OFDM专业系统设计及基带系统仿真.doc

OFDM原理和应用课程设计

OFDM系统设计及基带系统仿真

学 号：S

专 业：信息和通信工程

学生姓名：段京京

任课老师：张薇 副教授

4月

第1章 绪论
1.1 引言
计算机技术、Internet网络发展和普及改变了人类生活方法，这是人类科技一次革命性进步。伴随大家对信息量需求越来越多，无线移动通信进入了一个快速发展时期。进入二十一世纪以来，中国外移动通信技术有着愈加快速发展，尤其是无线通信网络和Internet结合，使网络资源发挥了更大作用，愈加促进了Internet发展和无线移动网络完善，大家生活方法愈加便捷和多样化，世界发展愈加快、愈加出色、愈加辉煌。无线移动通信技术迎来了又一次伟大变革。其中，正交频分复用（OFDM）技术是其关键技术。
在现代移动通信系统无线信道中，伴随传输数据率提升，多径衰落和由之引发码间串扰会严重影响系统性能。克服这种影响一个方法是采取信道均衡技术，不过伴随数据传输速率提升，其代价可能变得无法接收。正交频分复用（OFDM）传输技术提供了让数据以较高速率在较大延迟信道上传输另一个路径。OFDM技术是一个多载波调制技术，它将串行高速信息数据流变换成为若干路并行低速数据流，每路低速数据流被调制在相互正交子载波上组成发送信号。因为OFDM含有较高频谱利用率及抗多径干扰能力强优点，且能够经过IFFT/FFT等高效算法实现，所以现在它已成为应用最为广泛多载波调制方法。
1.2 OFDM系统发展
上个世纪70年代， Weinstein和Ebert等人应用离散傅里叶变换和快速傅里叶变换发明了一个完整多载波传输系统，叫做正交频分复用（OFDM）系统。
正交频分复用是一个特殊多载波传输方法[1]。正交频分复用技术应用离散傅里叶变换及反变换处理了产生多个相互正交子载波和从子载波中恢复原信号问题。这就处理了多载波传输系统发送和传输问题。应用快速傅里叶变换将大大降低多载波传输系统复杂度。以后以后OFDM技术开始走向实用。
因为科学技术快速发展，在二十世纪90年代，OFDM广泛用干多种数字传输和通信中，如非对称数字用户环路 (ADSL), ETSI标准音频广播 (DAB)、数字视频广播 (DVB)等[4]。1999年，IEEE802.ll a经过了一个5GHz无线局域网标准，其中，OFDM调制技术被用作物理层标准OETSI宽带射频接入网(BRAN)局域网标准，同时也把OFDM技术定为它调制标准技，使传输速率可达54MbPs。现在OFDM论坛组员已达46个会员，其中15个为关键会员，中国信息产业部也加入OFDM论坛[5]。
，IEEE802.16经过了无线城域网标准。伴伴随IEEE802.l la和BRAN Hyper LAN/2 两个标准在局域网应用，OFDM 技术将会深入在无线数据传输领域做出重大贡献。
OFDM技术现在拥有两个不一样联盟:一个是OFDM论坛，关键协调各会员递交给IEEE联盟和OFDM技术相关提议;另一个是宽带无线互连网论坛，其开发了一个VOFDM标准。OFDM论坛已经在IEEE 802.16无线MAN会议上向802.16.3分会递交了物理层提议，在这个会议上除了CDMA外，还有很多OFDM提议被提出。
以后，OFDM关键发展方向是增加传输距离、深入提升传输速率，而且和现有网络设备兼容。伴随数字信号处理和大规模集成电路技术快速发展，OFDM调制技术已经逐步被应用到无线通信、高清楚度广播电视等领域[6]。
OFDM调制技术高速率性能是经过提升系统复杂性为代价得到。该技术最大困难是怎样使各个子信道正确同时。OFDM技术基础是各个子载波必需满足频率正交性，假如正交性存在缺点，整个系统性能会严重下降。伴随数字信号处理和锁相环（PLL）技术飞速发展，现在能够正确跟踪信道冲激响应实时改变，均衡码间干扰影响。
1.3 OFDM系统发展前景
无线通信和个人通信在短短几十年间，经历了从模拟通信到数字通信，从频分多址(FDMA)到码分多址(CDMA)巨大发展，现在又有新技术出现，此技术即为正交频分复用（OFDM）。比以码分多址（CDMA）为关键第三代移动通信技术应用愈加完善，技术愈加优异，我们将之称为“第四代移动通信技术”。OFDM技术在宽率领域应用含有很大潜力。和第三代移动通信系统相比，采取多个新技术OFDM系统含有更高频谱利用率和良好抗多径干扰能力，而且提升了频带利用率，它不仅能够增加系统容量，而且愈加好地满足多媒体通信要求，将包含语音、数据、影像等大量信息多媒体业务经过宽频信道高品质地传送出去。另外，OFDM技术实现简单，成本低廉。伴随DSP技术飞速发展，并利用快速傅里叶变换产生大量相互正交子载波，为实现高速宽带通信系统提供了极大方便。OFDM将成为实现未来宽带移动通信主流方法，所以引发越来越多大家关注和研究[8]。

