移動通信系統(tǒng)OFDM系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)(基于MATLAB).doc

OFDM系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)1. OFDM的應用意義在近幾年以內(nèi)，無線通信技術正在以前所未有的速度向前發(fā)展。由于用戶對各種實時多媒體業(yè)務需求的增加和互聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，未來的無線通信及技術將會有更高的信息傳輸速率，為用戶提供更大的便利，其網(wǎng)絡結構也將發(fā)生根本的變化。隨著人們對通信數(shù)據(jù)化、個人化和移動化的需求，OFDM技術在無線接入領域得到了廣泛的應用。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案，它將數(shù)字調(diào)制、數(shù)字信號處理、多載波傳輸技術結合在一起，是目前已知的頻譜利用率最高的一種通信系統(tǒng)，具有傳輸速率快、抗多徑干擾能力強的優(yōu)點。目前，OFDM技術在數(shù)字音頻廣播(DAB)、地面數(shù)字視頻廣播(DVB-T)、無線局域網(wǎng)等領域得到廣泛應用。它將是4G移動通信的核心技術之一。OFDM廣泛用于各種數(shù)字傳輸和通信中，如移動無線FM信道，高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)(HDSL)，不對稱數(shù)字用戶線系統(tǒng)(ADSL)，甚高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)HDSL，數(shù)字音頻廣播(DAB)系統(tǒng)，數(shù)字視頻廣播(DVB)和HDTV地面?zhèn)鞑ハ到y(tǒng)。1999年，IEEE802.11a通過了一個SGHz的無線局域網(wǎng)標準，其中OFDM調(diào)制技術被采用為物理層標準，使得傳輸速率可以達54MbPs。這樣，可提供25MbPs的無線ATM接口和10MbPs的以太網(wǎng)無線幀結構接口，并支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務。這樣的速率完全能滿足室內(nèi)、室外的各種應用場合。OFDM由于技術的成熟性，被選用為下行標準很快就達成了共識。而在上行技術的選擇上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些設備商認為會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，一些則認為可以通過濾波，削峰等方法限制峰均比。不過，經(jīng)過討論后，最后上行還是采用了SC-FDMA方式。擁有我國自主知識產(chǎn)權的3G標準一一TD-SCDMA在LTE演進計劃中也提出了TD-CDM-OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目標，并希望在2010年予以實現(xiàn)。B3G/4G的目標是在高速移動環(huán)境下支持高達100Mb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率，在室內(nèi)和靜止環(huán)境下支持高達IGb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率。而OFDM技術也將扮演重要的角色。2. OFDM的原理研究與分析 2.1 OFDM的關鍵技術(1) 時域和頻域同步OFDM系統(tǒng)對定時和頻率偏移敏感，特別是實際應用中與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結合使用時，時域和頻率同步顯得尤為重要。(2) 信道估計在OFDM系統(tǒng)中，信道估計器的設計主要有兩個問題：一是導頻信息的選擇，由于信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤，因此導頻信息也必須不斷的發(fā)送；二是復雜度較低和導頻跟蹤能力良好的信道估計器的設計。(3) 信道編碼和交織為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的性能，信道編碼和交織是普遍采用的方法。對于衰落信道衰落中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯誤，可以采用交織技術。(4) 降低峰值平均功率比由于OFDM信號在時域上表現(xiàn)為N個正交子載波信號的疊加，當這N個信號恰好均以峰值相加時，OFDM信號也將產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但為了不失真地傳輸這些高PAPR的OFDM信號，從而導致發(fā)送效率極低，接收端對前端放大器以及A/D變換器的線性度要求也很高。