基于MATLAB的OFDM系统仿真及分析

I基于MATLAB的OFDM系统仿真及分析摘要：正交频分复用(OFDM)是第四代移动通信的核心技术。该文首先简要介绍了OFDM的发展状况及基本原理,文章对OFDM系统调制与解调技术进行了解析，得到了OFDM符号的一般表达式，给出了OFDM系统参数设计公式和加窗技术的原理及基于IFFT/FFT实现的OFDM系统模型，阐述了运用IDFT和DFT实现OFDM系统的根源所在,重点研究了理想同步情况下,保护时隙(CP)、加循环前缀前后和不同的信道内插方法在高斯信道和多径瑞利衰落信道下对OFDM系统性能的影响。在给出OFDM系统模型的基础上,用MATLAB语言实现了传输系统中的计算机仿真并给出参考设计程序。最后给出在不同的信道条件下,研究保护时隙、循环前缀、信道采用LS估计方法对OFDM系统误码率影响的比较曲线,得出了较理想的结论。关键词:正交频分复用;仿真;循环前缀;信道估计II目次1概述..............................................................11.1OFDM的发展及其现状..........................................21.2OFDM的优缺点................................................22OFDM的基本原理...................................................42.1基于IFFT/FFT的OFDM系统模型................................42.2OFDM信号的频谱特性..........................................82.30FDM系统调制与解调解析.....................................92.4加窗.......................................................123循环前缀及信道估计对系统误码率的改善分析.........................153.1循环前缀....................................................153.2OFDM系统的峰值平均功率比...................................193.3信道估计....................................................203.3.1信道估计概述..........................................203.3.2基于导频的信道估计方法................................213.3.3信道的插值方法........................................223.3.4仿真结果及分析........................................23结论.............................................................24致谢.............................................................25参考文献........................................................26附录.............................................................2811概述随着移动通信和无线因特网需求的不断增长，越来越需要高速无线系统设计，而这其中的一个最直接的挑战就是克服无线信道带来的严重的频率选择性衰落。正交频分复用（OFDM）技术可以很好地克服无线信道的频率选择性衰落，由于其简单高效，OFDM已成为实现未来无线高速通信系统中最核心的技术之一。现代移动通信发展至今，已经经历了三代，而3G的后续技术也在加速研究中。目前，国际标准化组织正在推动无线传输技术从2Mb/s的传输速率向100Mb/s和1000Mb/s的目标发展，对4G的定义也已经逐渐清晰起来。基本上可以确定，OFDM/OFDMA、MIMO和智能天线等技术将成为4G的主流技术。OFDM相关的技术很多，实际应用中的OFDM复杂度很高。因此，建立适合自己研究方向的OFDM模型，无论是为了理解OFDM技术的理论，还是对后续的OFDM与其他技术相结合的研究工作，都有着非常重要意义。OFDM是一种特殊的多载波调制技术,它利用载波间的正交性进一步提高频谱利用率,而且可以抗窄带干扰和多径衰落。多载波调制原理最早在20世纪60年代中期由Collinskineplex提出。70年代,主要用于美国军用无线高频通信系统;80年代,OFDM的研究主要用在高速调制解调器、数字移动通信及高密度录音带中;90年代以后,OFDM主要用在非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI标准的数字音广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。OFDM与CDMA技术结合主要有两种形式,一种是多载波CDMA(MC-CDMA),一种是多载波直扩CDMA(MC-DS-CDMA)。前者是频域扩展和多载波调制技术相结合,后者是时域扩展和多载波调制技术相结合。OFDM通过多个正交的子载波将串行的数据并行传输,可以增大码元的宽度,减少单个码元占用的频带,抵抗多径引起的频率选择性衰落;可以有效克服码间串扰(ISI),降低系统对均衡技术的要求,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输;而且信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。这些方案都是基于OFDM之上的,因此,研究OFDM系统的性能就显得非常必要。