1、OFDM系統(tǒng)性能分析及仿真論文摘要：論文分析了OFDM系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了OFDM系統(tǒng)的根本模型，并采用IFFT/FFT有效的實(shí)現(xiàn)OFDM信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，設(shè)計(jì)了在僅有高斯白噪聲干擾與信道中同時(shí)存在高斯白噪聲和多徑干擾兩種不同情況的信道下OFDM系統(tǒng)的誤碼特性。同時(shí)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)在系統(tǒng)有保護(hù)間隔與系統(tǒng)無保護(hù)間隔兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式下的誤碼特性，并進(jìn)一步分析了保護(hù)間隔與循環(huán)編碼對(duì)系統(tǒng)誤碼特性的性能的影響。論文關(guān)鍵詞：系統(tǒng),高斯白噪聲信道,多徑干擾信道,性能分析一、前言在傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，整個(gè)信號(hào)頻段被劃分為N個(gè)相互不重疊的頻率子信道用于傳輸獨(dú)立的調(diào)制信號(hào)，然后進(jìn)行頻分復(fù)用，雖然消除了信道間干擾，

2、但是浪費(fèi)了珍貴的頻譜資源，OFDM正交頻分復(fù)用既使用了子信道頻譜相互覆蓋的并行數(shù)據(jù)傳輸和FDM，而且還可以充分利用可用的頻譜資源。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)做一種復(fù)用技術(shù)。OFDM系統(tǒng)將高速信息數(shù)據(jù)編碼后分配到并行的N個(gè)相互正交的子載波上。由于OFDM系統(tǒng)被存在著多個(gè)正交子載波，而且其輸出信號(hào)是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，在這里，我們重點(diǎn)分析它的如下缺點(diǎn)：1易受頻率偏差的影響由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對(duì)他們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求。然而由于無線信道存在時(shí)變性，在傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)無線信號(hào)的頻率偏差，或者由于

3、發(fā)射機(jī)載波頻率與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)使得OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，從而導(dǎo)致子信道間的信號(hào)相互干擾。2存在較高的峰值平均功率比由于多載波調(diào)制系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此如果多個(gè)信號(hào)的相位一致時(shí)，所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)大于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比。這樣就對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求，如果放大器的動(dòng)態(tài)范圍不能滿足信號(hào)的變化，就會(huì)對(duì)信號(hào)帶來畸變，使疊加信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個(gè)子信道信號(hào)之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生相互干擾，使系統(tǒng)系能惡化。二、OFDM系統(tǒng)性能分析1、OFDM原理OFDM由多載波調(diào)制MCM而來的，OF

4、DM把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對(duì)較低的假設(shè)干個(gè)頻率子信道中進(jìn)行傳輸，使頻譜利用率有所提高。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用FDM系統(tǒng)，傳播的信號(hào)需要在兩個(gè)信道之間存在較大的頻率間隔即保護(hù)帶寬來防止干擾，這樣降低了全部的頻譜利用率；然而應(yīng)用OFDM的子載波正交復(fù)用技術(shù)大大減少了保護(hù)帶寬，提高了頻譜利用率。如圖1所示。OFDM的根本原理是將高速信息數(shù)據(jù)編碼后分配到并行的N個(gè)相互正交的子載波上，每個(gè)子載波上的調(diào)制速率很低1/N，調(diào)制符號(hào)的間隔遠(yuǎn)大于信道的時(shí)間擴(kuò)散，從而能夠在具有較大的失真和突發(fā)性脈沖干擾環(huán)境下對(duì)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)提供有效的保護(hù)。由于每個(gè)子信道中的符號(hào)周期性對(duì)增加，可以減輕由無線信道的多徑時(shí)延

5、擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)的影響。這樣MCM就把一個(gè)寬帶頻率選擇性信道劃分為了N個(gè)窄帶平坦衰落信道，從而先天;具有很強(qiáng)的抗多徑衰落和抗脈沖干擾的能力，特別適合于高速無線數(shù)據(jù)傳播。OFDM的頻域編碼和交織在分散并行的數(shù)據(jù)之間建立了聯(lián)系。這樣，有局部衰落或干擾而遭到破壞的數(shù)據(jù)可以通過頻率分量增加局部的接收數(shù)據(jù)得以恢復(fù)，即實(shí)現(xiàn)頻率分集。OFDM選擇時(shí)域相互正交的子載波，它們雖然在頻域相互混疊，卻仍能在接收端被別離出來。所以，OFDM的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是可以利用快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，從而大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。OFDM中的每個(gè)子載波都可以受到相移鍵控或者正交幅度調(diào)制符號(hào)的調(diào)制，這種正交性也可

