《寬帶無線接入技術(shù)》實(shí)驗(yàn)報(bào)告-OFDM系統(tǒng)的Matlab仿真

1、Cc大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告專 業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 實(shí)驗(yàn)所屬課程： 寬帶無線接入技術(shù) 實(shí)驗(yàn)室(中心)： 軟件與通信實(shí)驗(yàn)中心 指 導(dǎo) 教 師 ： 2013年3月教師評(píng)閱意見：簽名： 年 月 日實(shí)驗(yàn)成績：一、題目：OFDM系統(tǒng)的Matlab仿真；二、仿真要求：要求一（對(duì)于OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，應(yīng)該）：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)隨機(jī)產(chǎn)生；調(diào)制方式采用16QAM；必須加信道的衰落；必須加高斯白噪聲；接收端要對(duì)信道進(jìn)行均衡。要求二（對(duì)BER的性能仿真時(shí)）：設(shè)計(jì)仿真方案，得到在數(shù)據(jù)傳輸過程中不同信噪比的BER性能結(jié)論，要求得到的BER曲線較為平滑。三、仿真方案詳細(xì)設(shè)計(jì)：OFDM 基本原理 :O

2、FDM （ Orthogonal Frequency Division Multiplexing ）正交頻分復(fù)用，它是由多載波調(diào)制技術(shù)發(fā)展而來 。其基本思想是把一路高速的數(shù)據(jù)流串并變換為 N 路的低速數(shù)據(jù)流再并行傳輸，因此數(shù)據(jù)流速度降為原來的 1/N，具有很強(qiáng)的抗多徑衰落和抗脈沖干擾的能力 ，特別適合高速無線數(shù)據(jù)傳輸。OFDM 是一種子載波相混疊的多載波技術(shù)，但由于 OFDM 選擇時(shí)域相互正交的子載波 ， 他們?cè)陬l域雖然相互混疊 ，卻能在接收端被分離出來 。OFDM 信號(hào)頻譜實(shí)際滿足奈奎斯特準(zhǔn)則即多個(gè)子載波之間不存在相互干擾。OFDM信號(hào)的基帶形式Ts=Tsym/N由于OFDM子載波之間滿足正

3、交性，因此可以采用離散傅立葉變換(DFT)表示信號(hào)。直接進(jìn)行IDFT/DFT變換，算法復(fù)雜度為 O(N2) ，計(jì)算量非常大，但如果采用IFFT/FFT來實(shí)現(xiàn)，則算法復(fù)雜度降低為O(N/2) (基2算法)，極大降低了OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。從頻域的角度來理解，每個(gè)OFDM符號(hào)在其周期內(nèi)包括多個(gè)非零的子載波，因此，其頻譜可以看做是周期為T的矩形模型頻譜與各個(gè)子載波頻率上 的 函數(shù)的 卷積。 同時(shí)，為了消除碼間干擾，需要在OFDM的每個(gè)符號(hào)中插入保護(hù)時(shí)間，只要保護(hù)時(shí)間大于多徑時(shí)延擴(kuò)展，則一個(gè)符號(hào)的多徑分量不會(huì)干擾相鄰符號(hào)。保護(hù)時(shí)間內(nèi)可以完全不發(fā)送信號(hào)。但此時(shí)由于多徑效應(yīng)的影響，子載波可能不能保持相互

4、正交，從而引入了子載波間干擾。保護(hù)時(shí)間內(nèi)發(fā)送全零信號(hào)時(shí)，由于多徑效應(yīng)，從而會(huì)造成的子載波間干擾(ICI)。為了減小ICI，OFDM符號(hào)可以在保護(hù)時(shí)間內(nèi)發(fā)送循環(huán)擴(kuò)展信號(hào)，稱為循環(huán)前綴(CP)。循環(huán)前綴是將OFDM符號(hào)尾部的信號(hào)搬移到頭部構(gòu)成的。這樣可以保證有時(shí)延的OFDM信號(hào)在FFT積分周期內(nèi)總是具有整倍數(shù)周期。因此只要多徑延時(shí)小于保護(hù)時(shí)間，就不會(huì)造成載波間干擾還有，OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù) ：1、保護(hù)間隔 2、符號(hào)周期 3、子載波的數(shù)目 4、載波間隔 參數(shù)確定如下：1. 確定保護(hù)間隔：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般選擇保護(hù)間隔時(shí)間長度為時(shí)延擴(kuò)展均方根值的2到4倍。2. 選擇符號(hào)周期：考慮到保護(hù)間隔所帶來的信息

