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ofdm毕业论文
毕业设计(论文)报告
题目:
基于MATLAB的OFDM系统仿真
学部
学科门类信号处理
专业信息工程
学号********
姓名姜小飞
指导教师李霞
2015年5月12日
基于MATLAB的OFDM系统仿真
摘要
本文介绍了OFDM的基本原理以及国内外研究的现状然后用MATLAB对其记性了仿真与分析
首先简单介绍了OFDM的基本原理,,OFDM国内外的研究现状,以及OFDM的应用领域,发展趋势,为之后的仿真平台构建了一定基础,对OFDM的基本原理以及IFFT和FFT的变换之后的星座图进行了分析,以及OFDM的频谱图和正交性原理进行了分析然后在对加入循环前缀,加入CP和加窗后对OFDM的影响作出了一定的分析
其次,对OFDM进行平台构建,确立仿真的初步方案,再通过阅读相关资料文献写出matlab语言的仿真程序,并进行调试和修改,通过一定时间的学习,将基本的仿真程序写了出来,通过软件仿真出在QAM16调制下波形图,加入循环前缀,IFFT变换,以及加窗之后的图形进行了仿真分析,并且得到了相应的结论。
最后,通过对QAM16的调制与解调方式的学习,配合MATLAB的仿真图进行比较分析得出其对误码率的影响,研究了不同信噪比情况下系统的误码率,并对其结果进行了分析
关键词 :
正交频分复用;matlab,仿真;误码率
ABSTRACT
OFDMororthogonalfrequencydivisionmultiplexingisdevelopedfromthemulti-carriermodulation.Itcanbeseenasamodulationtechniqueandcanalsoberegardedasakindofmultiplexing.OFDMtechnologycangreatlyreducethebiterrorrate,andhasastronganti-interferencecapabilityandhighspectralefficiencyandsoon,somoreandmorepeopleareconcernedaboutthetechnology.
Thegraduationprojectintroducesthedevelopment andapplicationofOFDMtechnologysimplifyatfirst,andanalyzestheadvantagesanddisadvantagesofOFDMsystemandthedevelopmentprospects.ThensimplydescribestheprincipleoftheOFDMandOFDMsystemimplementationmodelandtheMATLABsoftware,andregarditasthetheoreticalbasis.Finally,usingtheMATLABsoftwareininputdifferentSNRsimulationofOFDMsystems,andthedataofthesimulationoutanalysisunderstandingandsummarizesthegraphics.
Keywords:
Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing;Simulation;MATLAB
窗体顶端
目 录
第一章绪论1
1.1引言1
1.2 OFDM系统的发展1
1.3 OFDM技术的优缺点2
1.4 OFDM系统的发展前景3
第二章 OFDM的技术基础4
2.1 OFDM基本原理4
2.2 OFDM系统实现模型6
2.3 保护间隔和循环前缀作用7
2.3.1 保护间隔(GI)7
2.3.2 循环前缀(CP)7
2.4. 功能说明7
2.4.1 OFDM基本参数的选择7
2.4.2 有用符号持续时间8
2.4.3 子载波数8
2.4.4 调制模式8
第三章 OFDM系统仿真与分析9
3.1MATLAB简介9
3.2 OFDM系统仿真设计9
3.3 仿真及结果11
3.3.1 仿真一11
3.3.2 仿真二14
3.4 仿真结果分析16
4第四章总结17
参考文献18
致谢19
附录20
窗体底端
第一章 绪论
1.1选题背景
上世纪70年代Weinstein和Ebert利用离散傅里叶变换和快速傅里叶变换创造了一个比较完整的多载波传输系统-正交频分复用系统。
由于科学技术的发展,在20世纪90年代,OFDM被广泛应用于数字通信及传输中,如非对称的数字环路(ADSL),ETST的标准广播(DAB),数字视频广播(DVB),1999年,IEEE802.11a通过了一个5GHZ的无线局域网标准,其中,OFDM调制技术被用作物理标准OETST的宽带射频接入网(BRAN)的局域网标准,同时也把OFDM技术定位他的调制标准技。
ofdm技术是最开始的最美好的技术。