6、以從頻域角度來理解，在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交的子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波并行傳輸。如圖2所示。圖2：各子信道的信號(hào)頻譜圖很明顯，OFDM符號(hào)頻譜滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)那么，多個(gè)子信道頻譜之間不存在相互干擾，可以防止子信道干擾現(xiàn)象。2、載波頻率偏移對(duì)OFDM系統(tǒng)的影響在單載波系統(tǒng)中，載波頻率的偏移只會(huì)對(duì)接收信號(hào)造成一定的衰減和相位旋轉(zhuǎn)，這可以通過均衡等方法來加以克服。我們知道，OFDM系統(tǒng)是一個(gè)多載波系統(tǒng)，載波頻率的偏移會(huì)導(dǎo)致子信道之間產(chǎn)生干擾，而且對(duì)于要求子載波保持嚴(yán)格同步的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)來說，載波的頻率偏移所帶來的影響就會(huì)更加嚴(yán)重，如果不采取措施對(duì)這種信道間干擾加以克服，就無法

7、通過增大信號(hào)的發(fā)射功率來改善系統(tǒng)的性能。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的頻率偏差導(dǎo)致接收信號(hào)在頻域內(nèi)發(fā)生偏移。如果頻率偏差是子載波間隔的n倍，雖然在載波之間仍然能夠保持正交，但是頻率采樣值已經(jīng)偏移了n個(gè)子載波的位置，由此會(huì)造成映射在OFDM頻譜內(nèi)的數(shù)據(jù)符號(hào)的誤碼率高達(dá)05。如果載波偏差不是子載波間隔的整數(shù)倍，那么在子載波之間就會(huì)存在能量的泄露;，導(dǎo)致子載波之間的正交性遭到破壞，從而在子載波之間引入干擾，使得系統(tǒng)的誤碼率性能惡化，圖3給出了頻率偏差存在與否兩種情況下的信號(hào)頻譜圖。很明顯，在沒有頻率偏差時(shí)，過零點(diǎn)重合，滿足奈奎斯特第一準(zhǔn)那么，各個(gè)載波之間不會(huì)存在干擾。而存在頻率偏差時(shí)，子載波之間就會(huì)存在相互的

8、干擾，干擾的大小與頻率偏差的強(qiáng)度有直接關(guān)系。圖3：頻率偏差不同時(shí)OFDM系統(tǒng)的頻譜結(jié)構(gòu)圖3、峰均比過高對(duì)OFDM系統(tǒng)的影響OFDM符號(hào)由于大量的已調(diào)子信道的信號(hào)的疊加，因此相比一般的信號(hào)水平而言，可能會(huì)有一個(gè)瞬間的很高的峰值。而且，當(dāng)時(shí)域信號(hào)從一個(gè)瞬時(shí)的低功率波形傳到一個(gè)高功率的信號(hào)時(shí)，大信號(hào)幅度的擺幅會(huì)相交，除非信號(hào)發(fā)射器的功率放大器在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)顯示出非常高的線形，否那么將導(dǎo)致一個(gè)高的超出帶寬的諧波失真，從而將會(huì)因相鄰信道之間的干擾而導(dǎo)致信道傳輸質(zhì)量的下降。OFDM合成信號(hào)產(chǎn)生較大的峰值功率，由此帶來較大的峰值平均功率比，簡(jiǎn)稱峰均比。因此，OFDM系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)較大峰值功率信號(hào)的原因在于多個(gè)

