数据符号持续长度相对增加，可有效对抗信号波形间的干扰 ISI，适用于多径信道存在频率选择性，而所有子载波都处于深衰落的概率极小，OFDM 系统可通过动态比特分配和动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，提高系统性能。因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此 OFDM 可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。OFDM 的以上优势减小了接收江苏大学本科毕业论文11机的复杂度，甚至可以不用均衡器，仅采用插入循环前缀的方法消除 ISI 的不利影响，大大节省了系统花费减小了系统复杂度和功率消耗。(2)OFDM 系统由于子载波之间存在正交性，允许子信道的
27、频谱相互重叠，因此与常规的频分复用相比，OFDM 可以最大限度地利用频谱资源。这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要，当子载波数目很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。(3)各子信道的正交调制和解调可通过离散傅利叶反变换(IDFT)和离散傅利叶变换(DFT)实现。对 N 很大(N32)的系统，可以通过快速傅立叶变换(FFT)来实现。基于 FFT 的系统在计算方面更有效，并且随着大规模集成电路技术和 DSP 的发展，IFFT 和 EFT 都非常容易实现。(4)OFDM 的开放灵活性：无论从无线数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身要求，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而 OFD
28、M 系统可以很容易使用不同数量的子载波来实现上下链路中不同的传输速率。OFDM 较易与其它多种接入方式结合，构成 MC-CDMA、跳频 OFDM 及 OFDM-TDMA 等。OFDM 技术的不足：(1)由于 OFDM 系统内存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠叠加，因此对子信道的正交性有严格要求。而由于无线信道的时变性，还有发射机机载波和本地振荡器的频率偏差，所以 OFDM 易受频率偏差的影响。(2)如果多个子信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率会远大于信号的功率，出现较大的峰值与均值功率比(PAR)，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率，使系统性能恶化。江苏大学本科
29、毕业论文12第二章 OFDM 原理2.1 无线信道衰落的特征及模型无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约，当信号通过无线信道传播时，其衰落类型决定于发送信号特性及信道特性。信号参数与信道参数决定了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。分析无线信道的特征有助于我们找出影响无线通信系统性能的因素并制定应对措施。2.1.1 无线信道衰落特征无线信道对信号的衰减作用使接收信号的功率减小，它由传播的路径长度、直达信号路径中的障碍情况决定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会引起信号功率的衰减。对于无线信道对接收信号造成的影响，我们可以按照大尺度效应(Large-Scale Effects)和小尺度效应
30、 (small-Scale Effects)从统计特性上来加以分别讨论。当接收机处于空间某一位置时，它在该位置附近接收到的信号功率的本地平均值(Local Mean)将受到大尺度效应的影响，这些影响包括视距(Line-of-sight， LLOS)路径损耗、阴影(Shadowing)衰落等效应。(1)阴影衰落电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减，称作阴影衰落。阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数正态分布。路径损耗与阴影损耗合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影响，称之为大尺度衰