因此提出了基于信號畸變技術、信號擾碼技術和基于信號空間擴展等降低OFDM系統(tǒng)PAPR的方法。(5) 自適應技術在OFDM系統(tǒng)中使用自適應技術，還應考慮頻率分組、時間間隔、信道總延遲和信道估計誤差等因素，其中信道估計誤差對性能的影響較大。2.2 OFDM的優(yōu)缺點OFDM主要有下列一些優(yōu)點:(1) OFDM在對抗干擾及衰落的優(yōu)勢：把高速數(shù)據(jù)流通過串并變換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，可有效對抗信號波形間的干擾ISI，適用于多徑信道存在頻率選擇性，而所有子載波都處于深衰落的概率極小，OFDM系統(tǒng)可通過動態(tài)比特分配和動態(tài)子信道分配的方法，充分利用信噪比較高的子信道，提高系統(tǒng)性能。(2) OFDM系統(tǒng)由于子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復用相比，OFDM可以最大限度地利用頻譜資源。(3) 各子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可通過離散傅利葉反變換(IDFT)和離散傅利葉變換(DFT)實現(xiàn)。對N很大(N32)的系統(tǒng)，可以通過快速傅立葉變換(FFT)來實現(xiàn)?；贔FT的系統(tǒng)在計算方面更有效，并且隨著大規(guī)模集成電路技術和DSP的發(fā)展，IFFT和EFT都非常容易實現(xiàn)。(4) OFDM的開放靈活性：無論從無線數(shù)據(jù)業(yè)務的使用需求,還是從移動通信系統(tǒng)自身要求，都希望物理層支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸,而OFDM系統(tǒng)可以很容易使用不同數(shù)量的子載波來實現(xiàn)上下鏈路中不同的傳輸速率。OFDM技術的不足: 由于OFDM系統(tǒng)內(nèi)存在多個正交子載波，而且其輸出信號是多個子信道的疊加，因此對子信道的正交性有嚴格要求。而由于無線信道的時變性，還有發(fā)射機載波和本地振蕩器的頻率偏差，所以OFDM易受頻率偏差的影響。如果多個子信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時功率會遠大于信號的功率，出現(xiàn)較大的峰值與均值功率比(PAR)，這個比值的增大會降低射頻放大器的功率效率，使系統(tǒng)性能惡化。本文主要研究了OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，對噪聲信道抗干擾能力的研究以及在實際中的基本應用。利用Matlab進行仿真和性能分析。2.3 原理及數(shù)學描述2.3.1 OFDM的載波調(diào)制正交頻分復用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)是一種多載波調(diào)制方式，通過減小和消除碼間串擾的影響來克服信道的頻率選擇性衰落。它的基本原理是將信號分割為N個子信號，然后用N個子信號分別調(diào)制N個相互正交的子載波。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。下圖是OFDM基帶信號處理原理圖。其中，（a）是發(fā)射機工作原理，（b）是接收機工作原理。圖2.1 OFDM基帶信號處理原理圖2.3.2 OFDM的調(diào)制解調(diào)原理OFDM通過把需要發(fā)射的數(shù)據(jù)流分解為若干個并行的數(shù)據(jù)子流，這樣每個數(shù)據(jù)子流在速率上就會降低很多，然后再進行相關調(diào)制，將它們調(diào)制到一組總數(shù)為N，頻率之間的間隔相等，且又兩兩正交的子載波上。OFDM的調(diào)制可以用離散傅里葉反變化(IDFT)來實現(xiàn)，相應的有在解調(diào)端可以用離散傅里葉變換(DFT)來實現(xiàn)。而這兩種傅里葉變換都有相應的快速算法，在系統(tǒng)的效率和相應時間上會有所提高。系統(tǒng)的實際應用中一般采用IFFT和FFT技術。2.3.3串并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫托问绞谴袛?shù)據(jù)流，符號被連續(xù)傳輸，每一個數(shù)據(jù)符號的頻譜可占據(jù)整個可利用的帶寬。但在并行守護據(jù)傳輸系統(tǒng)中，許多符號被同時傳輸，減少了那些在串行系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題。在OFDM系統(tǒng)中，每個傳輸符號速率的大小大約在幾十bps到幾十Kbps之間，所以必須進行串并變換，將輸入串行比特流轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)腛FDM符號。