OFDM仿真

教师评阅意见：签名：年月日实验成绩：一、题目OFDM系统的Matlab仿真二、仿真要求要求一：OFDM系统的数据传输①传输的数据随机产生；②调制方式采用16QAM；③必须加信道的衰落④必须加高斯白噪声⑤接收端要对信道进行均衡。要求二：要求对BER的性能仿真设计仿真方案，得到在数据传输过程中不同信噪比的BER性能结论，要求得到的BER曲线较为平滑。三、仿真方案详细设计（一）基于IFFT/FFT实现的OFDM系统方框图：（二）详细设计方案：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，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产生数据使用个随机数产生器产生二进制数据，每次产生的数据个数为carrier_count*symbols_per_carrier*bits_per_symbol。3编码交织交织编码可以有效地抗突发干扰。4子载波调制OFDM采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM4种调制方式。按照星座图，将每个子信道上的数据，映射到星座图点的复数表示，转换为同相Ich和正交分量Qch。其实这是一种查表的方法，以16QAM星座为例，bits_per_symbol=4，则每个OFDM符号的每个子信道上有4个二进制数{d1,d2,d3,d4},共有16种取值，对应星座图上16个点，每个点的实部记为Qch。为了所有的映射点有相同高的平均功率，输出要进行归一化，所以对应BPSK,PQSK,16QAM,64QAM，分别乘以归一化系数系数1，21,101,421.输出的复数序列即为映射后的调制结果。5串并转换。将一路高速数据转换成多路低速数据6IFFT。对上一步得到的相同分量和正交分量按照（Ich+Qch*i）进行IFFT运算。并将得到的复数的实部作为新的Ich，虚部作为新的Qch。在实际运用中，信号的产生和解调都是采用数字信号处理的方法来实现的，此时要对信号进行抽样，形成离散时间信号。由于OFDM信号的带宽为B=N·Δf，信号必须以Δt=1/B=1/(N·Δf)的时间间隔进行采样。采样后的信号用sn,i表示，i=0,1,…,N-1，则有10/2j,,e1NkNikkninSNs从该式可以看出，它是一个严格的离散反傅立叶变换（IDFT）的表达式。IDFT可以采用快速反傅立叶变换(IFFT)来实现7加入保护间隔。由IFFT运算后的每个符号的同相分量和正交分量分别转换为串行数据，并将符号尾部G长度的数据加到头部，构成循环前缀。如果加入空的间隔，在多径传播的影响下，会造成载波间干扰ICI。保护见个的长度G应该大于多径时的扩张的最大值。保护时间FFT积分时间子载波1延迟的子载波2OFDM符号周期子载波2对子载波1的干扰部分图1-2多径情况下，空闲保护间隔在子载波间造成的干扰保护间隔保护间隔IFFT输出IFFTIFFT时间复制TgTFFTTs符号N符号N－1符号N＋18加窗加窗是为了降低系统的PAPR，滚降系数为1/32。通过这种方法，可以显著地改善OFDM通信系统高的PAPR分布，大大降低了峰值信号出现的概率以及对功率放大器的要求，节约成本。经常被采用的窗函数是升余弦窗sssTTtTttwcos5.05.00.1cos5.05.0sssssTtTTtTTt10(1-2)图1-3保护间隔的插入过程图1-9经过加窗处理后的OFDM符号示意图9通过信道。信道分为多径实验信道和高斯白噪声信道。多径时延信道直射波河延迟波对于标准时间按照固定比率递减，因此多径时延信道参数为比率和对大延迟时间。10同步。同步是决定OFDM系统高性能十分重要的方面，实际OFDM系统都有同步过称。主要同步方法有使用导频，循环前缀，忙算法三种。研究目的为同步的可以详细实现本步，基本的方针可以略过此步，假设接收端已经于发射端同步。11去掉保护间隔。根据同步得到的数据，分别见给每个符号的同相分量和正交分量开头的保护间隔去掉。12并串转换。将每个符号分布在子信道上的数据，还原为一路串行数据。13FFT。对每个符号的同相分量和正交分量按照（Ich+Qch*i）进行FFT运算。并将得到的实部作为新的Ich，虚部作为新的Qch。与发端相类似，上述相关运算可以通过离散傅立叶变换（DFT）或快速傅立叶变换(FFT)来实现，即：10/π2j,,e1NiNikinknrNR14子载波解调FFT后的同相粉脸感和正交分量两组数据在星座图上对饮高的点，由于噪声和信道的影响，不再是严格的发送端的星座图。将得到的星座图上的点按照最近原则判决为原星座图上的点，并按映射规则还原为一组数据。15解码解交织。按照编码交织对应解码，解交织的方法，还原为原始数据，并进行纠错处理。16计算误码率。比较第2步产生的数据和接收到的数据，计算误码率BER17统计误码率使用for循环，将SNR从0dB到30dB逐五变化，运行主函数，统计误码率，画出误码率曲线。