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,目前又有新技术的出现,此技术即是正交频分复用(OFDM)技术,比以码分多址(CDMA)为核心的第三代移动通信技术更加完善,更加先进,我们称之为“第四代移动通信技术”,OFDM在宽带领域的应用更加有更大的潜力,与第三代移动通信相比,OFDM技术显示的潜力十分明显,对于未来的发展来说,有着无限的可性。
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多径干扰能力,并且提高了窄带频谱利用率。
此外OFDM技术实现简单,成本较为低廉。
随着DSP技术的发展,并利用快速傅里叶变换产生大量相互整觉的子载波,为实现高速通信提供了极大的方便,OFDM技术将成为未来宽带移动通信的主流方式,因而引起了越来越多人们的关注和研究。
1.2ofdm技术的优势与不足
OFDM存在很多技术上的优点如下,在3G,4G中被运用,作为移动通信方面,其有很多优势
1)频谱利用率很高,所以在窄带带宽下能够发出大量的数据,然而这可以能在这一点在频谱资源有限的无线环境中显得很重要。
而且OFDM技术能同时分开至少超过1000个数字信号,码间干扰显得非常小,并且OFDM信号间的相邻子载波之间相互重叠,所以从理论上讲其频谱利用率非常接近于奈奎斯特极限。
2)由于通信路径上传送数据的能力会随时间的变化而发生变化,而OFDM技术能够持续不断地监视传输媒质上通信特性的突发变化,所以OFDM能动态地与之相协调,并且接通和切断相应的载波来保证通信持续精确地进行;
3)该技术可以自动地检测在传输介质下哪一个特定的载波存在较高的信号衰减或干扰脉冲,并能采取合适的调制措施使指定频率下的载波通信成功;
4)该技术能提供队列服务,克服传输介质中外界信号的干扰,因此OFDM技术适合在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区使用。
高速的数据传播及数字语音广播都期望降低多径效应对信号的影响。
5)OFDM技术最大的优点是抗频率选择性衰落或窄带干扰。
在单载波系统中,单个
衰落或干扰能够导致整个通信链路失败,但是在多载波系统中,仅仅有很小一部分载波会受到干扰。
对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。
6)可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。
当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多。
7)信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要;当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。
(baud即波特;1Baud=log2M(bit/s),其中M是信号的编码级数
虽然OFDM有上述优点,但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势
(1)易受频率偏差的影响。
由于子信道的频谱之间相互覆盖,于是这就对他们的猛烈正交性提出了很高的要求。
,这种对频偏敏感是ofdm主要缺点之一
(2)存在比较高的峰值平均功率之比,多载波系统的输出是多个共同子载波信道信号的叠加所得到的结果,因此如果多个子载波相位相比较一致时,叠加所得到的瞬时功率就会高于一般意义上的平均功率,导致出现比较由于无线信道的时变性,在传输过程中出现信道的频谱偏移,或发射机与接收机本地震荡之间存在一定基础的频谱偏差,都会使得ofdmx系统子载波之间的正交性遭到破坏,导致子载波之间相互干扰(ICI)大的峰值平均功率比(PAPR,peak-average-power-rate).许多问题须待深入研究以进一步提高其技术性能。
多年以来,围绕基于DFT(或FFT)的OFDM的关键技术的研究,如同步、信道估计、均衡、功率控制等方面一直在探索具有更优的方案,这些研究使OFDM技术欲加成熟和完善。
另一方面,由于DFT-OFDM在具体实现过程中采用插入CP(循环前缀)来消除ISI(码间干扰),所以进一步提高频谱利用率仍有较大余地,另外,为降低插入CP带来的频谱损失,通常采用较长的DFT变换块,但是,如此将会造成系统对载频误差及Doppler频移非常敏感,引起系统性能下降,同时对信道估计带来难度。
针对这一点来说,有些人提出基于小波/小波包的正交多载波调制技术,作为对基于DFT的多载波调制技术OFDM的发展和改进。
小波函数/小波包函数具有良好的尺度与平移正交性,因而可将其作为多载波调制的在载波,这种多载波调制方案被称为基于小波/小波包的正交多载波调制。
理论分析和仿真结果表明,小波/小波包调制技术具有与其他调制技术相同或更好的性能和参数,同时具有更好的抗干扰性能。
