OFDM的研究与仿真

本科毕业设计论文题目正交频分复用（OFDM）的研究与仿真院系电子与电气学院班级电子085班姓名董方维指导教师郭建中日期2012年5月1日1摘要正交频分复用(OFDM)，实际上是多载波调制(MCM)的一种。其主要思想是：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(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以看成平坦性衰落信道，从而可以消除符号间干扰。论文首先介绍了无线通信的发展历程和OFDM的研究状况，接着讲述了OFDM和QAM的基本原理，最后通过对OFDM和QAM系统的输入输出信号波形及频谱比较分析得出结论。结论表明，多载波OFDM技术的传输性能优于单载波QAM技术。关键词：正交频分复用；多载波调制；OFDM和QAM基本原理；波形及频谱分析2ABSTRACTOrthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM),isactuallyakindofmulti-carriermodulation(MCM).Themainideacontainsthatthechannelisdividedintoanumberoforthogonalsub-channels,thehighspeeddatasignalisconvertintoparallellowspeeddatastreamswhicharemodulatedontosub-channelsfortransmission.Orthogonalsignalsatthereceivingendareseparatedfromeachotherwithcorrelationtechnologies,thusreducingtheInter-ChannelInterference(ICI).Thesignalbandwidthoneachsub-channelislessthanontherelevantchannel,soeachsub-channelcanbeseenasaflatfadingchannelwhichcaneliminateinter-symbolinterference.Thisthesis,firstlyintroducesthedevelopmentofwirelesscommunicationcourseandthestudystatusofOFDM,thendescribesthebasicprincipleofOFDMandQAM,atlastwithanalysisingtheOFDMandQAMsysteminputandoutputsignalofwaveformandspreadspectrum，comestoaconclusionthattheperformanceofmultiplecarrierOFDMtechnologyisbetterthanthesinglecarrierQAMtechnology.Keywords：OFDM；MCM；basicprincipleofOFDMandQAM；theanalysisofwaveformandspreadspectrum3目录1.绪论……………………………………………………………………51.1无线通信的发展历史与现状……………………………………51.2无线信道的传播特性……………………………………………61.2.1快衰落……………………………………………………………61.2.2慢衰落…………………………………………………………71.3OFDM研究现状及前景…………………………………………72.OFDM系统的基本原理……………………………………………82.1OFDM基本原理……………………………………………………82.1.1OFDM信号的产生………………………………………………82.1.2用FFT实现OFDM……………………………………………92.2OFDM优缺点……………………………………………………102.2.1OFDM优点………………………………………………………102.2.2OFDM缺点………………………………………………………103.QAM系统基本原理………………………………………………113.1QAM调制原理…………………………………………………113.2QAM解调原理…………………………………………………114.OFDM的多载波调制技术性能研究………………………124.1文本文档………………………………………………………124.1.1文本文档信号波形…………………………………………124.1.2文本文档信号频谱分析……………………………………144.2音频文档………………………………………………………1544.2.1音频文档信号波形………………………………………154.2.2音频文档频谱分析………………………………………165.全文总结……………………………………………………18参考文献…………………………………………………………1951绪论1.1无线通信的发展历史与现状现代移动通信已经走过了三代，第四代移动通信正处于研究与试用中。第一代移动通信系统属于模拟系统，主要采用频分多址技术FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）。虽然模拟移动通信系统投入运行以来,其用户虽迅速增长,但对经济发达国家和地区,存在很多不足之处,主要表现在以下几点:(1)频谱利用率低，系统容量受限制；(2)提供业务种类非常有限，不能满足信息化时代的需求；(3)系统设备价钱高,手机体积大,电池充电后有效工作时间短,给用户带来不便；(4)系统安全性能差，容易出现号码被窃听、盗用等情况。解决上述问题的最有效办法就是采用一种新技术,即移动通信的数字化,称为数字移动通信系统。第二代移动通信系统属于数字系统，主要采用时分多址技术TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)或者是窄带码分多址CDMA技术（CodeDivisionMultipleAccess）。其中，GSM系统是由欧洲提出的二代通信标准，CDMA移动通信技术是由美国提出的第二代移动通信系统标准。