由于調(diào)制模式可以自適應調(diào)節(jié)，所以每個子載波的調(diào)制模式是可變化的，因而每個子載波可傳輸?shù)谋忍財?shù)也是可以變化的，所以串并轉(zhuǎn)換需要分配給每個子載波數(shù)據(jù)段的長度是不一樣的。在接收端執(zhí)行相反的過程，從各個子載波處來的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換回原始的串行數(shù)據(jù)。2.3.4保護間隔和循環(huán)前綴應用OFDM的一個重要原因在于它可以有效的對抗多徑時延擴展。通過把輸入數(shù)據(jù)流串并變換到N個并行的子信道中，使得每一個調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)周期可以擴大為原始數(shù)據(jù)符號周期的N倍。為了最大限度的消除符號間干擾，還可以在每個OFDM符號間插入保護間隔(GI)，而且該保護間隔長度一般要大于無線信道中的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾。在這段保護間隔內(nèi)，可以不插入任何信號，即是一段空閑的傳輸時段。2.3.5 OFDM的基本參數(shù)各種OFDM參數(shù)的選擇就是需要在多項要求沖突中進行折中考慮。通常來講，如前所述，首先要確定3個參數(shù)：帶寬、比特率以及保護間隔，按照慣例，保護間隔的時間長度應該為應用移動環(huán)境信道的時延均方根值的24倍。一旦確定了保護間隔，則OFDM符號周期長度就可以確定。為了最大限度的減少由于插入保護間隔所帶來的信噪比的損失，希望OFDM符號周期長度要遠遠大于保護間隔長度。但是符號周期長度又不可能任意大，否則OFDM系統(tǒng)中包括更多的子載波數(shù)，從而導致子載波間隔相應減少，系統(tǒng)的實現(xiàn)復雜度增加，而且還加大了系統(tǒng)的峰值平均功率比，同時使系統(tǒng)對頻率偏差更加敏感。因此在實際應用中，一般選擇符號周期是保護間隔長度的5倍，這樣由于插入保護比特所造成的信噪比損耗只有1dB左右。2.3.6調(diào)制方式可以通過改變發(fā)射的射頻信號的幅度、相位和頻率來調(diào)制信號。對于OFDM系統(tǒng)來說，只能采用前兩種調(diào)制方法，而不能采用頻率調(diào)制的方法，這是因為子載波是頻率正交，而且攜帶獨立的信息，調(diào)制子載波頻率會破壞這些子載波的正交特性，這是頻率調(diào)制不能在OFDM系統(tǒng)中采用的原因。2.3.7 16QAM調(diào)制16QAM 是用兩路獨立的正交 4ASK 信號疊加而成，4ASK 是用多電平信號去鍵控載波而得到的信號。它是 2ASK 體制的推廣，和 2ASK 相比，這種體制的優(yōu)點在于信息傳輸速率高。16QAM 信號采取正交相干解調(diào)的方法解調(diào)，解調(diào)器首先對收到的 16QAM 信號進行正交相干解調(diào)，一路與 cos c t 相乘，一路與 sin c t 相乘。然后經(jīng)過低通濾波器，低通濾波器 LPF 濾除乘法器產(chǎn)生的高頻分量，獲得有用信號，低通濾波器LPF 輸出經(jīng)抽樣判決可恢復出電平信號。16 進制的正交振幅調(diào)制是一種振幅相位聯(lián)合鍵控信號。16QAM 的產(chǎn)生有 2 種方法：（1）正交調(diào)幅法，它是有 2 路正交的四電平振幅鍵控信號疊加而成；（2）復合相移法：它是用 2 路獨立的四相位移相鍵控信號疊加而成。2.3.8 QPSK調(diào)制QPSK是在2PSK（二相調(diào)相）的基礎上發(fā)展而來的一種多進制相位調(diào)制。QPSK是利用載波的四種不同相位來表征傳送的數(shù)字信息。在QPSK調(diào)制中，首先對輸入的二進制數(shù)據(jù)按二位數(shù)字編成一組，以此構成雙比特碼元。其組合共有4種，即有4種不同狀態(tài)。故可以用M=4種相位或相位差來表示。這里M=4，故稱為四相調(diào)相。同樣，若采用八相調(diào)制方式，在一個碼元時間內(nèi)可傳送3位碼，其信息傳送速率是二相調(diào)制方式的3倍。由此可見，采用多相調(diào)制的級數(shù)愈多，系統(tǒng)的傳輸速率愈高，但相鄰載波之間的相位差愈小，接收時要區(qū)分它們的困難程度就愈大，將使誤碼率增加。3. 基于MATLAB的OFDM系統(tǒng)仿真實驗3.1 MATLAB的特點與功能MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。3.2 MATLAB仿真系統(tǒng)3.2.1 仿真結構圖圖3.1 系統(tǒng)仿真原理圖3.2.2 主要模塊（1）串并轉(zhuǎn)換 OFDM系統(tǒng)是多載波傳輸?shù)囊环N特殊方式，而發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為串行的，因此需要進行串并轉(zhuǎn)換。