毕业论文OFDM通信系统抗多径衰落性能仿真.docx
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毕业论文OFDM通信系统抗多径衰落性能仿真
OFDM通信系统抗多径衰落性能仿真
陈晓炜王家慧谢丽惠
摘要:
正交频分复用(OFDM)是第四代移动通信的核心技术。
本文先简要介绍了OFDM
的基本原理,然后进行了OFDM添加循环前缀后可以抗多径干扰的数学推导,在给出OFDM系统模型的基础上,用MATLAB语言对系统进行了仿真。
最后给出不同信道下,循环前缀、均衡技术对系统误码率影响的比较曲线,并得出结论。
关键词:
正交频分复用,仿真,循环前缀,均衡
SimulationofOFDMcommunicationsystem
anti-multipath-degradationperformance
CHENXiao-wei,WANGJia-hui,XIELi-hui
Abstract:
OFDMisthekeytechnologyof4Gmobilecommunication.InthisarticleOFDMbasicprincipleisbrieflyintroduced.Then,amathematicalderivationisgiventorevealtheinfluenceofCPonthesystem.Basedonthegivensystemmodel,OFDMsystemiscomputersimulatedwithMATHLABlanguage.Finally,theBERcurvesofCPandequalizeraregivenandcompared.Aconclusionisdoneatlast.
Keyword:
OFDM,simulation,CP,equalizer
背景
现代移动通信的技术发展趋势之一是移动宽带化,移动系统的宽带接入基本上是发生在靠近用户的最后一公里内,这个范围内的无线信道环境是很恶劣的,会存在多径传输以及由此引发的时间色散效应。
在低数据率的情况下,时间色散对接收信号的形状没有明显的影响,但是随着传输数据率的提高,时间色散和由之引起的码间串扰(ISI)将会严重影响系统性能,因而有必要采取相应的技术来克服这种影响。
一种方法是采用信道均衡技术,例如,在GSM系统里,五个符号内的ISI可以被均衡,但是随着数据率的进一步增加,信道估计以及均衡所需的代价可能变得无法接受。
OFDM(正交频分复用)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是一种多载波调制MCM(MultipleCarrierModulation)技术,其基本思想始于
20世纪50年代,是由R.R.Mosier和R.G.Clabaugh提出的。
随后R.W.Chang在文献中首先引入了带限信道中无载波间串扰ICI和符号间串扰ISI并行数据传输的原则,提出了正交多载波传输――OFDM的概念。
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,然后所有子载波叠加在一起构成发送信号。
由于OFDM具有较高的频谱利用率,且能够通过IFFT/FFT等高效算法实现,因此目前它已成为应用最为广泛的多载波调制方式。
OFDM作为一种高效数据传输技术深受关注,并陆续成为多个标准的关键技术,如数字音频广播DAB、数字视频广播DVB、无线局域网IEEE802.11a、数字电视DTV陆地广播标准以及xDSL等标准,并有可能成为下一代移动通信系统的核心技术之一。
二、OFDM系统的原理和框图
OFDM系统将整个带宽为B分解为N个子信道,然后将一组数据调制到这组子载波对应的子信上。
在大部分OFDM系统中,子信道是平均分配的,即子信道的带宽为fB/N。
输入数据先按照分组形式进行缓存,然后分为N个bit流。
这些bit流影射为一些复的信号点。
信号的调制是由N点的逆付里叶变换完成。
然后这些被调制的信号通过并/串转换器形
成一串行数据流。
周期前缀的构造是将最后的v个样本数据插入到整串数据的前边进行发送。
可以看出整个符号的时延是N/B,然而真正的分组时延是TfNv,抽样率为B。
如
B
1
果没有周期前缀的话,则Tf1。
在接收端,前缀部分将被删除,解调算法采用离散付里
f
叶变换。
实事上,如果周期前缀足够长,则两个相邻的OFDM符号间的干扰被删除,各子信道可以看成相互独立的。
OFDM系统的基本原理框图如图1所示,
图1OFDM系统原理框图
三、OFDM的优缺点关键问题
OFDM具有许多优点,它的频谱利用率高,有较强地抗时延扩展能力和频率选择性衰落能力,可通过高效的IFFT/FFT实现,还易于和其它高频谱利用率技术结合。
但是,OFDM系统中存在着多个正交的子载波,而且输出信号时多个子信道信号会叠加,因而和单载波系统相比,OFDM也存在一些缺点,如对载波频率偏差非常敏感,具有较高的峰值平均功率比PAPR等。
OFDM系统的关键技术主要有以下几个方面:
