正交频分复用通信专业系统设计及其性能研究应用.doc

正交频分复用通信系统设计及其性能研究年 级:学 号:姓 名:专 业:指导老师:二零一五年五月摘 要因为OFDM技术出现了近四十年时间，该技术在移动通信上已经得到快速发展。本论文关键研究OFDM系统应用，介绍了OFDM技术基础概念和发展历程，并简明叙述OFDM在无线移动技术中发展前景。在介绍OFDM原理同时，比较FDM和OFDM异同点，认识保护间隔和循环前缀对OFDM意义，简述OFDM优势和缺点，了解OFDM关键技术，研究OFDM频域和时域波形图，利用加窗技术来提升OFDM功率谱密度。 关键字： 正交频分复用；码间干扰；循环前缀；高斯白噪声AbstractBecause of OFDM technology emerged about forty years, it has developed rapidly in the field of mobile communications,This thesis mainly studies the application of OFDM system, introduces the basic concepts and development of the OFDM technology, besides, the thesis also describes the future development in wireless mobile technology. While introduce the principles of OFDM, comparing the similarities and differences between FDM and OFDM, understanding the significance of protection interval and cyclic prefix in OFDM,I described the advantages and disadvantages of OFDM briefly, and known the key technologies of OFDM,studied the domain waveform figure OFDM frequency domain and time domain, by using the window technology to improve the power spectral density of OFDM.Keywords: OFDM; ISI; CP; WGN 目 录摘 要II AbstractIII第1章 绪论11.1本文研究背景及意义11.2本文发展历程及现实状况11.3本文关键内容2第2章 OFDM系统基础介绍32.1 OFDM基础原理42.1.1 OFDM产生和发展42.1.2 IDFT/DFT实现52.1.3保护间隔和循环前缀52.2 OFDM系统优缺点62.3 OFDM系统关键技术7第3章 OFDM系统载波实现过程及仿真介绍83.1 OFDM子载波调制过程83.2 OFDM符号形成和加窗技术113.3 OFDM系统仿真星座图形成13第4章 仿真结果及分析154.1 OFDM系统有没有频偏性能比较154.2循环前缀在多径信道OFDM性能比较164.3 OFDM系统仿真波形图分析174.4仿真结果分析22第5章 总结23致 谢24参 考 文 献25附 录1 程序27第1章 绪论1.1本文研究背景及意义移动通信是现代通信系统是现代移动通信系统一部分，不仅包含有线和无线通信技术，而且集中了网络接收发送和计算机技术很多研究结果。现在大多数移动通信从模拟通信到数字移动通信发展，和通信正朝着一个更高级发展阶段1。而在未来移动通信方向则是完成5W，即能在任何时间、任何方位、任何人向任何人或移动配置供给快速可靠通信2。因为大家对信息量需要越来越大，无线移动通信随即来到了一个快速发展时代。二十一个世纪以来，因为无线通信网络和互联网结合使用，中国外移动通信技术发展速度更为显著，使世界网络资源发展愈加紧速。正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术就是移动通信中关键转变之一。