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OFDM系统设计及基带系统仿真

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2020年4月19日
文档仅供参考

OFDM原理与应用课程设计

OFDM系统设计及基带系统仿真

学 号：S

专 业：信息与通信工程

学生姓名：段京京

任课教师：张薇 副教授

4月

第1章 绪论
1.1 引言
计算机技术、Internet网络的发展与普及改变了人类生活方式，这是人类科技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。进入21世纪以来，国内外移动通信技术有着更快速的发展，特别是无线通信网络和Internet的结合，使网络资源发挥了更大的作用，更加促进了Internet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。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的无线信道中，随着传输数据率的提高，多径衰落和由之引起的码间串扰会严重影响系统性能。克服这种影响的一种方法是采用信道均衡技术，可是随着数据传输速率的提高，其代价可能变得无法接受。正交频分复用（OFDM）传输技术提供了让数据以较高的速率在较大延迟的信道上传输的另一种途径。OFDM技术是一种多载波调制技术，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彼此正交的子载波上构成发送信号。由于OFDM具有较高的频谱利用率及抗多径干扰能力强的优点，且能够经过IFFT/FFT等高效算法实现，因此当前它已成为应用最为广泛的多载波调制方式。
1.2 OFDM系统的发展
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创造了一个完整的多载波传输系统，叫做正交频分复用（OFDM）系统。
正交频分复用是一种特殊的多载波传输方式[1]。正交频分复用技术应用离散傅里叶变换及反变换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输的问题。应用快速傅里叶变换将大大降低多载波传输系统的复杂度。从此以后OFDM技术开始走向实用。
由于科学技术的快速发展，在二十世纪90年代，OFDM广泛用干各种数字传输和通信中，如非对称的数字用户环路 (ADSL), ETSI标准的音频广播 (DAB)、数字视频广播 (DVB)等[4]。1999年，IEEE802.ll a经过了一个5GHz的无线局域网标准，其中，OFDM调制技术被用作物理层标准OETSI的宽带射频接入网(BRAN)的局域网标准，同时也把OFDM技术定为它的调制标准技，使传输速率可达54MbPs。现在OFDM论坛的成员已达46个会员，其中15个为主要会员，中国的信息产业部也加入OFDM论坛[5]。
，IEEE802.16经过了无线城域网标准。伴随着IEEE802.l la和BRAN Hyper LAN/2 两个标准在局域网的应用，OFDM 技术将会进一步在无线数据传输领域做出重大贡献。
OFDM技术当前拥有两个不同的联盟:一个是OFDM论坛，主要协调各会员递交给IEEE联盟的与OFDM技术有关的建议;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分会递交了物理层建议，在这个会议上除了CDMA外，还有许多OFDM的建议被提出。
今后，OFDM的主要发展方向是增加传输距离、进一步提高传输速率，而且与现有的网络设备兼容。随着数字信号处理和大规模集成电路技术的快速发展，OFDM调制技术已经渐渐被应用到无线通信、高清晰度广播电视等领域[6]。
OFDM调制技术的高速率性能是经过提高系统复杂性为代价得到的。该技术的最大困难是如何使各个子信道精确同步。OFDM技术的基础是各个子载波必须满足频率正交性，如果正交性存在缺陷，整个系统的性能会严重下降。随着数字信号处理和锁相环（PLL）技术的飞速发展，现在能够精确跟踪信道冲激响应的实时变化，均衡码间干扰的影响。
1.3 OFDM系统的发展前景
无线通信与个人通信在短短的几十年间，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)的巨大发展，当前又有新技术的出现，此技术即为正交频分复用（OFDM）。比以码分多址（CDMA）为核心的第三代移动通信技术应用更加完善，技术更加先进，我们将之称为“第四代移动通信技术”。OFDM技术在宽带领域的应用具有很大的潜力。与第三代移动通信系统相比，采用多种新技术的OFDM系统具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，而且提高了频带利用率，它不但能够增加系统容量，而且更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务经过宽频信道高品质地传送出去。另外，OFDM技术的实现简单，成本低廉。随着DSP技术的飞速发展，并利用快速傅里叶变换产生大量相互正交的子载波，为实现高速宽带通信系统提供了极大的方便。OFDM将成为实现未来宽带移动通信的主流方式，因而引起越来越多的人们的关注和研究[8]。

第2章 OFDM基本原理
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)实现的OFDM系统，如图2.1所示。