数字移动通信系统有以下有点：(1)随着语音编码调制的应用，传输效率有了很大提高；(2)业务种类有一定的扩展，声音、数据和传真可集成在一个系统中也可以利用ISDN的各种附加业务；(3)加密、鉴权算法应用，系统安全有所改善。第三代移动通信系统，目前国际电联公开的3G标准有三个：欧洲和日本共同提出的WCDMA、美国以高通公司为代表提出的CDMA2000以及中国以大唐集团为代表提出的TD-SCDMA，这三种标准无一例外的都采用了CDMA这一核心技术。3G的主要特点有：(1)具有高速和多种速率传输能力,在广域覆盖下的最高速率达384Kbps，本地覆盖下的最高速率为2048Kbps；(2)实现全球覆盖和全球无缝漫游；(3)多媒体应用能力，多种业务能力和多种终端的支持；(4)具有很高的兼容性、灵活性和安全性。第四代移动通信系统，目前正处于研究与商用推广阶段，以OFDM为核心技术，主要特点有：(1)传输速率大大提高，达到100Mbit/s；(2)发射功率大大降低；(3)支持高速移动通信环境；(4)支持更丰富的业务，包括高清视频、会议电视等。61.2无线信道的传播特性空间中电波的传播由于阻挡、距离等多种因素使得其必然存在传播损耗，移动台接收信号的强度随移动台的运动产生随机变化，即衰落。这种变化的周期从几分之一秒至几小时不等。因此移动通信电波传播中的衰落又常分为慢衰落和快衰落两种，其中，接收信号强度曲线的中值呈现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。1.2.1快衰落快衰落(也称短期衰落或多径衰落)指的是接收信号强度随机变化较快，具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。有两种效应都会导致这种信号幅度快速波动。第一种称为多径衰落它是由于沿不同路径到达的信号相加而产生的。第二种称为多普勒效应，它是由于移动终端朝着或背向基站发送器运动而产生的。多径衰落：无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等,从而使电波沿着各种不同的路径传播,这称为多径传播。多径传播使得接收端接收到的信号是在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号,不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落，称为多径衰落，或称多径效应。多径效应会产生信号的时延扩展和频率选择性衰落现象。所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径，路径长度不同，且传输路径随移动台的运动而不断变化，因而可能导致发射端一个较窄的脉冲信号，在到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰(ISI)。为了避免码间串扰，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展，或者等效地说码元速率Rb小于时延扩展的倒数。所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输7信道对信号中不同频率成分有不同的随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致，因此衰落信号波形将产生失真。多普勒频移效应：多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高,而在波源远离观察者时频率变低。多普勒效应会引起接收功率谱的展宽，称为多普勒频展。用FD表示多普勒频展的宽度，将其倒数定义为相关时间：DFTc1，相关时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落在时域具有选择性，称为时间选择性衰落。对于移动信道①当发送信号的持续时间TTc，则会产生时间选择性衰落，快衰落；②当TTc，产生慢衰落；③当TTc，多普勒扩展可不考虑。时间选择性衰落对数字信号的误码性能有明显影响，为了减少其影响，要求码元速率远大于衰落节拍的速率。1.2.2慢衰落慢衰落指的是接收信号强度随机变化缓慢，具有十几分钟或几小时的长衰落周期。慢衰落产生的原因：①障碍物阻挡电磁波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落。主要受地形地物的影响。②天气变化、障碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等有关。1.3OFDM研究现状及前景OFDM技术的应用始于20世纪60年代，主要用在军事通信中，其结构复杂限制了进一步推广。70年代韦斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT）研制了一个完整的多载波传输系统，OFDM技术开始走向实用化。近些年来，随着集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展，以及对无线通信高速率要求的日趋迫切，OFDM技术再次受到了重视。进入90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频和单边带（SSB）信道进行高速数据通信，陆地移动通信，8高速数字用户环路（HDSL），非对称数字用户环路（ADSL）及高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统。1999年，IEEE802.lla通过了一个SGHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达54MbPs。这样，可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信组织(ETsl)的宽带射频接入网的局域网标准HiperiLAN2也把OFDM定为它的调制标准技术。为了满足未来宽带无线通信的需求，人们在加紧实现3G系统商业化的同时，也开始了4G的研究。在宽带无线接入系统中，OFDM是一项基本技术，由于该系统的优良性能，将成为下一代蜂窝移动通信网络的无线接入技术。目前许多大公司机构纷纷开展了对OFDM的研究，解决了同步、峰均功率比高等一系列难题，同时还提出了OFDM与CDMA、空时编码、MIMO技术结合