1.2本文发展历程及现实状况 OFDM属于是多载波传输系统，起源于上个世纪70年代， 当初Weinstein和Ebert等人把离散傅里叶变换DFT（Discrete Fourier Transform）和快速傅里叶变换从而提出了正交频分复用系统5。 个基点，当带宽接收天线8。1.3本文关键内容本论文关键介绍OFDM系统及其MATLAB仿真。论文第一章介绍了论文研究方向、论文目标和意义，然后主旨说明OFDM发展历程，对OFDM发展前景做一个简明叙述。论文第二章关键介绍论文中研究OFDM系统原理、优缺点和关键技术；并对OFDM循环前缀和保护间隔作大致概述论文第三章说明OFDM系统子载波调制实现过程，加窗技术对OFDM技术功率谱密度影响，并对形成星座图过程进行简述。论文第四章是分析OFDM经过MATLAB仿真结果，并对波形图作对比分析，得出仿真结果。论文第五章结束章节是整体论文总结，最终分别是致谢、参考文件和附录，这就是本篇论文大致结构。第2章 OFDM系统基础介绍 OFDM技术，和FDM原理相同，OFDM经过串行并行变换高速数据流，分配到多个频率子信道11。OFDM和FDM关键区分是：一是在传统广播系统，每个无线电台在不一样频率发送信号，以确保FDM分隔每个网站有效使用，每个站点不一样位或同时广播系统；当使用OFDM通信技术时候，每一个单一复用数据流被组合成多个无线站台信息信号，而且多个子载波也组成了该数据，然后在OFDM系统中进行传输，在全部子载波OFDM信号在时间和频率同时，所以不许可有子载波之间相互存在干扰。 图2-1 FDM和OFDM调制技术比较 2.1 OFDM基础原理2.1.1 OFDM产生和发展OFDM提出已经靠近四十年时间，只是因为模拟滤波器实现起来系统复杂度较高等多种原因，所以一直没有得到很好应用起来；直到70到90年代，被逐步利用DFT来实现多载波影响，才为此OFDM系统实际应用打下了基础；在此期间，L.J.Cimini也分析OFDM系统问题和具体处理方案12。自那以后，OFDM移动通信才得到快速发展。图2-2 OFDM收发机框原理框图2.1.2 IDFT/DFT实现 DFT时域和频域是紧密结合，不一样环境选择傅立叶变换形式是不一样。DFT为一个常规变换方法，其中对时域和频域上信号进行采样。对于N较大系统，OFDM能够用离散傅立叶逆变换（IDFT）来完成15。对信号以进行抽样，令，得到:(2-1) 看出等效对进行IDFT运算。在接收端，为了数据符号，能够对进行IDFT逆变换，得到： 2.1.3保护间隔和循环前缀正是因为这种低符号率使得OFDM系统能够抵御码间干扰ISI（Inter-Symbol Interference），另外，经过附加保护间隔，在每一个符号开始时，能够深入抵制ISI，也能够降低接收定时偏移误差17。这种保护间隔复制周期，增加符号长度，在每个子载波周期，周期信号符号是数据符号整数倍，即在OFDM符号后时间复制到OFDM符号前部，形成循环前缀CP（Cyclic prefix）。所以，复制符号和符号一端添加到了起点，为了增加时间符号长度，图2-3显示保护区间。图2-3 OFDM加入保护间隔2.2 OFDM系统优缺点 多年来，OFDM技术实际应用，而且倍受大家期待，在于OFDM技术各个优点：（1）把数据高速率经过所述串并转换，使得在各个子载波数据码元连续时间长度相对增加，从而有效地降低引发ISI无线信道扩散时间，从而降低了复杂度，有时仅仅是插入循环前缀，就能够消除ISI不利影响。2.3 OFDM系统关键技术OFDM系统关键技术有以下三个：（1）时域和频域同时OFDM系统对定时和频率偏移敏感，在FDMA，TDMA和CDMA多址连接时候，时域和频率同时尤为关键，同时分为捕捉和跟踪分为两个过程。依据每个移动终端发送信息到基站在时域进行子载波提取并发送回移动终端，基站同时，使移动终端频率域和同时信息。在具体实施方法中，同时将在同一时间被分成时域同时和频域同时，也能够二者同时一起同时。第3章 OFDM系统载波实现过程及仿真介绍数据传输是串行数据流被连续地发送码元，每个数据符号能够占用到可用整个频谱带宽。然而，并行数据系统时候，很多符号数被同时发送，从而降低那些发生在系统中串行问题20。