本文首先简要介绍OFDM基本原理,在这个基础上建立了OFDM仿真模型,然后通过加保护时隙及进行信道估计,分析OFDM系统在AWGN和多径Rayleigh衰2落信道下不用的插入算法的性能,最后给出仿真结果。1.1OFDM的发展及其现状OFDM是一种特殊的多载波频分复用(FDM)技术。在传统的多载波频分复用系统中，各个子信道采用不同的载波并行传送数据，子载波之间间隔足够远，采用隔离带来防止频谱重叠，故频谱效率很低。在均衡器未被采用以前，人们就是用这种多载波方式在时间色散信道中进行高速通信的。1966年，R.W.Chang分析了在多载波通信系统中如何使经过滤波后带限的子载波保持正交。随后不久B.R.Saltzberg给出了一篇性能分析的文章，他指出在设计一个有效的并行传输系统时，应该把注意力更多地集中在减少相邻信道的串扰上，而不是使各个独立的信道工作得更好，因为此时信道串扰是造成信号失真的主要因素。1971年，S.B.Weinstein和P.M.Ebert提出用傅立叶变换(DFT)进基带OFDM调制和解调。通过DFT进行OFDM基带调制和解调避免了生成多个子载波和多个窄带带通滤波器，使系统的模拟前端由多个变为一个，同时由于DFT可以用FFT来快速实现，这进一步降低了系统实现的复杂度。为对抗符号间干扰和载波闻干扰，他们提出在符号间插入一段空白时隙作为保护间隔。他们的系统虽然没有能在色散信道中获得很好的子载波正交性，但对OFDM仍是一个很大贡献。另一个重要贡献来自A.Peled和A.Rmz，他个人提出了采用循环前缀来解决色散信道中子载波间的正交性问题。当信道响应长度小于循环扩展时，循环前缀的存在使信号与信道响应的线性卷积变成循环卷积，从而使色散OFDM信号可以通过频域单点均衡进行去相关。当然，循环扩展的引入会导致少量的信噪比损失。由于无线信道的多径传播会使宽带OFDM信号产生频率选择性衰落，导致各个子信道上的信噪比不同，因此实际的OFDM系统都是与交织、纠错编码结合在一起，形成编码的正交频分复用(COFDM)。交织和编码能够使OFDM系统获得良好的频率和时间二维分集。1.2OFDM的优缺点虽然OFDM已经得到广泛的应用，但是在使用中我们也要清楚的认识到它的优缺点，下面简要的从这两方面介绍下OFDM。OFDM技术的优点主要有：3(1)OFDM调制方式适用于多径和衰落信道中的高速数据传输。当信道因为多径的影响出现频率选择性衰落时，只有落在频率凹陷处的载波及其携带的信息受到影响，其它子载波未受损害；。(2)在OFDM调制方式中，通过插入保护间隔，可以很好地克服符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)(3)由于OFDM各子载波相互正交，允许各子载波有1/2重叠，因此可以大大提高频谱利用率：(4)由于深度衰落而丢失的一些子载波可通过编码、交织等措施来很好的恢复，提高系统抗误码性能，且通过各子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力；(5)OFDM技术抗脉冲及窄带干扰的能力很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道；(6)与单载波系统相比，对采样定时偏移不敏感。OFDM技术的缺点主要有：(1)由于要求各子载波正交，所以对频率偏移和相位噪声很敏感；(2)由于各子载波相互独立，峰值功率与均值功率比相对较大，且随子载波数目的增加而增加。高峰均比信号通过功放时，为了避免信号的非线性失真和带外频谱再生，功放需要具有较大的线性范围，导致射频放大器的功率效率降低。国外对OFDM技术的研究已有近50年的历史。最初无线OFDM传输系统是用在军用无线高频通信链路中，随着数字信号处理(DSP)超大规模集成电路(VLSI)技术的发展，OFDM技术获得了长足的进步并广泛应用于社会生活的各个方面。其应用主要有：(1)广泛应用于音频和视频传输中，如欧洲数字音频广播18J(DAB)、数字视频广播(DVB)以及日本的综合业务数字广播(ISDB)等；(2)非对称数字用户链路(ADSL)；(3)无线局域网标准IEEE802.1la、欧洲电信标准协会(ETSI)推出的局域网标准Hyperlan2等；(4)无线城域网标准IEEE802.16a；(5)已具雏形的4G蜂窝系统；42OFDM的基本原理在宽带无线通信系统中，影响高速信息传输的最主要一类干扰是频率选择性干扰。它表现为对信号的某些频率成分衰减严重，而对另外一些频率成分有较高的增益。为克服这类衰落，一个很自然的想法是在信道上划分多个子信道，使每一个子信道的频率特性都近似于平坦，使用这些独立的子信道传输信号并在接收机中予以合并，以实现信号的频率分集，这就是多载波调制的基本思想。在无线通信中应用最广的是OFDM多载波调制技术，它的每一个子载波都是正交的，提高了频谱的利用率。还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，最大限度的消除由于多径带来的符号间干扰。2.1基于IFFT/FFT的OFDM系统模型基于IFFT/FFT实现的OFDM系统方框图如图2.1.1所示图2.1.1IFFT/FFT实现的OFDM系统概述：实际上一个OFDM的形成可以遵循以下过程：首先，在N1个经过数字调制的符号后面补零，构成N2个输入样值序列，再进行IFFT计算。然后，IFFT输出的最后L1个样值被插入到OFDM符号的最前面，而且IFFT输出的最前面L1个样值被插入到OFDM符号的最后面。最后，OFDM符号与升降余弦函数时域相乘，使得系统宽带之外的功率可以快速下降。再经过数模转换、射频调制，最后发送。2.1.1确定参数需要确定的参数为：子信道，子载波数，FFT长度，每次使用的OFDM符号数，F(t)信道编码交织数字调制插入导频串/并解交织数字解调信道校正并/串串/并并/串IFFTFFT插入循环前缀和加窗数/模载波调制信道R(t)模/数定时和频率同步去循环前缀数据解调5调制度水平，符号速率，比特率，保护间隔长度，信噪比，插入导频数（基本的仿真可以不插入导频，可以为0）。2.1.2产生数据使用随机数产生器产生一个序列。2.1.3编码、交织与解交织、解码交织编码可以