(1)时钟同步
(2)频偏估计
(3)信道估计
(4)如何降低峰值平均功率比
(5)抑制窄带脉冲干扰与带外信号干扰
(6)信道资源动态优化分配问题
四、本次课题涉及的主要问题
CP如何抗ISI和均衡如何进
我们小组针对移动通信系统中多径干扰的问题,从添加步提高抗干扰效果两个方面对OFDM系统进行仿真。
五、OFDM系统的等效数学模型及数学推导
假设发送端信号为s(t),经过多径时延信道后,接收到的信号为r(t),则
1)
r(t)s(t)h(t,)n(t)
其中为时延,n(t)为加性高斯白噪声(AWGN),h(t,)为信道的冲激响应。
有r(t)0s(t)h(t,)dn(t)
(2)
max为最大时延,将上式离散化后(假设采样速率足够,且忽略量化误差)得到
v
rkhmskmnk(3)
m0
其中v为离散化后最大的时延点数,vTsmax。
OFDM系统中,不加CP的传输表示如下
rk
h0
h1
hv
0
0sk
nk
rk1
0
h0
h1
hv0
...s
...sk1
nk1
rkN1
0
0
0
h0
h1
hvskvN1
nkN
1
4)
在(4)式中,skskN1为输入信号,skNskvN1为上一符号的部分
输入。
可见,没加CP的时候,一个OFDM符号的输出不仅与本符号的输入有关,且与上一符号的输入有关。
其中,第i个子信道表示如下
rkih0skiH1ski1hvskivnki(5)
第iNv1个子信道开始,受到串扰影响,共有v个子信道受到影响。
CP的添加如图2所示。
图2添加CP示意图
h0
h1
hv
0
0sk
rk
0
h0
h1
hv
0
...sk1
nk
rk1
0
0
0
h0
h1
hvskN1v
v
nk1
hv
0
0
0
h0
h1
skNv
rkN1
nkN1
h1
h2
hv
0
0
h0skN1
添加CP后,当时延v小于等于
CP长度L时,传输可表示如下
(6)
其中,第i个子信道接收到的数据表示如下
可见,当添加的CP长度大于时延长度时,可以完全消除OFDM符号间串扰。
现在,考虑当时延长度v'大于CP长度L时,第i个子信道数据表示如下
nki
上式中,skiv'L到ski1为其它OFDM符号的输入,即其它符号对本符号产生的串扰。
特别地,在临界情况下
v'L0
有skNv'skNL
此时导致串扰的输入正好完全消失。
上述推导证明了添加CP可以消除OFDM传输中的符号间串扰。
因此,为保证OFDM系统传输中不产生符号间串扰,应保证CP长度大于信道的最大多径时延。
六、OFDM系统仿真模型
图3OFDM系统仿真框图
仿真方案:
根据研究点,确定如下仿真内容
(1)未加CP的系统在不同信道下的性能
(2)多径衰落信道下,系统有无添加CP的性能
(3)已经添加CP情况下,系统有无均衡的性能
OFDM系统仿真参数
1)IFFT/FFT点数256
2)子载波数50
3)子信道调制方式4QAM
4)CP长度16
七、OFDM系统仿真结果及分析
通过使用MATLAB语言编写程序,进行仿真,得到仿真曲线图4、图5、图6。
OFDM系统仿
图4高斯信道和多径信道下的系统误码率曲线
图4给出高斯信道下和多径衰落信道下系统的误码率曲线,该曲线表明
真过程正确,在多径信道环境下,系统的性能急剧恶化。
图5多径衰落信道下CP对误码率影响曲线
图5给出了多径衰落信道下添加CP与为添加CP的系统误码率曲线,该曲线表明添加
CP可以有效提高系统抗多径衰落干扰。
在信噪比较低的情况下,添加CP对系统性能影响
不大,原因可能是信噪比较低时,系统的干扰主要是高斯白噪声干扰,当信噪比提高后,系
统干扰转变为多径衰落干扰为主,因此添加CP对系统性能改善明显。
图6多径衰落信道下均衡对误码率影响曲线
图6给出了多径衰落信道下有无添加均衡对系统误码率的影响曲线,该曲线表明使用均衡可
以进一步提高系统性能,但改善有限。
原因可能是因为我们使用的训练序列是随机序列,衡方法为LMS,使用其它训练序列和均衡方法后,可能可以进一步改善系统性能。
八、结论
本文对OFDM系统进行仿真研究,用MATLAB语言编写了OFDM系统发送、信道和接收整个系统,在系统仿真正确的前提下,对CP、均衡等改善系统性能的方法进行仿真验
证,得到预期结果。
在做课题期间,受到王琳老师的热心指导,学会了很多工程上的设计理念,我们在此表示感谢;同时,小组内队员互相配合,发扬了团队精神,此文是我们小组共同取得的成果。
今后我们将继续努力,争取更多进步。
附录:
OFDM系统仿真MATLAB代码
ofdm_mod.m
function[qam_out]=Qam4_mod(qam_in)
%%4QAM调制函数
%%输入:
矩阵,列数必须是4的倍数,01序列
%%输出:
矩阵,4qam调制后的矩阵
globalQamTable
globalbitPerSymbol;
QamTable=[-1-i,1-i,-1+i,1+i];
[m,n
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