四、仿真结果及结论-4-3-2-101234-4-3-2-10123416QAM调制后星座图010002000300040005000600070008000-0.500.5Amplitude(volts)Time(samples)循环前后缀不叠加的OFDMTimeSignal010002000300040005000600070008000-0.500.5Amplitude(volts)Time(samples)循环前后缀叠加的OFDMTimeSignal00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-40-30-20-1001020Magnitude(dB)NormalizedFrequency(0.5=fs/2)加窗的发送信号频谱2463021060240902701203001503301800极坐标下的接收信号的星座图-4-3-2-101234-4-3-2-101234XY坐标接收信号的星座图010203040506070809010000.51输出待调制的二进制比特流010203040506070809010000.51接收解调后的二进制比特流该函数基本能实现本次实验的要求，概括了OFDM主要的实现过程，能画出每一个步骤的图像，更具体形象地反应了OFDM的过程。同时也能统计并绘制出在不同信噪比情况下的误码率曲线。05101510-310-210-1100SNR1BerRayleighfading五、总结与体会本程序没有添加信道估计部分，与峰均值仿真，如果添加了将更加完善对OFDM的研究。且通过本次仿真实验，让我更加清楚地明白了OFDM调制技术的过程与其优缺点。OFDM技术的优点主要有：(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。六、主要仿真代码clearall;closeall;carrier_count=200;%子载波数symbols_per_carrier=12;%每子载波含符号数bits_per_symbol=4;%每符号含比特数,16QAM调制IFFT_bin_length=512;%FFT点数PrefixRatio=1/4;%保护间隔与OFDM数据的比例1/6~1/4GI=PrefixRatio*IFFT_bin_length;%每一个OFDM符号添加的循环前缀长度为1/4*IFFT_bin_length即保护间隔长度为128beta=1/32;%窗函数滚降系数GIP=beta*(IFFT_bin_length+GI);%循环后缀的长度20SNR=15;%信噪比dB%==================================================%================信号产生===================================baseband_out_length=carrier_count*symbols_per_carrier*bits_per_symbol;%所输入的比特数目carriers=(1:carrier_count)+(floor(IFFT_bin_length/4)-floor(carrier_count/2));%共轭对称子载波映射复数数据对应的IFFT点坐标conjugate_carriers=IFFT_bin_length-carriers+2;%共轭对称子载波映射共轭复数对应的IFFT点坐标baseband_out=round(rand(1,baseband_out_length));%输出待调制的二进制比特流%==============16QAM调制====================================complex_carrier_matrix=qam16(baseband_out);%列向量complex_carrier_matrix=reshape(complex_carrier_matrix',carrier_count,symbols_per_carrier)';%symbols_per_carrier*carrier_count矩阵figure(1);plot(complex_carrier_matrix,'*r');%16QAM调制后星座图title('16QAM调制后星座图')axis([-4,4,-4,4]);gridon%=================IFFT===========================IFFT_modulation=zeros(symbols_per_carrier,IFFT_bin_length);%添0组成IFFT_bin_lengthIFFT运算IFFT_modulation(:,carriers)=complex_carrier_matrix;%未添加导频信号，子载波映射在此处IFFT_modulation(:,conjugate_carriers)=conj(complex_carrier_matrix);%共轭复数映射%=================================================================signal_after_IFFT=ifft(IFFT_modulation,IFFT_bin_length,2);%OFDM调制即IFFT变换time_wave_matrix=signal_after_IFFT;%时域波形矩阵，行为每载波所含符号数，列ITTF点数，N个子载波映射在其内，每一行即为一个OFDM符号%===========================================================%=====================添加循环前缀与后缀=========================