31、落。因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加而缓慢慢起伏变化，所以也称慢衰落。小尺度衰落(small-scale Fading)反映的是传输距离在较小的尺度上(数个波长)变化时，接收信号电平均值变化趋势。引起小尺度衰落的原因主要有两个：: 多径效应(Multipath propagation )和多普勒效应(Doppler effect)。(1)多径效应(Multipath propagation )Comment zhaoyh6: ？Comment zhaoyh7: ？江苏大学本科毕业论文13在无线传播环境中，到达接收机天线的信号不是沿单一路径而来，而是来自不同传播路径的信号之和，
32、这就是多径效应。多径分量到达时间、信号相位都不同，多个分量在接收端叠加，接收信号的幅度会发生快速变化，即产生衰落，称为多径衰落(Multipath fading)。(2)多普勒效应(Doppler effect)多普勒效应(Doppler effect)是由于发射机和接收机之间的相对运动，或者信道路径中物体的运动引起的。这种移动性会导致接收信号的频率发生偏移，即多普勒频移(Doppler shift)，产生多普勒扩展(频率色散)，造成信道的时变特性(Time Variance)。2.1.2 小尺度衰落分析瑞利衰落分布和莱斯衰落分布都是用于描述小尺度衰落的统计特性。由于无线移动信道里的多径现象，
33、使得接收信号的包络呈现随机性，其包络一般服从瑞利(Rayleigh) 衰落分布和莱斯(Rice) 衰落分布。在无线移动信道中，瑞利衰落分布常见的是用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收中包络时变统计特性的一种衰落类型;莱斯衰落分布是由于在瑞利衰落分布的基础上，存在一条直射路径的影响而造成的。(1)瑞利衰落分布瑞利分布是用于描述平坦衰落或独立多径分量情况下接收信号包络统计特性的一种典型分布类型。典型的陆地移动通信系统都是存在多径衰落的。如果各条路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且是统计独立的，则接收信号的包络服从瑞利(Rayleigh)分布。瑞利衰落的幅度 x（t）概率密度函数可用公式
34、（2.1）表示：式中，x 小于零时 p(x)为零，错误！未找到引用源。表示包络检波前接收电波电压信号的有效值(rms)，错误！未找到引用源。是包络检波前的接收信Comment zhaoyh8: (2.5)？(2.6)？江苏大学本科毕业论文14号包络的时间平均功率。其概率分布函数可用式(2.2)表示：因此，瑞利分布的均值为：均方根值为：若用中值表示概率分布函数则有：比较式(2.6)、(2.3)可以看出瑞利衰落信号均值与中值仅相差0.55dB。相位 服从均匀分布，即：(2)莱斯衰落分布莱斯衰落分布幅度 x(t)概率分布函数可用式(2.9)表示：莱斯分布常用参数 K来描述，K 定义为确定信号的功率与
35、多径分量方差之比，或用 dB表示为：参数 K是莱斯因子，完全确定了莱斯分布。 ，且主信号幅度减少时，莱斯分江苏大学本科毕业论文15布转化为瑞利分布。因此，瑞利衰落分布是莱斯衰落分布的一个特例,莱斯分布是瑞利分布的一个扩展。(23) 路径损耗当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上(数百米或数千米)变化时，接收信号的平均功率值与信号传播距离 d 的 n 次方成反比。n 称为路径损耗指数，n 值的大小由具体的传输环境决定。对于自由空间的电波传播，n 取 2。2.2 OFDM 系统的调制与解调2.2.1 OFDM 系统的调制与解调原理正交频分复用是在频分复用(FDM)的原理基础上，子载波集采用两两正交
36、的正弦或余弦函数集，满足式(2.12)：假设在一个周期0,T内传输的 N 个符号为 d(0)，d(l)，d(2)，d(N-l)，d(n)为复数，此复数序列经过串并变换器后调制 N 个子载波，进行频分复用。一个 OFDM 符号包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都受到相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)符号的调制。由图 2.1 知: ：上式中，为系统的发射载频，为子载波间的最小间隔，一其中 T 为OFDM 符号周期为经过数据编码器的符号周期。IDFT输入比特 输出数据编码器S/P变换求和江苏大学本科毕业论文16图 2.1 OFDM 系统发送端的调制部分在接收端，输入信号分成
