移動(dòng)通信OFDM課程設(shè)計(jì)說明書

1、摘 要在無線信道環(huán)境中可靠、高速的傳輸數(shù)據(jù)是無線通信技術(shù)的目標(biāo)和要求。OFDM技術(shù)能夠大幅度的提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并能有效地抵抗多徑衰落、抑制干擾和噪聲，有著廣闊的應(yīng)用前景。正交頻分復(fù)用( OFDM) 作為一種多載波數(shù)字通信方案, 是第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。OFDM主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ISI) 。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串?dāng)_，而且由于每個(gè)子信

2、道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。本課程設(shè)計(jì)是在移動(dòng)通信的基礎(chǔ)上，基于OFDM系統(tǒng)的基本原理，并使用Simulink搭建OFDM系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)模塊，完成Simulink模塊設(shè)置，確定搭建系統(tǒng)的主要參數(shù)，并對主要模塊的構(gòu)建方式進(jìn)行了說明；利用高斯信道模塊來模擬信號(hào)傳輸仿真，用示波器觀察各點(diǎn)波形，通過與理論波形的對比，驗(yàn)證電路的正確性。在此基礎(chǔ)上，基于Simulink，討論了如何構(gòu)建完整的OFDM動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：OFDM； Simulink； 仿真分析； 1前 言1.1 OFDM技術(shù)的發(fā)展歷史20世紀(jì)70年代，韋斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人應(yīng)用

3、離散傅里葉變換（DFT）和快速傅里葉方法（FFT）研制了一個(gè)完整的多載波傳輸系統(tǒng)，叫做正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)。近些年來，集成數(shù)字電路和數(shù)字信號(hào)處理器件的迅猛發(fā)展，以及對無線通信高速率要求的日趨迫切，OFDM技術(shù)再次受到了重視。80年代后，OFDM的調(diào)整技術(shù)再一次成為研究熱點(diǎn)。例如，在有線信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM調(diào)整技術(shù)，試驗(yàn)成功了16QAM多路并行傳送19.2kbit/s的電話線MODEM。進(jìn)入90年代，OFDM的應(yīng)用又涉及到了利用移動(dòng)調(diào)頻和單邊帶（SSB）信道進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信，陸地移動(dòng)通信，高速數(shù)字用戶環(huán)路(HDSL)，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路(ADS

4、L)及高清晰度數(shù)字電視(HDTV)和陸地廣播等各種通信系統(tǒng)。1999年，IEEE802.11a通過了一個(gè)SGHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采用為物理層標(biāo)準(zhǔn)，使得傳輸速率可以達(dá)54MbPs。這樣，可提供25MbPs的無線ATM接口和10MbPs的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，并支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。這樣的速率完全能滿足室內(nèi)、室外的各種應(yīng)用場合。歐洲電信組織(ETsl)的寬帶射頻接入網(wǎng)的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)HiperiLAN2也把OFDM定為它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。1.2 OFDM技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域(1)移動(dòng)通信領(lǐng)域OFDM技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度相當(dāng)于GSM(Global System for MobileCom

5、munication，全球移動(dòng)通信系統(tǒng))和CDMA(Code Division Multiple Access，碼分多址)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的10倍。從理論上講，OFDM技術(shù)要優(yōu)越于當(dāng)前的全球移動(dòng)運(yùn)營商所采用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。(2)數(shù)字傳輸領(lǐng)域OFDM在數(shù)字廣播領(lǐng)域也有杰出的表現(xiàn)。DAB(Digital Audio Broadcasting，數(shù)字語音廣播)DMB(Digital Multimedia Broadcasting，數(shù)字多媒體廣播)具有音質(zhì)好(CD質(zhì)量)、可實(shí)現(xiàn)多媒體接收、可加密、并可利用衛(wèi)星大幅度提高廣播的覆蓋率等優(yōu)點(diǎn)，是廣播事業(yè)發(fā)展中的一個(gè)新的里程碑。采用OFDM技術(shù)后，系統(tǒng)發(fā)射功率減小、可高速