第2章 OFDM基础原理
2.1 利用IFFT生成OFDM信号
利用离散反傅里叶变换(IDFT)或快速反傅里叶变换(IFFT)实现OFDM系统，图2.1所表示。

r(t) n(t)
S(t)
……
……
并/串
交换
……
……
DFT
或
FFT
并/串
交换
反OFDM

OFDM

串/并交换
IDFT
或
IFFT
插入
保护
间隔
数/模转换
多径
传输
模/数
转换
去除
保护
间隔
串/并
交换
＋＋
图2.1 OFDM系统实现框图

从上图OFDM系统实现模型能够看出，输入经过调制复信号经过串／并变换后，进行IDFT或IFFT，将数据频谱表示式变到时域上，再经过并／串变换，然后插入保护间隔，预防码间干扰，再经过数／模变换后形成OFDM调制后信号s(t)。该信号经过信道后，接收到信号r(t)经过模／数变换，然后去掉保护间隔，以恢复子载波之间正交性，再经过串／并变换和DFT或FFT使数据时域表示式变到频域上后，恢复出OFDM调制信号，再经过并／串变换后还原出输入符号。
2.2　保护间隔和循环前缀作用
2.2.1　保护间隔(GI)
无线多径信道会使经过它信号出现多径时延，此种多径时延假如扩展到下一个符号，就会造成符号问串扰，严重影响数字信号传输质量。而采取OFDM技术关键原因之一是它能够有效地预防多径时延扩展。经过把输入数据经过串／并变换后分配到N个并行子信道上，使每个用于去调制子载波数据符号周期能够扩大为原输入数据符号周期N倍，所以时延扩展和符号周期比值也一样可降低为1／N。在OFDM系统中，为了能够最大程度地消除符号间干扰，可在每个OFDM符号之间插入保护间隔，而且该保护间隔长度通常要大于无线信道最大时延扩展，这么一个符号多径分量就不会对下一个符号造成干扰。
当多径时延小于保护间隔时，能够确保在FFT运算时间长度内，不会使信号相位跳变。所以，OFDM接收机所看到只是存在一些相位偏移、多个单纯连续正弦波形信号叠加，而这种叠加不会破坏子载波之间正交性。假如多径时延超出了保护间隔，则在FFT运算时间长度内可能会出现信号相位跳变，所以在第一路径信号和第二路径信号叠加信号内就不再只包含单纯连续正弦波形信号，从而造成子载波之间正交性可能遭到损坏，所以就会产生信道间干扰(ICI)，使得各载波之间产生干扰。
2.2.2　循环前缀(CP)
为了消除多径传输造成信道之间干扰ICI，一个有效方法是将原来宽度为TOFDM符号进行周期性扩展，用扩展信号来填充保护间隔。将保护间隔内信号称为循环前缀(Cyclic Prefix，CP)。在实际系统中，当OFDM符号送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。在接收端，先要将接收符号开始宽度为Tg部分丢弃，然后将剩下宽度为T部分进行傅里叶变换，进行解调。在OFDM符号内加入循环前缀能够确保在一个FFT周期内，使OFDM符号时延副本内所包含波形周期个数也是整数，这么，时延小于保护间隔时延信号就不会在解调过程中产生信道间干扰ICI。
2.3 OFDM基础参数选择
OFDM参数选择就是需要在多项矛盾要求中进行最优地考虑。通常来说，首先要确定三个参数：带宽（Bandwidth）、比特率（Bit Rate）和保护间隔(GI)。通常，保护间隔时间长度应该为应用移动环境信道下时延均方值2～4倍。一旦确定了保护间隔，则OFDM符号周期长度就能够确定。为了能够最大程度地降低因为插入保护间隔所带来信噪比损失，则需要OFDM符号周期长度要远远大于保护间隔长度。不过符号周期长度又不能任意大，不然在OFDM系统中将包含有更多子载波数，从而造成子载波间隔相对降低，致使系统实现复杂程度增加，而且还加大了系统峰值平均功率比，同时使系统对频率偏差愈加敏感。所以，在实际应用中，通常选择符号周期是保护间隔长度5倍，这么插入保护比特所造成信噪比损耗只有1 dB左右。
在确定符号周期和保护间隔以后，子载波数量能够直接用-3 dB带宽除以子载波间隔(即去掉保护间隔后符号周期倒数)得到或利用所要求比特速率除以每个子信道比特速率来确定子载波数量。每个信道中所传输比特速率能够由调制类型、编码速率和符号速率来确定。
2.3.1 有用符号连续时间
有用符号连续时间T对子载波之间间隔和译码等候周期全部有影响，为了保持数据吞吐量，子载波数目和FFT长度要有相对较大数量，这么就会使有用符号连续时间增大。在实际应用中，载波偏移和相位稳定性会影响两个载波之间间隔大小，假如接收机为移动着，则载波间隔必需足够大，这么才能忽略多普勒频移。总而言之，选择有用符号连续时间，必需以确保信道稳定为前提。
2.3.2 子载波数
子载波数目越多，有用信号越平坦，带外衰减也就越快，图形越靠近矩形，越符合通信要求，但子载波数目又不能过多，假如图形越靠近矩形则对接收端滤波器要求越高（只有理想滤波器才能过滤，不然就造成交调干扰）。所以在子载波数目标选择上要综合考虑传输信息有效性和可行性。
子载波数能够由信道带宽、数据吞吐量和有用符号连续时间T所决定：