5、傳輸效率的損失和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及系統(tǒng)的峰值平均功率比等因素，在實(shí)際系統(tǒng)中，一般選擇符號(hào)周期長度至少是保護(hù)間隔長度的5倍。3、確定子載波的數(shù)量：子載波的數(shù)量可以直接利用-3dB帶寬除以子載波間隔得到；或者可以利用所要求的比特速率除以每個(gè)子信道中的比特速率來確定子載波的數(shù)量；每個(gè)子信道中傳輸?shù)谋忍厮俾视姓{(diào)制類型、編碼速率以及符號(hào)速度來確定。、系統(tǒng)框圖：1、總括框圖： （實(shí)驗(yàn)總圖框架）2、發(fā)射機(jī)與接收機(jī)：、 仿真設(shè)計(jì)：（1） 發(fā)送部分 對(duì)產(chǎn)生的 0 、1 比特流進(jìn)行 16QAM 調(diào)制 ，映射到星座圖上 ，即將數(shù)據(jù)變?yōu)閺?fù)平面內(nèi)的數(shù)據(jù)； 將變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換進(jìn)行 IFFT 變換后在進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換

6、。為了避免多徑造傳播成 的 IS I 干擾，要對(duì)每一 個(gè) OFD M 符號(hào)加循環(huán)前綴（ CP ）。為了避免碼間干擾，CP 中的信號(hào)與對(duì)應(yīng) OFDM 符號(hào)尾部寬度為Tg 的部分相同，Tg 為人為設(shè)定。本實(shí)驗(yàn)中為 OFDM 符號(hào)長度的 1/4 。 加保護(hù)間隔。為了最大限度的消除碼間干擾，該保護(hù)間隔一般大于多徑信道的最大時(shí)延，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑干擾就不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾。將產(chǎn)生的 OFDM 符號(hào)組成一個(gè)串行序列，即組幀。（2）信道部分：采用多徑信道，加高斯白噪聲。詳細(xì)設(shè)計(jì)為后附代碼。（3） 接收部分： 解幀，將接收的序列分解為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的 OFDM 符號(hào)。 去掉保護(hù)間隔，將加在每個(gè)符號(hào)前的保護(hù)間

7、隔去掉。 將去掉保護(hù)間隔的 OFDM 符號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換 ， 為下一步快速傅里葉變換做準(zhǔn)備。 將并行的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換得到對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)。 進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行 QAM 解調(diào)，解調(diào)之前要進(jìn)行均衡處理。解調(diào)之后得到之前生成的 0 、 1 比特流。四、實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及結(jié)論：實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果（得到的誤碼率曲線 ）：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由上圖可以看出，隨著信噪比的不斷增大，誤碼率在不斷地減小 ，而且輸入信號(hào)的信噪比越大，影響越明顯。究其原因，主要是隨著信噪比的增加，噪聲功率有所下降，因而誤碼率也隨之下降。從而可以知道：OFDM的帶外衰減是比較慢的。隨著載波數(shù)目增大，OFDM信號(hào)的帶外衰減也增加了；使OFDM信號(hào)的

