MIMO課程設(shè)計(jì)

1、OFDM通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)姓名:谷兆祥學(xué)號(hào):1301120498專業(yè):電子與通信工程導(dǎo)師:盧小峰學(xué)院:通信工程學(xué)院OFDM通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)摘要： OFDM技術(shù)具有頻譜利用率高,抗馬健干擾能力強(qiáng),抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本文對(duì)OFDM的基本原理進(jìn)行了說(shuō)明，同時(shí)對(duì)OFDM的關(guān)鍵技術(shù)PARR抑制算法進(jìn)行了詳細(xì)的討論，然后說(shuō)明了同步算法。在理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)OFDM通信仿真系統(tǒng)，給出了具體的參數(shù)，并利用matlab進(jìn)行了仿真，得出了不同的SNR下的誤碼情況。關(guān)鍵詞：OFDM；MATLAB；PARR；同步；IFFT1、引言O(shè)FDM的全稱為Orthogonal Frequency-

2、Division Multiplexing，意為正交頻分復(fù)用。OFDM把數(shù)據(jù)分解成為若干個(gè)獨(dú)立的子比特流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號(hào)去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成了多個(gè)低速率符號(hào)并行的傳輸系統(tǒng)。OFDM具有頻譜利用率高，抗碼間干擾能力強(qiáng)，抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。本文首先介紹了OFDM的基本原理，然后對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)同步和見(jiàn)底峰值平均功率比的算法進(jìn)行了討論，最后設(shè)計(jì)了OFDM通信系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真分析。2、OFDM系統(tǒng)的基本原理以QAMOFDM調(diào)制進(jìn)行OFDM的原理進(jìn)行講解：子載波采用MQAM調(diào)制時(shí)，產(chǎn)生OFDM基帶信號(hào)的原理見(jiàn)

3、圖2.1所示。速率為的二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換成為N路速率的子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流通過(guò)各自的子載波進(jìn)行MQAM調(diào)制，然后一起發(fā)送。若QAM的禁止數(shù)是M，則每個(gè)子載波上的符號(hào)速率是，子載波間隔是。圖2.1 產(chǎn)生QAM-OFDM基帶信號(hào)的原理框圖 在0, 時(shí)間內(nèi)，第i個(gè)子載波上的已調(diào)的QAM信號(hào)能夠表示為 （2.1）其中，是發(fā)送的QAM符號(hào)的星座點(diǎn)，、分別是其同相分量（I路）和正交分量（Q路）；是第i路的載波頻率，i=0，1，N-1；是脈沖成形濾波器的沖激響應(yīng)，假設(shè)它為矩形脈沖。 總的OFDM基帶信號(hào)能夠表示為 （2.1）其中， （2.2）是OFDM基帶信號(hào)的復(fù)包絡(luò)。 若令，則式（3.2）能夠表示為

4、 （2.3）因此也能夠先得到復(fù)包絡(luò)，再通過(guò)正交調(diào)制來(lái)得到OFDM基帶信號(hào)見(jiàn)圖3.2所示。圖2.2 調(diào)制框圖由上面的基本原理能夠分析獲知要到OFDM基帶信號(hào)，首先要把接收到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行串并變換，把高速串行數(shù)據(jù)流變換成低速的并行數(shù)據(jù)流，然后用每一路信號(hào)去調(diào)制每一路上的子載波，已調(diào)信號(hào)的疊加和便是OFDM基帶信號(hào)。把上述獲得思路進(jìn)行細(xì)化分解能夠知道，上述做法中首先進(jìn)行串并變換，然后進(jìn)行星座映射的作法完全能夠顛倒，顛倒后同樣能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能，并且能夠節(jié)約N-1個(gè)QAM模塊，比上述做法更佳，于是就出現(xiàn)了圖2.2的先進(jìn)行星座映射，然后進(jìn)行串并變換的流程。3、OFDM系統(tǒng)的PAPR抑制算法設(shè)計(jì)目前，降

5、低OFDM信號(hào)PAPR的方法很多，大體可以分成三大類：信號(hào)預(yù)畸變、編碼類和概率類技術(shù)。這三種方法各有特色和著眼點(diǎn)，但每種方法也有缺陷。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的概率類技術(shù)：改進(jìn)型的Nyquist脈沖整形法（PS）。PS技術(shù)的思想是將原始數(shù)據(jù)序列和成形脈沖矩陣相乘產(chǎn)生新序列，使多載波的各子載波符號(hào)間具有一定的相關(guān)性，從而改善信號(hào)的PAPR特性。成形脈沖pn(t)(n=0,1,2,N-1)必須滿足一下四個(gè)條件：等能量：時(shí)限：帶限：正交：本系統(tǒng)的改進(jìn)的Nyquist脈沖的頻率響應(yīng)和失去信號(hào)分別如下式1和2所示:其中參數(shù)。上面的Nyquist脈沖是實(shí)的對(duì)稱信號(hào)，且在Nyquist采樣頻率處為零，具有無(wú)ISI的性

6、質(zhì)。4、OFDM系統(tǒng)的同步算法設(shè)計(jì)一般在OFDM系統(tǒng)中，從頻域和時(shí)域兩大方面考慮，同步問(wèn)題可分為載波頻率同步和時(shí)間同步，而時(shí)間同步又可以進(jìn)一步分為符號(hào)定時(shí)同步和采樣時(shí)鐘同步。因此，在OFDM系統(tǒng)中需要考慮三部分同步：符號(hào)定時(shí)同步，頻率同步和采樣時(shí)鐘同步。5、OFDM通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)的框圖如下圖5.1所示。圖5.1 OFDM通信系統(tǒng)發(fā)送機(jī)框圖信道編碼信道編碼采用卷積編碼和交織編碼進(jìn)行信道級(jí)聯(lián)編碼。卷積編碼碼率為1/2，仿真時(shí)設(shè)置k=1，G=1 01 1011;1111001，將輸入的90個(gè)0、1二進(jìn)制數(shù)經(jīng)過(guò)卷積編碼后可得到192個(gè)0、1二進(jìn)制數(shù)。交織編碼采用24行8