小波/小波包调制与多址技术结合,如基于小波包变换的多载波码分多址系统(WPDM-CDMA),更贴近于现代无线多址通信系统的实际应用,从而进一步表明小波/小波包调制技术的可行性与先进性,具有更加广阔的发展前景。
同时作为一个充满希望与潜力的新研究领域关于小波/小波包调制技术有许多问题尚待进一步研究与发现,子载波之间的正交性会在到一定程度的破坏,而这对于OFDM来说是致命的,低俗的,不可取的
1.3OFDM系统的关键技术
(1)时狱和频域同步
Ofdm系统对定时和频率偏移敏感,特别是实际应用中可能与FDMA-TDMACDMA等码分方式结合时,时狱和频域同步显得更为重要。
(2)适合OFDM特点的编码方案
目前来说OFDM中所用的码,一般来说都是一些比较现成的码,如卷积码,RS码,汉明码等这些码一开始最开始的时候的都不是用在OFDM中的,现在如果直接拿过来用,可能未必适合OFDM的可能性技术特点,特别是如何设计码,能充分发挥OFDM的频率分集作用.这样来说比较有意思,也有探究的必要性
(3)OFDM技术最大的难点PAPR值较高的问题
OFDM信号在时域上一般表现为N个正交子载波信号相互的叠加,当这N个信号恰好均以峰值相叠加时,OFDM信号也将会产生最大峰值,该峰值功率是平均功率的N倍。
尽管峰值功率出现的概率较低,但为了不失真地传输这些高峰均功率比(PeaktoAveragePowerRatio,PAPR)的OFDM信号,发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高且发送效率极低,接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。
因此,高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。
为了解决这一问题,人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。
编码技术:
分组编码的方法既可以绝对地降低PAPR,也具有一定的纠错能力。
这样在一定程度上可以抑制码间干扰哦,从而降低误码率,对ofdm的性能提高具有一定好处。
OFDM信号的复包络依赖于发送数据信号序列的非周期自相关函数旁瓣。
如果旁瓣小,则信号的起伏就小,即PAPR小,就可以得到准恒定(Quasi-Constant)幅度信号。
因此,需要寻找自相关函数旁瓣小的发送信号序列。
Golay二进制序列(即Complementary)就是一种旁瓣小的序列。
即使是它扩展到多相位序列,也仍然满足旁瓣小的特性。
可以证明,Golay序列的PAPR不超过3dB。
基于互余序列的分组码的基木思想就
(4)均衡
在一般的衰落环境下,OFDM系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。
因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰,而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性,
因此在一般情况下,OFDM系统就不必再做均衡了。
在高度散射的信道中,信
道记忆长度很长,循环前缀CP(CyclicPrefix)的长度必须很长,才能够使ISI尽量不
这时,可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小,即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。
5)扰码技术:
采用扰码技术,使生成的OFDM的互相关性尽量为0,OFDM信号的相位进行重置,典型的有PTS和SLM。
3.3训练序列和导频及信道估计技术接收端使用差分检测时不需要信道估计,但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考,差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量,但却损失了信噪比。
尤其是在OFDM系统中,在系统采用相干检测时,信道估计是必须的。
此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息,训练序列通常用在非时变信道中,
在时变信道中一般使用导频信号。
在OFDM系统中,导频信号是时频二维的。
为了提高估计的精度,可以插入连续导频和分散导频,导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。
导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽,在时域上,导频的间隔应小于相干时间;在频域上,导频的间隔应小于相干带宽。
在实际应用中,导频模式的设计要根据具体情况而定
1.4OFDMPAPR的消除
一般通过以下几种技术解决。
①限幅(Clipping)技术:
是一种简单而有效的降低PAPR的方法,
但是它可以导致带内信号的失真和带外频谱弥散,从而使误码率性能恶化。