6、移動(dòng)接收、頻譜利用率高、有很強(qiáng)的抗干擾和在惡劣環(huán)境下接收的能力，有效的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速可靠的傳輸。(3)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域近年來，Intemet以驚人的速度發(fā)展，Internet的用戶眾多，分布廣泛，傳統(tǒng)Modem僅能提供56Kbps的速度，ISDN業(yè)務(wù)最多也只能提供128Kbps的速度，這些都難以滿足Intemet飛速發(fā)展的需要。1.3 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)(1)抗衰落能力強(qiáng)OFDM使用戶信息通過多個(gè)子載波傳輸，在每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長很多倍，因而對脈沖噪聲(impulse noise)和信道快衰落的抵抗力更強(qiáng)。(2)頻率利用率高OFDM采用允許重疊的正交

7、子載波作為子信道，而不是傳統(tǒng)的利用保護(hù)頻帶分離子信道的方式，因而提高了頻率利用率。(3)適合高速數(shù)據(jù)傳輸首先，OFDM的自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制使不同的子載波可以根據(jù)信道情況和噪音背景的不同使用不同的調(diào)制方式：信道條件好時(shí)，采用效率高的調(diào)制方式；信道條件差時(shí)，采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。另外，OFDM采用的加載算法使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。因此，OFDM技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。(4)抗碼間干擾能力強(qiáng)碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。1.4 OFDM技術(shù)的研究意義正交頻分復(fù)用( OFDM) 技術(shù)是一種多載波數(shù)

8、字調(diào)制技術(shù), 適合在無線環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高速傳輸。OFDM 最大的優(yōu)點(diǎn)是能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾, 同時(shí)擁有很高的頻譜利用率。該技術(shù)已經(jīng)為業(yè)界公認(rèn)為新一代無線移動(dòng)通信系統(tǒng)核心技術(shù),具有很高的研究價(jià)值2設(shè)計(jì)目的與要求學(xué)習(xí)OFDM系統(tǒng)的傳輸原理，并使用Simulink搭建OFDM系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)模塊，利用高斯信道模塊來模擬信號(hào)傳輸仿真，用示波器觀察各點(diǎn)波形，通過與理論波形的對比，驗(yàn)證電路的正確性。3設(shè)計(jì)原理3.1 OFDM原理簡介在向B3G/4G演進(jìn)的過程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集，時(shí)空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。包括以下類型：V-OFDM

9、, W-OFDM, F-OFDM, MIMO-OFDM,多帶-OFDM。OFDM中的各個(gè)載波是相互正交的，每個(gè)載波在一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)有整數(shù)個(gè)載波周期，每個(gè)載波的頻譜零點(diǎn)和相鄰載波的零點(diǎn)重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統(tǒng)的FDMA提高了頻帶利用率。在OFDM傳播過程中，高速信息數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對較低的若干子信道中傳輸，每個(gè)子信道中的符號(hào)周期相對增加，這樣可減少因無線信道多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對系統(tǒng)造成的碼間干擾。另外，由于引入保護(hù)間隔，在保護(hù)間隔大于最大多徑時(shí)延擴(kuò)展的情況下，可以最大限度地消除多徑帶來的符號(hào)間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，

10、還可避免多徑帶來的信道間干擾。在過去的頻分復(fù)用(FDM)系統(tǒng)中，整個(gè)帶寬分成N個(gè)子頻帶，子頻帶之間不重疊，為了避免子頻帶間相互干擾，頻帶間通常加保護(hù)帶寬，但這會(huì)使頻譜利用率下降。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，OFDM采用N個(gè)重疊的子頻帶，子頻帶間正交，因而在接收端無需分離頻譜就可將信號(hào)接收下來。OFDM系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是正交的子載波可以利用快速傅利葉變換（FFT/IFFT）實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。對于N點(diǎn)的IFFT運(yùn)算，需要實(shí)施N2次復(fù)數(shù)乘法，而采用常見的基于2的IFFT算法，其復(fù)數(shù)乘法僅為（N/2）log2N，可顯著降低運(yùn)算復(fù)雜度。在OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端加入保護(hù)間隔，主要是為了消除多徑所造成的ISI。其方法是