8、帶外衰減更快，可以采用對(duì)單個(gè)OFDM符號(hào)加窗的辦法。OFDM的窗函數(shù)可以使信號(hào)的幅度在符號(hào)邊界更平滑的過渡到0。通過實(shí)驗(yàn)過程可以知道：接收機(jī)正常工作以前，OFDM系統(tǒng)至少要完成兩類同步任務(wù)：1、時(shí)域同步，要求OFDM系統(tǒng)確定符號(hào)邊界，并且 提取出最佳的采樣時(shí)鐘，從而減小載波干擾(ICI)和碼間干擾(ISI)造成的影響。 2、頻域同步，要求系統(tǒng)估計(jì)和校正接收信號(hào)的載波偏移。五、總結(jié)與體會(huì)：實(shí)驗(yàn)總結(jié)：通過將近五次左右的實(shí)驗(yàn)課程，使得我又加深了對(duì)于OFDM的理解，讓我學(xué)會(huì)了許多新的知識(shí)，比如如何增加碼元時(shí)間同步誤差、比如頻率同步誤差造成的OFDM系統(tǒng)產(chǎn)生子載波間干擾的問題以及如何增加頻率同步誤差的問

9、題等。從而，這幾次實(shí)驗(yàn)在我們學(xué)習(xí)了理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，在建立 OFDM 仿真模型時(shí)，運(yùn)用我們所學(xué)過的 matlab基礎(chǔ)知識(shí) 編寫了一個(gè)完成基本功能的 OFDM 系統(tǒng)，在仿真的基礎(chǔ)上對(duì)子載波采用 16QAM 調(diào)制并對(duì)其在不同的噪聲信道下的性能進(jìn)行了分析。 通過實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果分析，最終我得出結(jié)論：隨著信噪比的不斷增大，誤碼率卻在不斷地減小，而且輸入信號(hào)的信噪比越大，影響越明顯。究其原因，主要是隨著信噪比的增加，噪聲功率有所下降 ，而誤碼率也隨之下降，對(duì)于這種結(jié)果，也基本上市符合我所學(xué)過的理論知識(shí)。而且，本實(shí)驗(yàn)在對(duì) OFDM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，運(yùn)用仿真結(jié)果也間接證明了在相同的條件下， OF

10、DM 傳輸系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單載波傳輸系統(tǒng)，更適于在存在多徑干擾的信道中進(jìn)行傳輸。而對(duì)于以前我可以說是從未接觸過的OFDM 技術(shù)，經(jīng)過我通過圖書館、上網(wǎng)查資料等，我發(fā)現(xiàn)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)便利的使用方法及途徑，它在無線接入和寬帶移動(dòng)通信等各種前沿領(lǐng)域中都具有廣闊的應(yīng)用前景和幾乎無限的發(fā)展空間。我想：經(jīng)過我的努力，我定要把它學(xué)好！ 實(shí)驗(yàn)體會(huì)：通過本次實(shí)驗(yàn)，使得我加深了對(duì)于OFDM 系統(tǒng)的理解，更加鞏固了老師在課堂上所教的知識(shí)。而且，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，我發(fā)現(xiàn)了一些新的知識(shí)和問題，但所幸的是，這些小問題都在通過我和同學(xué)們的討論下得以破解。也是通過這么幾次的OFDM 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，使得我對(duì)用matlab對(duì)

11、OFDM系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的流程又有了更加深刻的了解和體會(huì)，從而，對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，也有了初步的理解和掌握；知道了以后在對(duì)OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候知道該如何去操作matlab軟件，但是所不足的是，對(duì)理論性知識(shí)掌握程度不夠。也是通過這次實(shí)驗(yàn)，使我了解了基于matlab對(duì)OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，也讓我明白了對(duì)于OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法以及效果等有很多，但這次試驗(yàn)只弄出了其中很少的一部分。從而，通過此次實(shí)驗(yàn)，讓我了解了OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的原理和算法，熟悉了matlab的應(yīng)用有助于對(duì)OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)和掌握。但是。在實(shí)驗(yàn)的過程中，我還是遇到了許許多多的問題，比如說在剛開始學(xué)