高速率编码是一种对信码进行的简单编码,它可以从统计特性上降低大的PAPR出现的概率。
②编码技术:
分组编码的方法既可以绝对地降低PAPR,也具有一定的纠错能力。
OFDM信号的复包络依赖于发送数据信号序列的非周期自相关函数旁瓣。
如果旁瓣小,
则信号的起伏就小,即PAPR小,就可以得到准恒定(Quasi-Constant)幅度信号。
因此,需要寻找自相关函数旁瓣小的发送信号序列。
Golay二进制序列
(即Complementary)就是一种旁瓣小的序列。
即使是它扩展到多相位序列,
也仍然满足旁瓣小的特性。
可以证明,Golay序列的PAPR不超过3dB。
基于互余序列的分组码的基本思想就是避免使用PAPR高的码子。
通过采用基于互余序列的分组码,在PAPR的控制在3-6dB情况下,
系统可以得到很大的编码增益,并改善了error-floor性能。
③扰码技术:
采用扰码技术,使生成的OFDM的互相关性尽量为0,
从而使OFDM的PAPR减少。
这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重臵,典型的有PTS和SLM。
第二章OFDM技术基础
2.1OFDM的基本原理
无线信道的频率响应曲线通常是非常平坦的,而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分为许多的正交自信到,在每个子信到使用一个子载波进行调制,并且各个子载波并行传输。
这样,每条链路都可以独立进行调制,因而OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频调制,并目各子载波并行传输。
这样,每条链路都可以独立调制,因而该系统不论在上行还是在下行链路上,都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。
因此,尽管总的信道是非平坦的,且具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,这样就可以大大消除信号波形间的干扰。
由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,于是它们的频谱是相互重异的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。
由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,另外OFDM之所以备受关注,其中一条重要的原因是它可以利用离散傅里叶反变换离散傅里叶逆变换(DFT/IDFT)代替多载波调制和解调,而目前,采用DSP或FPGA实现DFT/IDFT的技术已非常成熟和方便。
分复用技术,实际上OFDM是MCM(MultiCarrierModulation),多载波调制的一种。
OFDM技术由MCM(Multi-CarrierModulation,多载波调制)发展而来。
OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一,它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的,是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。
在通信系统中,信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。
如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的,为了能够充分利用信道的带宽,就可以采用频分复用的方法。
OFDM主要思想是:
将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。
正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI)。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上可以看成平坦性衰落,从而可以消除码间串扰,而且由于每个子信道的带宽仅仅是信道带宽的一小部信道均衡变得相对容易。
OFDM技术是HPA联盟(HomePlugPowerlineAlliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。
由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
第一:
在常规的广播系统中,每一个无线站在不同的频率上发送信号,有效的运用
FDM来保证每个站点的分隔,广播系统中的每一个站点没有任何的同位或同步;但使
用OFDM传播技术,譬如DAB,从多个无线站来的信息信号被组合成一个单独的复用
信号内的所有子载波都是在时间和频率上同步的,使子载波之间的干扰被严格控制。
这