11、在OFDM符號(hào)保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴，以保證在FFT周期內(nèi)OFDM符號(hào)的時(shí)延副本內(nèi)包含的波形周期個(gè)數(shù)也是整數(shù)。這樣時(shí)延小于保護(hù)間隔的信號(hào)就不會(huì)在解調(diào)過程中產(chǎn)生ISI。由于OFDM技術(shù)有較強(qiáng)的抗ISI能力以及高頻譜效率，2001年開始應(yīng)用于光通信中，相當(dāng)多的研究表明了該技術(shù)在光通信中的可行性。OFDM 是將高速串行數(shù)據(jù)分成成百上千路并行數(shù)據(jù),并分別對不同的載頻進(jìn)行調(diào)制,這種并行傳輸體制大大擴(kuò)展了符號(hào)的脈沖寬度,提高了抗多徑衰落的性能. 同時(shí),在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法中,各子載波之間的頻譜互不重疊,頻譜利用率較低. 而采用OFDM 技術(shù),一個(gè)OFDM 符號(hào)之內(nèi)包括多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號(hào),每個(gè)子

12、載波在頻譜上相互重疊,這些頻譜在整個(gè)符號(hào)周期內(nèi)滿足正交性,因而在接受端可以保證無失真恢復(fù),從而大大提高頻譜利用率.用N 表示子信道的個(gè)數(shù), T 表示OFDM 符號(hào)的寬度, di ( i = 0 , 1 , , N - 1) 是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào), f c 是第0 個(gè)子載波的載波頻率,則從t = ts 開始的OFDM 符號(hào)可以表示為式中,rect ( t) = 1 , | t| T/ 2. 然而在實(shí)際仿真時(shí),通常采用復(fù)等效基帶信號(hào)來描述OFDM 的輸出信號(hào)式中,實(shí)部和虛部分別對應(yīng)OFDM 符號(hào)的同相和正交分量. 3.2 Simulink3.2.1 Simulink簡介Simulink是M

13、ATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。3.2.2 Simulink功能Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系

14、統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿

15、真、執(zhí)行和測試。.構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。3.2.3 Simulink特點(diǎn)豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖以設(shè)計(jì)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理通過Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼提供API用于與其他仿真程序的連接

16、或與手寫代碼集成使用Embedded MATLAB 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法使用定步長或變步長運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來運(yùn)行模型圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為可訪問MATLAB從而對結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號(hào)參數(shù)和測試數(shù)據(jù)模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤3.2.4 Simulink 的啟動(dòng)及模塊介紹一.Simulink的啟動(dòng)1、在MATLAB命令窗口中輸入simulink

17、結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個(gè)稱為Simulink Library Browser的窗口，在這個(gè)窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。當(dāng)然用戶也可以通過MATLAB主窗口的快捷按鈕來打開Simulink Library Browser窗口。2、在MATLAB命令窗口中輸入simulink3結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個(gè)用圖標(biāo)形式顯示的Library :simulink3的Simulink模塊庫窗口。兩種模塊庫窗口界面只是不同的顯示形式，用戶可以根據(jù)各人喜好進(jìn)行選用，一般說來第二種窗口直觀、形象，易于初學(xué)者，但使用時(shí)會(huì)打開太多的子窗口。二 Simulink模塊介紹SIMULINK模塊庫按功能進(jìn)行分類，包括以下

18、8類子庫：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）連續(xù)模塊（Continuous） continuous.mdlIntegrator：輸入信號(hào)積分Derivative：輸入信號(hào)微分State-Space：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型Transfer-Fcn：線性傳遞函數(shù)模型Zero-Pole：以零極點(diǎn)表示的傳遞函數(shù)模型Memory：存儲(chǔ)上一時(shí)刻的狀態(tài)值Transport

19、 Delay：輸入信號(hào)延時(shí)一個(gè)固定時(shí)間再輸出Variable Transport Delay：輸入信號(hào)延時(shí)一個(gè)可變時(shí)間再輸出離散模塊（Discrete） discrete.mdlDiscrete-time Integrator：離散時(shí)間積分器Discrete Filter：IIR與FIR濾波器Discrete State-Space：離散狀態(tài)空間系統(tǒng)模型Discrete Transfer-Fcn：離散傳遞函數(shù)模型Discrete Zero-Pole：以零極點(diǎn)表示的離散傳遞函數(shù)模型First-Order Hold：一階采樣和保持器Zero-Order Hold：零階采樣和保持器Unit Dela