OFDM將高速輸入的串行數(shù)據(jù)比特流轉(zhuǎn)換成并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流，而且串并轉(zhuǎn)換之后會提高系統(tǒng)的抗干擾能力。串并轉(zhuǎn)換的示意圖如圖3.2。圖3.2 串并轉(zhuǎn)換示意圖（2）QPSK調(diào)制QPSK調(diào)制的方法有兩種，一種是數(shù)字方法，另一種是相位選擇法。本程序中選擇的是利用數(shù)字的方法來調(diào)制信號。這里通過調(diào)用一個子函數(shù)qpskmod，程序如下：function iout,qout=qpskmod(paradata,para,nd,ml)m2=ml./2;paradata2=paradata.*2-1;count2=0;for jj=1:nd isi = zeros(para,1); isq = zeros(para,1); for ii = 1 : m2 isi = isi + 2. ( m2 - ii ) .* paradata2(1:para),ii+count2); isq = isq + 2. ( m2 - ii ) .* paradata2(1:para),m2+ii+count2); end iout(1:para),jj)=isi; qout(1:para),jj)=isq; count2=count2+ml;end（3）IFFT/FFT運算通過N點的IDFT運算，把頻域數(shù)據(jù)符號變換為時域數(shù)據(jù)信號，經(jīng)調(diào)制后發(fā)送到信道中去。在實際應用中，一般采用FFT/IFFT運算，因為它可以顯著的降低運算的復雜度。在Matlab軟件里可以使用函數(shù)fft()和ifft()來對數(shù)據(jù)進行FFT/IFFT運算，可以省去很多復雜的運算。（4）保護間隔和循環(huán)前綴 在OFDM系統(tǒng)中，保護間隔是一種循環(huán)復制增加了符號的波形長度，在符號的數(shù)據(jù)部分，每一個子載波內(nèi)有一個整數(shù)倍的循環(huán)，此種符號的復制產(chǎn)生了一個循環(huán)的信號，即將每個OFDM符號的后一段時間的樣點復制到OFDM符號的前面，形成前綴，在交接點沒有任何的間斷。當信道的最大多徑時延擴展小于保護間隔的時間時，OFDM系統(tǒng)可以完全克服ISI的影響。具體的m語言實現(xiàn)為： ich3=ich2(fl-gl+1:fl,:);ich2; qch3=qch2(fl-gl+1:fl,:);qch2; （5）并串轉(zhuǎn)換 這一過程是串并轉(zhuǎn)換的逆過程，將N個子載波的數(shù)據(jù)傳送到一個載波信道中去，將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)序列進行傳輸。示意圖如圖3.3。圖3.3 并串轉(zhuǎn)換示意圖（6）加入高斯噪聲 白噪聲是根據(jù)噪聲的功率譜密度是否均勻來定義的，而高斯噪聲則是根據(jù)它的概率密度函數(shù)呈正態(tài)分布來定義的，高斯型白噪聲稱高斯白噪聲，在通信系統(tǒng)的理論分析中，特別是在分析、計算系統(tǒng)抗噪聲性能時，經(jīng)常假定系統(tǒng)中信道噪聲（即前述的起伏噪聲）為高斯型白噪聲。在matlab軟件里產(chǎn)生高斯噪聲的函數(shù)一般有兩個WGN和AWGN。Awgn的用法為： y = awgn(x,SNR) 在信號x中加入高斯白噪聲。信噪比SNR以dB為單位。x的強度假定為0dBW。如果x是復數(shù)，就加入復噪聲。y = awgn(x,SNR,SIGPOWER) 如果SIGPOWER是數(shù)值，則其代表以dBW為單位的信號強度；如果SIGPOWER為measured，則函數(shù)將在加入噪聲之前測定信號強度。本程序正是采用的ReData=awgn（TrData，SNR，measured）來給復數(shù)發(fā)射數(shù)據(jù)TrData加入高斯噪聲。（7）QPSK解調(diào)在進行解調(diào)之前，信號要完成去掉保護間隔和進行FFT運算的任務。去掉保護間隔也就可以去掉符號間的干擾。這里通過調(diào)用一個子函數(shù)qpskdemod，具體的m語言實現(xiàn)為： function demodata=qpskdemod(idata,qdata,para,nd,ml)demodata=zeros( para,ml*nd );demodata(1:para),(1:ml:ml*nd-1)=idata(1:para),(1:nd)=0;demodata(1:para),(2:ml:ml*nd)=qdata(1:para),(1:nd)=0;（8）接收信號 完成解調(diào)之后下面就是進行解調(diào)信號的判決得到接收信號，程序中將發(fā)送段的原始信號和接收端的信號的波形輸了出來。