37、 N 个支路，分别用 N 个子载波混频和积分，恢复出 N 个子信号，再经过并串变换和常规 QAM(或 QPSK)解调就可以恢复出数据。由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效的分离各个子信道，如下式所示:：2.2.2 OFDM 系统中的 FFT/IFFT对图 2.1 中 st，进行离散化得到：将这些分量在t 时间内进行低通滤波，即进行 D/A 变换，则又可以恢复原来的模拟信号 S(t)。带入离散化的上式得到：而大括号内正是序列的离散傅立叶反变换 IDFT。可见，图 2.1 的框内部分Comment zhaoyh9: 哪来的虚线框？江苏大学本科毕业论文17可用 IDFT来实现，取 IDFT输出
38、的实部，再经 D/A变换和重建(平滑)滤波又可恢复成原来的模拟信号 S(t)，经上变频即可送入信道进行传输。由于只传送IDFT输出的实部，在接收端(下变频之后)则的时间间隔进行采样，并进行 2N点 DFT才能恢复出原来的数据。同理，在接收端如图 2.2所示，框内部分也可以用 DFT模块来代替。图 2.2 系统接收端的解调部分由于 DFT/IDFT有快速算法 FFT/IFFT，从而图 2.1、图 2.2中的虚线框中部分可分别用 IFFT，FFT 实现。在实际应用中，对一个 OFDM符号进行 N次采样，或者 N点 IFFT运算所得到的 N个输出样值往往不能真正反映连续 OFDM符号的变化特性，其原
39、因在于：由于没有使用过采样，当这些样值点被送到模/ 数转换器(A/D)时，就有可能导致生成伪信号(aliasing) ，这是系统所不能允许的。这种伪信号的表现就是，当以低于信号中最高频率两倍的频率进行采样时，即当采样值被还原后，信号中将不再有原有信号中的高频成分，呈现出虚假的低频信号。因此针对这种伪信号现象，一般都需要对 OFDM符号进行过采样，即在原有的采样点之间再添加一些采样点，构成(p 为整数) 个采样值。这种过采样的实施也可以通过利用IFFT/FFT方法来实现，实施 IFFT运算时，需要在原始的 N 个输入值的中间添加 (p-l)N 个零，然后 IFFT，而实施 FFT运算时，需要在原
40、始的 N 个输入值后面添加 (p-1)N 个零，然后进行 FFT。DFT输入 输出数据解码器P/S变换分积积分积分积分Comment zhaoyh10: ？江苏大学本科毕业论文18特别地，针对 PAPR问题，由于最后送到放大器中的应该是经过 D/A变换的连续信号，因此过采样更加有助于收集到较大的峰值功率，从而可以更加准确地衡量 OFDM系统内的 PAPR特性。2.2.3 OFDM系统中的保护间隔（GI）和循环前缀（CP ）及其作用为了最大限度地消除符号间干扰(ISI，Inter Symbol Interference)可以在每个 OFDM符号之间插入保护间隔 GI(Guard Interval
41、)，为了消除多径传播的影响产生的载波间干扰(ICI ， Inter Channel Interference)，即子载波间的正交性遭到破坏，需要在每个 OFDM符号间插入循环前缀 CP(Cyclic Prefix)，一般保护间隔就是循环前缀，而且循环前缀长度 T，一般要大于信道最大时延扩展 错误！未找到引用源。 ，从而使得相邻符号间不会造成串扰，不会破坏子载波间的正交性，降低误码率。一般，循环前缀的选择是将 OFDM符号尾部的一部分复制后放到前部，即将将符号周期由 T增加，T 是保护间隔，也就是循环前缀。本文中也是这样选取的。保护间隔长度T 对 OFDM系统的影响非常大，为了消除信道时延扩展的
42、影响，保护间隔的长度要足够长。保护间隔的引入会带来功率和信息速率的损失，其其中功率损失可以定义为：当保护间隔占到 20% 时，功率损失不到 1dB，信息速率的损失高达 20%，但是插入保护间隔可以消除 ISI和 ICI的影响，因此这样的代价对 OFDM系统而言是值得的。2.3 OFDM系统组成OFDM系统实现如图 2.3所示。在发送端，首先对二进制数据进行编码和交织，这样可以克服随机噪声和突发噪声的影响，然后进行 PSK或者QAM调制，再进行串并(S/P)变换，将一路信号分成 N路，通过 N点的 IFFT处理把数据调制到多个相互正交的子载波上并行发送，经过并串(P/S)变换得到 IFFT调制后
43、，得到的 N个样点值组成的 OFDM符号，然后把 OFDM符号的个样点复江苏大学本科毕业论文19制，添加到最前面作为一个循环前缀，用于抑制由多径衰落引起的符号间干扰(ISI)，然后进行数模 (D/A)转换得到要发送的信号，最后经过上变频后发送出去。图 2.3 OFDM 系统框图在接收端的过程与发送端相反，对通过信道接收到的射频信号进行下变频，然后进行模数(A/D)转换得到离散的样点，找到 OFDM 符号的起始位置，除去循环前缀部分，对余下的 OFDM 信号作 N 点 FFT 变换，信道均衡，然后进行并/串变换（P/S） ，PSK 或者 QAM 的解调，解交织后得到信源所发送的二进制比特数据。二