20、y：一個(gè)采樣周期的延時(shí)Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊） function.mdlFcn：用用戶自定義的函數(shù)（表達(dá)式）進(jìn)行運(yùn)算MATLAB Fcn：利用matlab的現(xiàn)有函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算S-Function：調(diào)用自編的S函數(shù)的程序進(jìn)行運(yùn)算Look-Up Table：建立輸入信號(hào)的查詢表（線性峰值匹配）Look-Up Table(2-D)：建立兩個(gè)輸入信號(hào)的查詢表（線性峰值匹配）Math（數(shù)學(xué)模塊） math.mdlSum：加減運(yùn)算Product：乘運(yùn)算Dot Product：點(diǎn)乘運(yùn)算Gain：比例增益運(yùn)算Math Function：包括指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、求平方、開根號(hào)等常用

21、數(shù)學(xué)函數(shù)Trigonometric Function：三角函數(shù)，包括正弦、余弦、正切等MinMax：最值運(yùn)算Abs：取絕對值Sign：符號(hào)函數(shù)Logical Operator：邏輯運(yùn)算Relational Operator：關(guān)系運(yùn)算Complex to Magnitude-Angle：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為幅值和相角輸出Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角輸入合成復(fù)數(shù)輸出Complex to Real-Imag：由復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為實(shí)部和虛部輸出Real-Imag to Complex：由實(shí)部和虛部輸入合成復(fù)數(shù)輸出Nonlinear（非線性模塊） nonlinear.mdlSa

22、turation：飽和輸出，讓輸出超過某一值時(shí)能夠飽和。Relay：滯環(huán)比較器，限制輸出值在某一范圍內(nèi)變化。Switch：開關(guān)選擇，當(dāng)?shù)诙€(gè)輸入端大于臨界值時(shí)，輸出由第一個(gè)輸入端而來，否則輸出由第三個(gè)輸入端而來。Manual Switch：手動(dòng)選擇開關(guān)Signal&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊） sigsys.mdlIn1：輸入端。Out1：輸出端。Mux：將多個(gè)單一輸入轉(zhuǎn)化為一個(gè)復(fù)合輸出。Demux：將一個(gè)復(fù)合輸入轉(zhuǎn)化為多個(gè)單一輸出。Ground：連接到?jīng)]有連接到的輸入端。Terminator：連接到?jīng)]有連接到的輸出端。SubSystem：建立新的封裝（Mask）功能模塊Sinks

23、（接收器模塊） sinks.mdlScope：示波器。XY Graph：顯示二維圖形。To Workspace：將輸出寫入MATLAB的工作空間。To File(.mat)：將輸出寫入數(shù)據(jù)文件。Sources（輸入源模塊） sources.mdlConstant：常數(shù)信號(hào)。Clock：時(shí)鐘信號(hào)。From Workspace：來自MATLAB的工作空間。From File(.mat)：來自數(shù)據(jù)文件。Pulse Generator：脈沖發(fā)生器。Repeating Sequence：重復(fù)信號(hào)。Signal Generator：信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、鋸齒波及隨意波。Sine Wave：正弦波

24、信號(hào)。Step：階躍波信號(hào)。Ramp: 斜坡信號(hào)。3.3 OFDM正交調(diào)制解調(diào)原理 OFDM 調(diào)制基本原理如圖OFDM調(diào)制的過程就是將待發(fā)送的多個(gè)數(shù)據(jù)分別與多路子載波相乘合成基帶復(fù)信號(hào)s(t)的過程，而OFDM解調(diào)的過程就是由復(fù)信號(hào)s(t)求解傅立葉系數(shù)的過程。復(fù)信號(hào)s(t)是時(shí)域信號(hào)，而傅立葉系數(shù)就是頻域的數(shù)據(jù)。需要明確的是：對于OFDM調(diào)制來講，輸入的數(shù)據(jù)是頻域數(shù)據(jù)，而輸出是S(t)就是時(shí)域數(shù)據(jù)；對于OFDM解調(diào)來講，輸入的s(t)是時(shí)域信號(hào)，而輸出的數(shù)據(jù)就是頻域數(shù)據(jù)。當(dāng)使用IDFT/DFT實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制/解調(diào)的時(shí)候，IDFT的輸入是頻域數(shù)據(jù)，輸出是時(shí)域數(shù)據(jù)；DFT的輸入是時(shí)域數(shù)據(jù)，輸出