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
传播
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系统的实现模型能够看出，输入经过调制的复信号经过串／并变换后，进行IDFT或IFFT，将数据的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，防止码间干扰，再经过数／模变换后形成OFDM调制后的信号s(t)。该信号经过信道后，接收到的信号r(t)经过模／数变换，然后去掉保护间隔，以恢复子载波之间的正交性，再经过串／并变换和DFT或FFT使数据的时域表示式变到频域上后，恢复出OFDM的调制信号，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的信号出现多径时延，此种多径时延如果扩展到下一个符号，就会造成符号问串扰，严重影响数字信号的传输质量。而采用OFDM技术的主要原因之一是它能够有效地防止多径时延扩展。经过把输入的数据经过串／并变换后分配到N个并行的子信道上，使每个用于去调制子载波的数据符号周期能够扩大为原输入数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样可降低为1／N。在OFDM系统中，为了能够最大限度地消除符号间干扰，可在每个OFDM符号之间插入保护间隔，而且该保护间隔的长度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。
当多径时延小于保护间隔时，能够保证在FFT的运算时间长度内，不会使信号相位跳变。因此，OFDM接收机所看到的只是存在某些相位偏移、多个单纯连续正弦波形的信号叠加，而这种叠加不会破坏子载波之间的正交性。如果多径时延超过了保护间隔，则在FFT运算时间长度内可能会出现信号相位的跳变，因此在第一路径信号与第二路径信号的叠加信号内就不再只包括单纯连续正弦波形信号，从而导致子载波之间的正交性可能遭到损坏，因此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)
为了消除多径传播造成的信道之间的干扰ICI，一种有效方法是将原来宽度为T的OFDM符号进行周期性扩展，用扩展信号来填充保护间隔。将保护间隔内的信号称为循环前缀(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，先要将接收的符号开始的宽度为Tg的部分丢弃，然后将剩余的宽度为T的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保证在一个FFT周期内，使OFDM符号的时延副本内所包含的波形周期个数也是整数，这样，时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生信道间干扰ICI。
2.3 OFDM基本参数的选择
OFDM参数的选择就是需要在多项矛盾要求中进行最优地考虑。一般来说，首先要确定三个参数：带宽（Bandwidth）、比特率（Bit Rate）以及保护间隔(GI)。一般，保护间隔的时间长度应该为应用移动环境信道下时延均方值的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减少由于插入保护间隔所带来的信噪比损失，则需要OFDM符号周期长度要远远大于保护间隔长度。可是符号周期长度又不能任意大，否则在OFDM系统中将包含有更多的子载波数，从而导致子载波间隔相对减少，致使系统实现的复杂程度增加，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，一般选择符号周期是保护间隔长度的5倍，这样插入保护比特所造成的信噪比损耗只有1 dB左右。
在确定符号周期和保护间隔之后，子载波的数量能够直接用-3 dB带宽除以子载波间隔(即去掉保护间隔后的符号周期的倒数)得到或者利用所要求的比特速率除以每个子信道的比特速率来确定子载波的数量。每个信道中所传输的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 有用符号持续时间
有用符号持续时间T对子载波之间间隔和译码的等待周期都有影响，为了保持数据的吞吐量，子载波数目和FFT的长度要有相对较大的数量，这样就会使有用符号持续时间增大。在实际应用中，载波的偏移和相位的稳定性会影响两个载波之间间隔的大小，如果接收机为移动着的，则载波间隔必须足够大，这样才能忽略多普勒频移。总之，选择有用符号的持续时间，必须以保证信道的稳定为前提。
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，图形越接近矩形，越符合通信要求，但子载波数目又不能过多，如果图形越接近矩形则对接收端的滤波器要求越高（只有理想滤波器才能过滤，否则就造成交调干扰）。因此在子载波数目的选择上要综合考虑传递信息的有效性和可行性。
子载波数能够由信道带宽、数据吞吐量和有用符号持续时间T所决定：

子载波数能够被设置为有用符号持续时间的倒数，其数值与FFT处理过的数据点相对应。

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)假设接收端理想同步；
(2)本次仿真不研究信道编码方案对性能的影响，故不进行信道编解码；
(3)消除子信道平衰落的方法采用简单的频域均衡；
(4)根据文献，仿真可进行低通等效，即进行低通等效传输；
(5)仿真时一般直接进行数字传输，即去掉A/D和D/A模块。
简化后的系统仿真模型如图3.1所示。

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：根据时延扩展确定保护间隔的长短，保护间隔一般取为 均方根时延扩展的4倍，因此保护间隔。
（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的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：采用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：采用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；
因此，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
必须采用64个采样，其中24个子载波补零，以保证子载波间正交性。
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（）的OFDM系统的BER性能，其中VC（虚拟子载波）为24个，即能够由，调制方案为16QAM,两径信道下的BER理论性能和仿真性能曲线。