因为自适应调制，各子载波调制方法是能够改变，所以每个子载波上传输比特数也能够改变，所以串行并行转换需要分配给每个子数据段不一样长度载体，然而在接收端过程则是截然相反。3.1 OFDM子载波调制过程当在一个OFDM无线多径信道传输，可能会造成相当大衰减，经过子载波频率选择性衰落，造成误码。在零信道频率响应造成上传送受损相邻子载波信息，从而产生一系列位错误在每个符号。和连续错误一长串发生情况相比，多数前向纠错将在错误均匀分布情况下更有效地工作。所以，为了提升系统性能，大多数系统使用数据扰频和转换工作作为字符串一部分，这不仅能够恢复数据位原始序列，同时还分散了一系列因为信道衰落随时间因为使近似均匀分布比特差错。随机化之前错误这个位置，以提升纠错编码FEC性能，和该系统整体性能得到了改善21。 (3-2) 图3-1中给出了OFDM系统框图，。接收端将接收到同相和正交反回信息，对子载波进行了调解。 图3-1 OFDM模拟图 图3-2是一个OFDM符号4个子载波情况下，对于全部子载波而言，幅值和相位全部是相同22，子载波正交性就能够用这一特征来解释，即是： (3-3)对式(3-2)解调第个子载波，在内积分，即以下得到式（3-4）： (3-4)图3-2 OFDM四个子载波时域波形 依据公式（3-1），频谱幅值矩形脉冲作为该函数函数零点出现在1/整数倍位置频率。3.2 OFDM符号形成和加窗技术由公式（3-1）得出，假设，OFDM信号复包络： (3-5)为功率归一化因子， 。OFDM功率谱密度为个子载波上功率谱密度总和 为了使带宽下降以外功率谱密度愈加快，我们需要利用OFDM符号“窗口”技术。OFDM符号用于“加窗”是指：使符号周期振幅值，一个一个过渡到几乎为零边缘。窗口类型是常见升余弦函数，以下： (3-7)其中，表示加窗前符号长度，为加窗后符号长度，从而许可在临时符号之前存在有相互覆盖区域。加窗处理后OFDM图3-5。 图35 OFDM加窗处理示意图 图 36 升余弦加窗函数对OFDM功率谱密度影响3.3 OFDM系统仿真星座图形成 首先设计多种参数，子载数为256，用16QAM调制加入循环前缀和高斯白噪声，进行IFFT，最终解调并计算误码率。 我论文所使用得主函数randint，调用子函数QAM16_mod，形成16QAM星座图，最终调用QAM_16demod函数。QAM16_mod函数步骤程序如以下：第4章 仿真结果及分析 在此次仿真中，我依据OFDM系统收发框图，首先用MATLAB仿真验证OFDM频率偏移影响，并在有没有保护间隔和循环前缀情况下进行对比作结果验证。在16-QAM调制方法下，进行有没有高斯白噪声WGN（White Gaussian Noise）和加入循环前缀前后情况下，加入不一样信噪比对OFDM系统仿真。最终得出结果进行验证对比。4.1 OFDM系统有没有频偏性能比较 因为在OFDM符号系统解调过程，每个子载波频率最大值全部是估量，而且所以，能够从各子载波重合子载波符号符号被提取而不被其它频谱子载波干扰。OFDM子载波频谱不存在干扰之间个数，所以最大值子载波频谱和其它子载波频谱为0特征避免载波间干扰（ICI），但也发觉子载波之间频率间隔，每当有一个轻微偏离将破坏这种正交性，OFDM系统频率偏移更敏感。下面我们用MATLAB软件进行仿真验证。仿真结果以下： 图4-1无频偏子载波解调结果图4-2 有频偏时子载波解调结果 从图4-1和4-2中，当频率没有存在偏差，解调结果和原始数据保持一致性，当解调频率有偏差时，原始数据解调结果相比，有很大差距，严重影响了信道噪声，通常也是轻易造成后面QAM解调产生差错。4.2循环前缀在多径信道OFDM性能比较 2径信道模拟比较空白前缀和循环前缀OFDM系统性能比较图4-3 有没有循环前缀在两径信道结果对比 图4-3能够在不超出前缀长度更多路延迟情况下能够看出，信道均衡后，加入第二符号循环前缀不和所述第一码元和子载波受到干扰，并添加一个空白前缀符号，于是，解调后数据和原始数据，当多径信道最大延迟超出了前缀长度不一致时，所述第二符号是将受到第一个干扰。4.3 OFDM系统仿真波形图分析以下是第一次模拟，输入25 dB信噪比，仿真图以下：图4-4是输入随机数据星座图，图中能够看出，输入随机数据已经经过了16QAM调制，调制后星座点图以下所表示。