25、是頻域數(shù)據(jù)。 基于快速離散傅里葉變換的產(chǎn)生和接收OFDM信號(hào)原理：在發(fā)射端，輸入速率為Rb的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列先進(jìn)行串并變換，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成N個(gè)并行的數(shù)據(jù)并分配給N個(gè)不同的子信道，此時(shí)子信道信號(hào)傳輸速率為Rb/N。N路數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼映射成N個(gè)復(fù)數(shù)子符號(hào)Xk。(一個(gè)復(fù)數(shù)子符號(hào)對應(yīng)速率為Rb的一路數(shù)據(jù))隨后編碼映射輸出信號(hào)被送入一個(gè)進(jìn)行快速傅里葉逆變換IFFT的模塊，此模塊將頻域內(nèi)N個(gè)復(fù)數(shù)子符號(hào)Xk變換成時(shí)域中2N個(gè)實(shí)數(shù)樣值Xk。（兩個(gè)實(shí)數(shù)樣值對應(yīng)1個(gè)復(fù)數(shù)子符號(hào)，即對應(yīng)速率為Rb的一路數(shù)據(jù)）由此原始數(shù)據(jù)就被OFDM按照頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。計(jì)算出的IFFT變換之樣值，被一個(gè)循環(huán)前綴加到樣值前，形

26、成一個(gè)循環(huán)擴(kuò)展的OFDM信息碼字。此碼字在此通過并串變換，然后按照串行方式通過D/A和低通濾波器輸出基帶信號(hào)，最后經(jīng)過上變頻輸出OFDM信號(hào)。3.3.2 OFDM 解調(diào)基本原理解調(diào)是調(diào)制的 逆過程。調(diào)制方式不同，解調(diào)方法也不一樣。與調(diào)制的分類相對應(yīng)，解調(diào)可分為正弦波解調(diào)（有時(shí)也稱為連續(xù)波解調(diào)）和脈沖波解調(diào)。正弦波解調(diào)還可再分為幅度解 調(diào)、頻率解調(diào)和相位解調(diào)，此外還有一些變種如單邊帶信號(hào)解調(diào)、殘留邊帶信號(hào)解調(diào)等。同樣，脈沖波解調(diào)也可分為脈沖幅度解調(diào)、脈沖相位解調(diào)、脈沖寬度解調(diào)和 脈沖編碼解調(diào)等。對于多重調(diào)制需要配以多重解調(diào)。解調(diào)過程大體上包含兩個(gè)主要環(huán)節(jié)：首先把位于載波附近攜帶有用信息的頻譜搬移

27、到基帶中，然后用相應(yīng)的濾波器濾出基帶信號(hào)，完成解調(diào)任務(wù)。脈沖調(diào)制信號(hào)的解調(diào)比較簡單。例如脈幅調(diào)制和脈寬調(diào)制信號(hào)都含有很大的調(diào)制信號(hào)分量，可以用低通濾波器直接從脈沖已 調(diào)波中將它們?yōu)V出，實(shí)現(xiàn)解調(diào)；有的脈沖已調(diào)波（如脈位調(diào)制、脈碼調(diào)制等）中的調(diào)制信號(hào)分量較小，通常先把它們變?yōu)槊}幅或脈寬調(diào)制信號(hào)，再用濾波器把有用信 號(hào)濾出。正弦波已調(diào)信號(hào)中不包含調(diào)制信號(hào)分量。解調(diào)時(shí)應(yīng)先進(jìn)行頻率變換，把孕含在邊帶中的有用信號(hào)頻譜搬移到適當(dāng)?shù)念l帶之內(nèi)，再用濾波器或適當(dāng)器件，把有用信號(hào)檢出。解調(diào)的方式有正弦波幅度解調(diào)、正弦波角度解調(diào)（1） 正弦波幅度解調(diào)從攜帶消息的調(diào)幅信號(hào)中恢復(fù)消息的過程。這種方式應(yīng)用得最早，現(xiàn)代仍廣泛