（9）MATLAB仿真源程序：clear;clc;SNR=10;%信噪比為10fl=128;%FFT長度為128Ns=6;%OFDM信號的個數(shù)為6para=128;%子載波個數(shù)為128sr=250000;%符號速率為250000br=sr.*2;%子載波的比特率gl=32;%保護時隙的長度nloop=1;%循環(huán)次數(shù)noe=0;nod=0;eop=0;nop=0;for iii=1:nloop%發(fā)送和產(chǎn)生數(shù)據(jù)Signal=rand(1,para*Ns*2)0.5;%串并轉(zhuǎn)換paradata=reshape(Signal,para,Ns*2);%QPSK調(diào)制ich,qch=qpskmod(paradata,para,Ns,2);kmod=1./sqrt(2);ich1=ich.*kmod;qch1=qch.*kmod;qpsk_x=ich1+qch1.*sqrt(-1);%IFFTfy=ifft(qpsk_x);ich2=real(fy);qch2=imag(fy);%保護間隔設定ich3=ich2(fl-gl+1:fl,:);ich2; qch3=qch2(fl-gl+1:fl,:);qch2;%衰減的計算spow=sum(ich3.2+qch3.2)/Ns./para;attn=0.5*spow*sr/br*10.(-SNR/10);attn=sqrt(attn);%并串轉(zhuǎn)換ich4=reshape(ich3,1,(fl+gl)*Ns);qch4=reshape(qch3,1,(fl+gl)*Ns);%通過形成復數(shù)發(fā)射數(shù)據(jù)TrData=ich4+qch4.*sqrt(-1);%在此加入一個高斯白噪聲ReData=awgn(TrData,SNR,measured);idata=real(ReData);qdata=imag(ReData);idata1=reshape(idata,fl+gl,Ns);qdata1=reshape(qdata,fl+gl,Ns);idata2=idata1(gl+1:gl+fl,:);qdata2=qdata1(gl+1:gl+fl,:);%FFTRex=idata2+qdata2.*sqrt(-1);ry=fft(Rex);ReIChan=real(ry);ReQChan=imag(ry);ReIchan=ReIChan/kmod;ReQchan=ReQChan/kmod;%QPSK解調(diào)RePara=qpskdemod(ReIchan,ReQchan,para,Ns,2);ReSig=reshape(RePara,1,para*Ns*2);%誤碼比特率和及時的的誤碼和數(shù)據(jù)noe2=sum(abs(ReSig-Signal);nod2=length(Signal);noe=noe+noe2;nod=nod+nod2;if noe2=0 eop=eop+1;else eop=eop;endeop;nop=nop+1;fprintf(%dt%et%dn,iii,noe2/nod2,eop)end%輸出結果per=eop/nop;ber=noe/nod;figure(1)subplot(2,1,1),stem(Signal),grid minor;title(signal);xlabel(x),ylabel(y);subplot(2,1,2),stem(ReSig),grid minor;title(Resignal)figure(2)subplot(2,1,1),stem(ich2),grid minor;xlabel(x),ylabel(y);subplot(2,1,2),stem(qch2),grid minor;xlabel(x),ylabel(y);figure(3)subplot(2,1,1),stem(idata),grid minor;xlabel(時間),ylabel(幅度);title(加噪聲后I路波形)subplot(2,1,2),stem(qdata),grid minor;xlabel(時間),ylabel(幅度);title(加噪聲后Q路波形)figure(4)subplot(2,1,1),stem(ReIChan),grid minor;subplot(2,1,2),stem(ReQChan),grid minor;xlabel(x),ylabel(y);%QPSK星座圖figure(5)for alfa=0:0.001*pi:2*pi plot(cos(alfa),sin(alfa),b) hold onendgrid;xlabel(I路);ylabel(Q路);title(調(diào)制后的星座圖);hold off4. 仿真實驗結果分析及總結4.1 實驗分析通過圖3.4可以看出，通過將圖中發(fā)送數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過OFDM系