小叉是星座点。图4-4 16-QAM星座图图4-5是输入加入噪声前后信号波形比较。左边和右边分别代表信号实部和虚部，上面和下面分别代表当加入噪声前后噪声。当信号经过高斯白噪声信道时，能够很看到信号发生了较大改变，出现所谓失真。图4-5加噪前后信号波形对比图4-6是加入噪前后信号幅值和相位改变比较，左为幅值部分，右为相位部分。上下两图分别是加入高斯白噪声前后信号。由图得出，相位和幅度全部出现失真情况。图4-6 加入噪声前后信号幅值和相位图4-8是OFDM信号星座图，当信号经过高斯白噪声后，星座图点位置发生巨大改变，圆圈和红叉相互混合（红叉为没经过高斯信道信号，圆圈相反），这是因为当信号经过有高斯白噪声信道，信号出现失真，星座图出现改变。图4-8接收到OFDM符号星座图系统误码率为：0.1641从仿真得到，在输入25dB信噪比时，输出信号是存在误码率。第二个仿真信噪比为40dB时。仿真图形以下：图4-9是输入随机数据16-QAM仿真星座图。红色小叉为星座点。图4-9 16-QAM星座图图4-10是加入噪声前后信号波形图。我们能够看到，经过高斯白噪声信号数值部分几乎不变，信号加噪声影响尤其小。图4-10加入噪声前后信号对比图4-11是加入噪声前后信号幅值和相位波形图对比情况。图中我们能够看到，该信号经过高斯白噪声信道，其幅值大小几乎没有任何一点点改变。再看相位，改变幅度比较大，相位发生了改变，出现很严重失真。图4-11加入噪声前后信号幅值和相位对比图4-12是和循环前缀和添加循环前缀后信号波形比较，对两图分别加入循环前缀信号波形前、后两图对应信号实部和虚部。图4-12加入循环前缀前后出现信号波形改变图4-13为OFDM信号接收时星座图，图中能够得到，经由高斯白噪声后，能够看出改变甚小，也就是说OFDM符号根本就没有发生有误码情况。4.4仿真结果分析经过两次不一样信噪比对OFDM系统仿真，产生随机数据星座图，分别得出加入噪声前后图像，并对波形图进行对比，并对OFDM信号波形含有和不含有循环前缀比较，它能够从经过信号高斯白噪声信道前后改变所取得结果能够看出，在信道中会产生信号失真，这种情况改变原因是受到了信道高斯白噪声影响。然而，经过比较在波形图上数据，伴随信噪比增大，该系统误码率会下降，系统性能变得愈加好。 第5章 总结经过撰写毕业论文后，对OFDM系统有更深一步了解，对其原理也有一定认识，也能够做一定仿真，OFDM在整个无线接入和移动高速传输中使用前景也很可观，被作为是第四代移动通信关键技术。在对整个OFDM系统开发之前，能够先了解该系统优缺点，然后进行一定仿真，这么能够整体提升系统性能指标，缩短开发周期，减小研发成本，少走弯路。致 谢这次毕业论文能够顺利完成，是全部曾经指导过我老师，帮助过我同学，一直支持着我好友们对我帮助和激励结果。我要在这里对她们表示深深谢意！ 参考文件1 王文博，郑侃.宽带无线通信OFDM技术M.人民邮电出版社,.8:2-252 谭泽富，聂祥飞，王海宝.OFDM关键技术及应用M.第一版,西南交通大学出版社,.5:23-333 刘晓明.基于星座映射法降低OFDM系统峰均功率比研究D.哈尔滨工业大学学士论文,:125-1464 佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理和应用M.第一版，人民邮电出版社,.8:87-101附 录1程序 程序以下N=8; %子载波数f=1:N; %子载波频率x=randint(1,N,0 3); %子载波上数据x1=qammod(x,4); %4-QAM调制t=0:0.001:1-0.001; %符号连续时间w=2*pi*f.*t;w1=2*pi*(f+0.2).*t; %频偏是0.2hzy=x1*exp(j*w); %子载波调制plot(t,abs(y);for ii=1:N; y1(ii)=sum(y.*exp(-j*w(ii,:)/length(t);endstem(abs(x1);hold on;stem(abs(y1),r);title(频偏为0子载波解调结果)axis(0 9 0 3)legend(原始数据,子载波解调后数据)for ii=1:N y3(ii)=sum(y.*exp(-j*w1(ii,:)/length(t);