28、地用于廣播、通信和其他電子設(shè)備。早期的鍵控電報(bào)是一種典型的調(diào)幅信號(hào)。對這類信號(hào)的解調(diào)，通?？捎门念l振蕩器(BFO) 產(chǎn)生的正弦振蕩信號(hào)在一非線性器件中與該信號(hào)相乘（差拍）來實(shí)現(xiàn)。差拍輸出經(jīng)過低通濾波即得到一斷續(xù)的音頻信號(hào)。這種解調(diào)方式有時(shí)稱為外差接收。標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)可以不用拍頻振蕩器。調(diào)幅信號(hào)中的載波實(shí)際上起了拍頻振蕩波的作用，利用非線性元件實(shí)現(xiàn)頻率變換，經(jīng)低通濾波即得到與調(diào)幅信號(hào)包絡(luò)成對應(yīng)關(guān)系的輸出。這種方法屬于非相干解調(diào)。單邊帶信號(hào)的解調(diào)需要一個(gè)頻率和相位與被抑制載波完全一致的正弦振蕩波。使這個(gè)由接收機(jī)復(fù)原的載波和單邊帶信號(hào)相乘，即可實(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方式稱為同步檢波，也稱為相干解調(diào)。（2

29、） 正弦波角度解調(diào)從帶有消息的調(diào)角波中恢復(fù)消息的過程。與頻率調(diào)制相逆的稱為頻率解調(diào)，與相位調(diào)制相逆的稱為相位解調(diào)。頻率解調(diào)通常由鑒頻器完成。當(dāng)輸入信號(hào)的瞬時(shí)頻率fi正好為f0(載波頻率),即fi=f0時(shí)，鑒頻器輸出為零;當(dāng)fi>f0時(shí),鑒頻器輸出為正，fi<f0時(shí)則為負(fù)。傳統(tǒng)的方法是把調(diào)頻波變?yōu)檎{(diào)幅-調(diào)頻波,然后用檢波器來解調(diào)。為了防止調(diào)頻信號(hào)的寄生調(diào)幅在解調(diào)過程中產(chǎn)生干擾，可在鑒頻之前對信號(hào)進(jìn)行限幅，使其幅度保持恒定。相位解調(diào)需要有一個(gè)作為參考相位的相干信號(hào)，所以相位解調(diào)屬于相干解調(diào)。相位解調(diào)電路通常稱為鑒相器。脈沖調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，脈沖幅度調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的解調(diào)都比較簡單。

30、這些信號(hào)的頻譜中均含有較大的調(diào)制信號(hào)的頻譜分量，對已調(diào)制信號(hào)直接進(jìn)行低通濾波即可恢復(fù)其中所攜帶的消息。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)中也含有較大的調(diào)制信號(hào)分量，可以用同樣的方法實(shí)現(xiàn)解調(diào)。脈沖相位解調(diào)的方法是：先將脈沖調(diào)相波轉(zhuǎn)變成脈沖調(diào)幅波或調(diào)寬波，然后再按脈沖幅度或脈沖寬度解調(diào)的方法恢復(fù)消息。數(shù)字信號(hào)的解調(diào)方法，基本上與模擬信號(hào)解調(diào)相似，但有其固有的特點(diǎn)。解調(diào)方法對通信與各種電子設(shè)備的抗干擾性能有很大關(guān)系，其中以相干解調(diào)的抗干擾性能為最佳。對于寬帶調(diào)頻信號(hào)，采用頻率負(fù)反饋的解調(diào)方法也可以提高接收調(diào)頻信號(hào)的抗干擾性。解調(diào)過程除了用于通信、廣播、雷達(dá)等系統(tǒng)外還廣泛用于各種測量和控制設(shè)備。例如，在鎖相環(huán)和自動(dòng)頻率

31、控制電路中采用鑒相器或鑒頻器來檢測相位或頻率的變化，產(chǎn)生控制電壓，然后利用負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)相位或頻率的自動(dòng)控制。圖3.1 給出了OFDM 系統(tǒng)基本模型.圖3.1 OFDM系統(tǒng)基本模型圖3.2 給出了OFDM 正交調(diào)制框圖圖3.2 OFDM正交調(diào)制框圖4設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟4.1 使用MATLABSIMULINK進(jìn)行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖4.1給出的OFDM仿真系統(tǒng)圖需建立一個(gè)完整的OFDM 系統(tǒng). 我們采用Simulink 搭建一個(gè)OFDM 鏈路層系統(tǒng)模型，如圖三所示。由于多徑衰落下的OFDM 信道多出現(xiàn)突發(fā)錯(cuò)誤,而RS 編碼特別實(shí)用于糾正突發(fā)錯(cuò)誤,因此采用RS 編解碼. 同時(shí),發(fā)射端采用QPSK

