实验八OFDM调制技术

实验八OFDM调制技术一、实验目的1、掌握产生OFDM信号的方法。2、掌握OFDM收发原理。二、实验内容1、OFDM信号产生仿真,观察信号波形。2、OFDM信号解调仿真,观察信号波形。三、预备知识1、OFDM调制解调的基本原理。2、OFDM调制解调部分的工作原理。四、实验原理OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)即正交频分复用技术，实际上是一种多载波调制技术。将信道分成若干正交子信道，将每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，在接收端进行简单的线性均衡，信道均衡变得相对容易。OFDM广泛用干各种数字传输和通信中，如IEEE802.11g、IEEE802.11a、IEEE802.11n、；包括WIFI（IEEE802.16）在内的宽带无线接入；移动宽带无线接入IEEE802.20；数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统。循环前缀CP持续时间由最大时延扩展决定，作用是防止码间干扰（ISI）、子载波间干扰（ICI）以及降低对定时偏差的敏感程度。带宽一定前提下，子载波间隔与FFT点数N成反比，N越大子载波间隔越小，随着N增大频谱效率提高但同时也会造成对频偏更加敏感。普遍来说OFDM系统并不是所有子载波都是有用的，总会在频域有一些空载波。由于直流射频失真存在，零频或者直流一般是空的。在频率响应的边缘一般也是空的用作保护带以防止邻频干扰。频率选择性信道会破坏子载波正交性，因此需要做某种形式的均衡。OFDM使用循环前缀使频域均衡成为可能。这是因为OFDM将频率选择性信道分成若干个在频域复用的平坦性衰落子信道，因此每个子信道上可以应用简单迫零均衡。OFDM的优势并不仅仅体现在低复杂度均衡上面，它还提供了一种框架可以undefined应用许多先进的数字通信技术例如自适应调制和功率均衡。当然多载波相对于单载波并不都是优势，我们这个实验将要探讨频率选择性信道和OFDM系统对频偏敏感度问题。图1正交调制的系统框图图2基于FFT的OFDM系统实现框图五、OFDM调制技术优势(1)在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎。(2)OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信。(3)该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。(4)OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。(5)OFDM技术的最大优点是对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)通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。(8)OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。(9)可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法。(10)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。）六、实验仿真图3信源产生的信号图4产生的复信号的星座图图5接收端受到的经过fft运算后的信号矢量图图6经过串并变换后会输出的波形图7接收端恢复出来的波形七、实验结论图3是信源端发出的信号波形，它是一系列的0和1的序列（只取前20个样值）。再进行串并变换和QPSK调制，调制后的信号的矢量关系如图4所示；图5是信号在接收端经过FFT变换后的矢量关系图，从这个图中可以看出，经过加性高斯白噪声信道的传输，信号受到多径时延等的影响，使经过传输的信号与原信号矢量关系有了较大的差别。图6是经过QPSK解调和串并变换后形成的信号样值。此时的样值为极性的，要经过变换形成二进制码。图7是再经过判决后的信号图，此时的信号即为接收端恢复出的二进制信号，与原信号样值保持一致。在只考虑信号多径传输时延对传输的影响情况下，我们将信道噪声的信噪比减小为6dB，重新进行仿真，此时错误码元的个数仍然为0，如图：图8发送端波形（SNR=6dB）图9接收端波形（SNR=6dB）若再将信道的信噪比减小,编辑重新运行程序此时的信源和接收端的波形分别为：图10信源端的波形（SNR6dB）图11接收端恢复的波形（SNR6dB）信源端信号为：10101110010101111001接收端恢复出的信号：10101110010101011001可以看出接收端恢复波形时第15个样点出现了错误。仿真的结果主要受到循环前缀的长度及信道信噪比等参数的影响，我们首先将信噪比设置为10，循环前缀长度设置32，此时,无线信道中信号的多径时延小于循环前缀的长度，接收端在恢复原信号时去掉循环前缀，消除了前一码元多径分量对后一码元造成的影响。同时保持OFDM符号子载波之间的正交性，因此，信号通过白噪声信道，解调出的波形和信源波形一致，但是当信噪比下降为6时，符号的最大多径时延仍然小于循环前缀的长度，消除了前一码元多径分量对后一码元造成的影响,误码个数仍然为0。但当信噪比继续下降，前一符号的最大多径时延大于符号的循环前缀的长度，前一码元的对后一码元的解调产生了影响，使解调出现错误。以上分析可知，OFDM传输系统抗传输的多径干扰的能力很强，只有在信道干扰十分严重的情况下，才会出现误码。对于最大延迟单元小于循环长度(gl=32)的多径时延，均能有效地消除码间串扰ISI。尽管如此，此时接收到信号的频谱受到信道频率选择性衰减仍然很严重,OFDM系统并没有消除信道的频率选择性衰减，只是在解调时利用循环前缀技术将码间串扰有效地消除了。当循环前缀取的较大时，可以消除大多数多径干扰，但频谱的利用率将降低，因此循环前缀取为信道传输的最大时延是不必要的，这是设计OFDM系统需要合理解决的问题。且OFDM系统对频偏和相位噪声敏感，因为OFDM区分各个子载波的方法是利用各个子载波之间的正交性，而频偏和相位噪声使正交性恶化，所以会产生ICI。