子载波数能够被设置为有用符号连续时间倒数，其数值和FFT处理过数据点相对应。

第3章 OFDM系统仿真
3.1 仿真模型
为了简化仿真过程，对系统框图做以下简化和假设：
(1)假设接收端理想同时；
(2)此次仿真不研究信道编码方案对性能影响，故不进行信道编解码；
(3)消除子信道平衰落方法采取简单频域均衡；
(4)依据文件，仿真可进行低通等效，即进行低通等效传输；
(5)仿真时通常直接进行数字传输，即去掉A/D和D/A模块。
简化后系统仿真模型图3.1所表示。

图3.1 OFDM系统框图
3.2 仿真条件：
（1） 比特率
（2） 可容忍时延扩展（均方根）＜
（3）带宽
（4）两径信道
3.3 仿真设计过程
（1）确定保护间隔：依据时延扩展确定保护间隔长短，保护间隔通常取为 均方根时延扩展4倍，所以保护间隔。
（2）确定OFDM符号周期长度：选择符号周期长度是保护间隔长度5倍。
OFDM符号周期长度=5×保护间隔即：；
OFDM符号有用信号时间长度：；子载波间隔：。
（3）确定子载波数量：单个OFDM符号传送比特数。
方案1：采取16QAM调制和R=1/2信道编码。
每个子载波传送2bit信息；子载波个数；
信号带宽。
方案2：采取QPSK调制和R=3/4信道编码。
每个子载波传送1.5bit信息；子载波个数；
信号带宽；
所以，为满足传输带宽要求，选择方案1。
（4）利用快速傅立叶变换（FFT）和反变换（IFFT）实现：上述设计中FFT/IFFT
必需采取64个采样，其中24个子载波补零，以确保子载波间正交性。
采样速率为；在内，，采样数量是整数，FFT/IFFT运算时长为；
保护间隔为；
子载波间隔为。
仿真结果：

3.4 总结
仿真64点FFT（）OFDM系统BER性能，其中VC（虚拟子载波）为24个，即能够由，调制方案为16QAM,两径信道下BER理论性能和仿真性能曲线。