7、列的矩陣，按行寫入，按列讀出，交織編碼可以有效的抗突發(fā)干擾。QPSK調(diào)制在數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式中，使用了QPSK，這種調(diào)制方式具有較高的頻譜利用率以及較強(qiáng)的抗干擾性，在電路上實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單，而且具有較好的PARR抑制性能。QPSK調(diào)制的映射方式如表所示。表5.1 QPSK調(diào)制數(shù)據(jù)插入方式調(diào)制后數(shù)據(jù)1,11+i1,-11-i-1,1-1+i-1,-1-1-i插入導(dǎo)頻導(dǎo)頻數(shù)據(jù)是在進(jìn)行矩陣變換之前插入有效數(shù)據(jù)的，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們每8個(gè)有效數(shù)據(jù)插入一個(gè)導(dǎo)頻，但是數(shù)據(jù)中間位置不插入導(dǎo)頻。96個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)插入10個(gè)導(dǎo)頻之后，一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為106。矩陣變換矩陣變換模塊是為了降低系統(tǒng)的PARR，采用方法的是前面介

8、紹的改進(jìn)Nyquist脈沖整形法（PS）。這里的矩陣大小為106 x 128，滾降系數(shù)=0.22。通過(guò)這種方法，可以顯著的改善OFDM通信系統(tǒng)的PARR分布，大大降低了峰值信號(hào)出現(xiàn)的概率以及對(duì)功率放大器的要求，節(jié)約成本。在接收端恢復(fù)原始信號(hào)只需要在FFT運(yùn)算之后乘上一個(gè)發(fā)端矩陣的逆矩陣即可。IFFT變換經(jīng)過(guò)矩陣乘模塊后，一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為128，由于子載波個(gè)數(shù)為256，所以需要在數(shù)據(jù)后面補(bǔ)128個(gè)零之后，考慮到頻譜利用率的問(wèn)題需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行搬移（索引為164的數(shù)據(jù)搬移到數(shù)據(jù)最后）。加循環(huán)前綴與升采樣用IFFT輸出的數(shù)據(jù)的錢32點(diǎn)作為循環(huán)后綴后32點(diǎn)作為循環(huán)前綴。假定射頻的采樣時(shí)鐘為2.56MHZ，

9、所以需要數(shù)據(jù)速率匹配，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行升采樣。升采樣過(guò)程由兩部分組成。第一部分對(duì)交了循環(huán)前后綴之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行2倍的升采樣，所采取的方式是在每個(gè)數(shù)據(jù)中間插入1個(gè)0，第二部分用上變頻模塊的CIC內(nèi)插濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行20倍升采樣。數(shù)字上變頻數(shù)字上變頻完成的功能是將基帶信號(hào)進(jìn)行線性頻譜搬移，實(shí)質(zhì)上就是將基帶成形信號(hào)（I、Q兩個(gè)支路）乘以一個(gè)載波信號(hào)，再把兩個(gè)支路相加即可。但為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，在同相和正交支路上還分別增加一個(gè)具有線性相位特性的低通成形濾波器FIR。另外，為了使產(chǎn)生的基帶信號(hào)與后面的采樣速率想匹配，在進(jìn)行正交調(diào)制前還必須通過(guò)CIC內(nèi)插濾波器將基帶信號(hào)進(jìn)行20倍升采樣處理，整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)

10、程如圖5.2所示，數(shù)字上變頻模塊中包含了寄到成形濾波器、梳狀內(nèi)插濾波器和數(shù)控濾波器。圖5.2 數(shù)字上變頻實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)5.2接收機(jī)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的接收機(jī)的框圖如圖5.3所示。圖5.3 OFDM系統(tǒng)接收機(jī)框圖接收機(jī)很多通信處理模塊都是與發(fā)射機(jī)的想過(guò)模塊功能相似，這里不再重復(fù)，只說(shuō)同步模塊。系統(tǒng)同步系統(tǒng)將基帶性能好送到幀檢測(cè)模塊，這一步的目的是系統(tǒng)需要知道時(shí)候有信號(hào)到達(dá)和信號(hào)來(lái)后粗定時(shí)的位置，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)來(lái)之后同步啟動(dòng)粗定時(shí)模塊、頻偏捕獲模塊。符號(hào)粗定時(shí)與粗頻偏捕獲利用的是前導(dǎo)序列中的短符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而細(xì)頻偏估計(jì)采用的是前導(dǎo)序列中的長(zhǎng)訓(xùn)練序列實(shí)現(xiàn)的。利用簽到序列中的T1m和T2m進(jìn)行本地互相關(guān)，得到相關(guān)峰值，通過(guò)分制所確定的位置確定精確的FFT開(kāi)窗位置，并通過(guò)OFDM數(shù)據(jù)幀中的循環(huán)前后綴的循環(huán)特性進(jìn)行頻率跟蹤，在頻域中，再利用解調(diào)出的導(dǎo)頻信息進(jìn)行相位補(bǔ)償。6、系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真參數(shù)根據(jù)前面介紹的的OFDM通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，表給出了仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)。表6.1 OFDM通信系統(tǒng)仿真參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率19.2Kbps調(diào)制方式QPSK編