32、 調(diào)制方式,接受端采用相干解調(diào). 考慮到Rayleigh 衰落和高斯信道對信號(hào)的畸變,采用信道估計(jì)和信道補(bǔ)償策略。整個(gè)系統(tǒng)的流程為:產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)過RS 編碼QPSK調(diào)制OFDM 系統(tǒng)基帶信號(hào)調(diào)制并加入循環(huán)前綴插入保護(hù)間隔并/ 串變換多徑瑞利衰落信道高斯信道串/ 并變換刪除保護(hù)間隔OFDM 系統(tǒng)基帶信號(hào)解調(diào)并刪除循環(huán)前綴進(jìn)行信道估計(jì)進(jìn)行信道補(bǔ)償進(jìn)行0 刪除QPSK解調(diào)RS 譯碼進(jìn)行誤碼率計(jì)算.圖4.1 OFDM仿真系統(tǒng)圖4.2 各模塊及參數(shù)設(shè)計(jì)伯努利信號(hào)發(fā)生器模塊：隨機(jī)產(chǎn)生0，l信號(hào)，出現(xiàn)機(jī)率均為50。RS編碼模塊：采用(15，11)編碼。PSK調(diào)制時(shí)，伯努利信號(hào)發(fā)生器頻率降低，由于仍為(1

33、5，11)編碼，理論上每幀二進(jìn)制數(shù)為1l的倍數(shù)即可，但由于此模塊(圖中Binary hlput RSEncodcr模塊)具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)在(15，11)編碼的情況下，每幀頻率必須為44的倍數(shù)才能使仿真程序正常運(yùn)行并得到正確的結(jié)果。二進(jìn)制轉(zhuǎn)換模塊：4位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為一位十六進(jìn)制QPSK模塊：將星座圖設(shè)為方形或圓形。平均功率選擇1W。選擇方形時(shí)，直接在Simulink調(diào)制模塊中選擇即可。導(dǎo)頻產(chǎn)生模塊：導(dǎo)頻由PN序列發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)過單級(jí)_雙極轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生只包含1和-1的偽隨機(jī)序列。如圖4.2所示4.2 導(dǎo)頻產(chǎn)生模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖OFDM信號(hào)模塊：64個(gè)子載波，選取CP=T4，即CP=16。仿真模型中IFFT與F

34、FT均為64點(diǎn)，為方便比較，在IFFT與FFT之前均未進(jìn)行歸一化。如需歸一化只需分別乘以和除以8。如圖4.3所示圖4.3 OFDM信號(hào)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖瑞利衰落信道模塊：將多普勒頻移設(shè)為200Hz，2徑，時(shí)延分別為0，3S。延遲尋找模塊：顯示輸入輸出信號(hào)間的延遲，為正確建模提供參考。信道估計(jì)模塊：采用LS算法，先比較導(dǎo)頻進(jìn)過傳輸前后的幅度及相位變化，得到信道響應(yīng)，取信道響應(yīng)的倒數(shù)，與接收信號(hào)相乘，得到估計(jì)值。如圖4.4所示圖4.4 信道估計(jì)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖仿真參數(shù)設(shè)計(jì)仿真參數(shù)名每幀OFDM符號(hào)數(shù)短前置碼個(gè)數(shù)長前置碼個(gè)數(shù)每個(gè)OFDM符號(hào)子載波數(shù)編碼方式調(diào)制方式多徑信道參數(shù)信道最大時(shí)延最大多普勒頻移參數(shù)取值1610264RS（15，11）QPSK310Ls200HZ4.3 仿真結(jié)果及分析采用上述系統(tǒng)進(jìn)行仿真,可以得到如圖4.5圖4.6所示的OFDM 基帶信號(hào)波形圖4.5 發(fā)射器輸出的OFDM基帶信號(hào)波形4.6 接收器輸出OFDM基帶信號(hào)波形為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性,同時(shí)給出了OFDM 信號(hào)的歸一化功率譜圖,如圖4.7圖4.8 所示.圖4.7發(fā)射器輸出信號(hào)功率譜圖4.8接收器輸