些复用的子载波在频域中交错重叠,但因为调制的正交性且采用循环前缀作为保护间
隔,所以不会发生载波间干扰ICI(Inter-CarrierInterference)。
第二:
对传统的频分复用(FDM)系统而言,传播的信号需要在两个信道之间存在
较大的频率间隔即保护带宽来防止干扰,这降低了全部的频谱利用率;然而应用OFDM
的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽,提高了频谱利用率。
在早期时候,正交频分复用(OFDM)系统中,各子载波采用正交滤波器将信道分成多个子信道,但要用很多的滤波器,尤其是当路数增多的时候。
1971年,Weinstein及Ebert等将DFT应用在多载波传输系统中,从而很方便地实现了多路信号的复合和分解。
OFDM系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调,从而大大简化系统实现的复度。
一个完整的OFDM系统原理图如下所示OFDM主要思想是将串行数据并行地调制在多个正交的子载波上,由此可以降低每个子载波的码元速率,增大码元符号周期,提高系统的抗摔落和抗干扰能力,而且由每个子载波的正交性,大大提高了频谱利用率,因此非常适合移动场合中的高速传输。
在发送端,输入的高速率二进制数据流经过信道的编码和交织后,再通过调制映射产生调制信号,在经过加入循环前缀,加窗处理后插入导频信号后,经过串/并变换变成N个并行的低速率数据流,这样每N个并行数据将会构成一个OFDM符号。
经快速反傅里叶变换(IFFT)对每个OFDM符号的N个数据进行调制,变成时域信号为:
n=0,1,……,N-1(2-1)
式中:
m表示为频域上的离散点;n表示为时域上的离散点;N表示为载波数目。
为了在接收端能够更加有效的抑制码间干扰(InterSymbolInterference,ISI),通常要在每一时域OFDM符号前需要加上保护间隔(GuardInterval,GI)。
加保护间隔后的信号可表示为式
(2),最后信号经并/串变换以及D/A转换,再由发送天线发送出去。
(2-2)
接收端将接收到的信号进行处理,完成定时同步和载波同步。
经A/D转换,串/并转换后的信号可表示为:
(2-3)
然后,在去除CP去除循环前缀后再进行FFT解调,同时进行信道估计(依据插入的导频信号),后面接着将信道估计值和FFT解调值一起送入检测器进行相干检测,检测每个子载波上的信息符
号。
最后经过反映射和信道译码恢复出原始比特流。
除去循环前缀(CP)经FFT变换后的信号可表示为:
m=0,1,……N-1
m=0,1,……N-1
(2-4)
式中:
H(m)为信道h(n)的傅里叶转换;Z(m)为符号间干扰和载波间干扰z(n)的傅里叶变换;W(m)是加性高斯白噪声w(n)的傅里叶变换
2.2ofdm的基本实现模型
Ofdm的实现模型如下图
频偏校正
2.2(3)详细设计方案
(1)确定参数需要确定的参数有传输数据的个数,即信道带宽n.载波数子信道fft长度窗滚动系数符号速率比特率保护间隔长度信噪比等参数
(2)产生数据,数据的产生使用随机函数randint产生symbols_per_carrier*carrier_count*bits_per-symbol个随机的二进制整数
(3)子载波调制,本次课题采用QAM16调制,QAM16调制实现较为简单,且获得的误码率结果相对较低由于bits_per_symbol=4每个子载波对应得子信道上有4个二进制数据(d1,d2,d3,d4)共有16种取值,对应星座图上16个点
(4)串并转换,其目的是将一组高速数据转换成一路低速数据,从而降低使得发送速率降低
(5)IFFT变换对上一步得到的相同分量和正交分量按照Ich+qch*i进行IFFT计算并将得到的复数实部作为新的Ich,而虚步作为新的Qch离散反傅里叶变换的目的不是将频域信号转换成时域信号,它的目的是将并行信号调制到N路并行的子载波上去这个过程(乘以旋转因子,在求和)相当于数学上的IFFT变换
(6)加入保护间隔
加入保护间隔的目的主要是抑制符号间干扰ISI
Ofdm通过把输入的高速率数据流串并转换到N个并行的子信道中,降低了信号速率,增大了符号周期,使得每个用于调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始符号周期的N倍,因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍,使得时间选择性衰落较小,但多径还是会造成符号间干扰ISI,如果没有这些码间干扰,将会得到的OFDM码间造成干扰。
如果没有保护间隔,接收侧收到多径信号,因此各径传输路径不同,到达接收机的时间也不同。
各径信号在交叉信号处产生符号间干扰。
在解调的时候i会产生困难。
保护间隔长度大于信道的最大多径时延,这样一个OFDM的多径分量就不会对下一个OFDM符号构成干扰。
即
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