44、进制数据比特频域 时域 噪声二进制数据比特上变频信道下变频D/AA/D加CP去CPP/S变 换S/P变换IFFT变换FFT变换S/P变换信道均衡P/S变换信道解码江苏大学本科毕业论文20第三章 OFDM 的系统仿真3.1 MATLAB特点与功能在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，如矩阵运算，这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算，这不仅需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言( 用 Basic、Fortran 和 C+等)的语法及编程技巧。对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。通常，编制程序也是繁杂的，不仅消
45、耗人力与物力，而且影响工作进程和效率。为克服上述困难，美国 Mathwork 公司推出了“Matrix Laboratory”，(缩写为 MATLAB)软件包，具有强大的工程计算能力，是一种功能强、效率高、便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其工具箱中包括：数值分析、矩阵运算、通信、数字信号处理、建模和系统控制等应用工具程序，并集应用程序和图形于一体，便于应用到集成环境中。MATLAB 的特点是编程效率高，用户使用方便，扩充能力强，语句简单，内涵丰富，具有高效方便的矩阵和数组运算和方便的绘图功能，特别适合系统仿真和设计的工作。还有 3 种功能。（1）数值和符号的计算功能（2）MATLAB 语
46、言（3）图形的可视化功能3.2 OFDM系统收发机OFDM 系统的收发机的典型框图如图 3.1 所示。对于发送端来说，首先是要产生用于仿真的二进制随机数据，编码模块的作用是为了提高系统的可靠性，降低接收端的误码率。之后的交织处理模块是为了防止突发性的错误导致连续一段数据发生错误，无法进行纠错，而人为的将数据次序打乱，从而使突发错误分散到不同的地方，有利于纠错。数字调制模块可以提高信道的频谱利用率。插入导频模块用于定时和信道估计；串并转换模块有利于降低数据流的江苏大学本科毕业论文21速率；IFFT 模块是数据变换形成信道上传输的多载波信号；然后将 N 路子载波信号叠加，即进行并串转换；加入保护间
47、隔和循环前缀会进一步减少 ICI 的影响，至此完成了整个信号发送部分的基带处理。接收端部分是发送端的逆过程，将接收到的信号变换到基带后，移除保护间隔，也就可以去除符号间的干扰；经过 FFT 变换后，提取出用于信道估计的数据，利用信道特性对接收信号进行补偿；再经并串转换，将并行数据变为串行数据，然后进行信道校正，解调以及译码等工作后就得到所图3.1 OFDM 系统的 Matlab 仿真流程如图得到所要的二进制信号的输出。图中上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。IFFT 变换与 IDFT 变换的作用相同，只是具有更高的计算效率。由于 FFT 操作类似于 IFFT，因此发射机和接收机
48、可以使用同一硬件设备。接收端进行与发送端相反的操作，将射频（RF）信号与基带信号进行混频处理，并用 FFT 变换分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。IFFT 和 FFT 护卫反变换，选择适当的变换将信号接受或发送。3.3 OFDM系统仿真Comment zhaoyh11: ？江苏大学本科毕业论文223.3.1 串行数据的产生为了便于计算把系统的仿真参数设置的较小，仿真参数为：子载波个数为 4，IIFFT/FFT 的长度为 4，调制方式选用 QPSK 调制，为了最大限度的减少插入保护间隔带来的信噪比损失，希望 OFDM 周期长度远远大于保护间隔长度，但是 OFDM符号周期
49、越大，系统中包括的子载波数越多，使子载波间隔相应减少，系统的复杂度增加，而且还加大了系统的峰值平均功率比，同时使系统对频率偏差更加敏感。因此在实际应用中，一般选择符号周期长度是保护间隔长度的 5 倍，这样由于插入保护比特所造成的信噪比损失只有 1dB 左右。所以保护间隔的长度为有效符号周期的 1/4,，即为 IFFT/FFT 长度的 1/4，故设循环前缀的长度为 1，每帧含有 2个 OFDM 符号，信噪比为 10dB。在实际应用中一般用信号发生器来产生整数随机序列。在 matlab 软件里产生随机序列可以使用函数 rand()，生成个数为 16 的串行序列，函数设置为 rand(1,16)即可。rand() 函数产生的序列是随机可变的，3.3.2 串并转换OFDM 系统是多载波传输的一种特殊方式，而发送端产生的数据为串行的，因此需要进行串并转换。OFDM 将高速输入的串行数据比特流转换成并行传输的低速数据流，而且串并转换之后会提高系统的抗干扰能力。串并