12、的時(shí)候始終搞不明白它的原理、對(duì)正交子載波的正交性不理解、對(duì)多徑信道不理解等；最后經(jīng)過與老師討論、與同學(xué)切磋和去圖書館查資料，再加上自己反復(fù)的研究，最后終于解決了 這些絆腳石 。同時(shí)，在解決這些各種各樣的問題的過程中，也讓我對(duì) matlab 仿真有了一個(gè)新的認(rèn)識(shí)，在仿真過程中會(huì)出現(xiàn)很多意想不到的錯(cuò)誤，它需要我耐心的去調(diào)試、改正等等?？偠灾?，言而總之，通過這次實(shí)驗(yàn)，使得我基本上掌握了對(duì)OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)操作的基本方法，了解了其設(shè)計(jì)的一些基礎(chǔ)算法；我會(huì)在以后的學(xué)習(xí)中，更加努力，既注重理論性的學(xué)習(xí)，又要對(duì)OFDM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)做一些更加具體、更加有針對(duì)性的、精確性的操作，也希望在下次試驗(yàn)中不再范同樣

13、的錯(cuò)誤。增強(qiáng)使用MATLAB的能力?？偠灾磺卸家詫?shí)踐為前提，實(shí)驗(yàn)是必不可少的！實(shí)力是必要的根本。六、實(shí)驗(yàn)主要仿真代碼：%OFDM_decode.mclear all;clc;% 參數(shù)設(shè)置 P_pdB=0 -8 -17 -21 -25;% 信道抽頭功率，單位： dBC_Delay=0 3 5 6 8;% 信道延時(shí) samplePower=10.(P_pdB/10);% 信道抽頭Channeltap_L=leTgth(P_pdB); % 信道抽頭長度Channel_L=max(C_Delay)+1;% 信道長度M=16; % 16QAM 調(diào)制參數(shù)FFT_L=128; %FFT 長度Tg=F

14、FT_L/4; % 循環(huán)前綴的長度，長度為單個(gè) OFDM 符號(hào)長度的 1/4SYM_L=FFT_L+Tg; % 加了循環(huán)前綴的單個(gè) OFDM 符號(hào)的長度EbN0=0:5:30; % 信噪比N_iter=1000; % 每個(gè)信噪比的迭代次數(shù)signal_p=0;% 信號(hào)功率初始化，初始值為 0% 不同信噪比下進(jìn)行 OFDM 實(shí)驗(yàn) for k=0:length(EbN0)randn(state,0);rand(state,0);Neb=0; % 初始錯(cuò)誤的碼元個(gè)數(shù)for m=1:N_iterX=randint(1,FFT_L,M);Xmod=qammod(X,M); % 16QAM 調(diào)制% iFF

15、T 變換 kk1=FFT_L/2+1:FFT_L; kk2=1:FFT_L/2;X_shift=Xmod(kk1) Xmod(kk2);x=ifft(X_shift); % 逆傅里葉變換x_g=x(FFT_L-Tg+1:FFT_L),x;% 加入保護(hù)間隔% 多徑信道衰落 channel=(randn(1,Channeltap_L)+randn(1,Channeltap_L)*1i).*sqrt(Power/2);% 瑞利衰落h=zeros(1,Channel_L);h(C_Delay+1)=channel;% 信道脈沖響應(yīng)y=conv(x_g,h); % 通過信道，時(shí)域卷積% 只加高斯白噪聲

16、if k=0y1=y(1:SYM_L);signal_p=signal_p+y1*y1;continue;end% 加高斯白噪聲snr=EbN0(k);noise_mag=sqrt(10.(-snr/10);% 噪聲大小awgn=noise_mag*(randn(size(y)+randn(size(y)*1i);y_g=y+awgn;% 信道的頻率響應(yīng)H=fft(h,zeros(1,FFT_L-Channel_L);H_shift(1:FFT_L)=H(kk1),H(kk2);y_r=y_g(Tg+1:SYM_L);% 去掉循環(huán)前綴Y=fft(y_r);Y_shift=Y(kk1) Y(kk2);% 信道均衡Xmode_r(1:FFT_L)=Y_shif