9、子載波信號(hào)的疊加。當(dāng)N個(gè)資信號(hào)都以相同的相位求和時(shí)，所得到信號(hào)的峰值功率就會(huì)是平均功率的N倍，此時(shí)系帶信號(hào)的峰值比為，如果N=256的話，OFDM系統(tǒng)的峰均比等于24dB，這是一種非常極端的情況，OFDM系統(tǒng)內(nèi)的峰均比通常也不會(huì)到達(dá)這一數(shù)值。不過，對(duì)于未經(jīng)過調(diào)制的載波來說，其峰均值為0。要想通過降低峰均比改善OFDM的性能，首要任務(wù)需要選擇理想的功率放大器。由于一般的功率放大器都不是線性的，而且其動(dòng)態(tài)范圍也是有限的，所以當(dāng)OFDM系統(tǒng)內(nèi)這種變化范圍較大的信號(hào)通過非線性部件時(shí)，信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生非線性失真，產(chǎn)生諧波，造成較明顯的頻譜擴(kuò)展干擾以及帶內(nèi)信號(hào)畸變，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能的下降。當(dāng)然了，雖然采用大動(dòng)

10、態(tài)范圍的線性放大器能夠?qū)Ψ蔷€性放大器的工作點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，但是功率放大器的效率會(huì)大大降低，絕大局部能量都將轉(zhuǎn)化為熱能被浪費(fèi)掉。這一方法并不適用所有系統(tǒng)。目前還可以采用信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)和編碼方法來減小峰均比從而提高OFDM系統(tǒng)性能。三、用MATLAB對(duì)OFDM信號(hào)仿真的實(shí)現(xiàn)1、OFDM信號(hào)的時(shí)域及頻域波形一個(gè)OFDM符號(hào)之內(nèi)包含多個(gè)經(jīng)過相移鍵控或者正交幅度調(diào)制的子載波。其中，表示子載波的個(gè)數(shù)，表示OFDM符號(hào)的持續(xù)時(shí)間周期，()是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，是第個(gè)子載波的載波頻率，,那么從開始的OFDM符號(hào)可以表示為：(1)其中st的實(shí)部和虛局部別對(duì)應(yīng)于OFDM符號(hào)的同相和正交分量，在實(shí)際中可以分別與

11、相應(yīng)子載波的cos分量和sin分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號(hào)和合成的OFDM符號(hào)。在圖4中給出了OFDM系統(tǒng)根本模型的框圖，其中。在接收端，將接收到的同相和正交矢量映射回?cái)?shù)據(jù)消息，完成子載波解調(diào)。圖4：OFDM系統(tǒng)根本模型框圖OFDM信號(hào)的正交性還可以從頻域角度來解釋。根據(jù)式(1)，每個(gè)OFDM符號(hào)在其周期內(nèi)包括多個(gè)非零的子載波。因此其頻譜可以看作是周期為的矩形脈沖的頻譜與一組位于各個(gè)子載波頻率上的函數(shù)的卷積。矩形脈沖的頻譜幅值為函數(shù)，這種函數(shù)的零點(diǎn)出現(xiàn)在頻率為1/整數(shù)倍的位置上。圖中給出了相互覆蓋的各個(gè)子信道內(nèi)經(jīng)過矩形波形成型得到的符號(hào)的sinc函數(shù)頻譜。在每個(gè)子載波頻率最大值處，所有其他子

12、信道的頻譜值恰好為零。因?yàn)樵趯?duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行解調(diào)的過程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的每個(gè)子載波頻率的最大值，所以可以從多個(gè)相互重疊的子信道符號(hào)中提取每一個(gè)子信道符號(hào)，而不會(huì)受到其他子信道的干擾?？梢钥闯?，OFDM符號(hào)頻譜實(shí)際上可以滿足奈奎斯特準(zhǔn)那么，即多個(gè)子信道頻譜之間不存在相互干擾。因此這種一個(gè)子信道頻譜出現(xiàn)最大值而其它子信道頻譜為零點(diǎn)的特點(diǎn)可以防止載波間干擾ICI的出現(xiàn)。2、OFDM系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)根據(jù)前面的OFDM系統(tǒng)模型框圖，本論文利用Matlab語言編程實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)。為了信號(hào)的有效傳輸，采用QPSK調(diào)制和解調(diào)方式，為了消除碼間干擾和多徑干擾造成的影響，還插入了保護(hù)間隔和循環(huán)編碼。仿真

13、了具有64個(gè)子載波，保護(hù)間隔為16點(diǎn)，每幀包含5個(gè)符號(hào)的OFDM系統(tǒng)。為了分析保護(hù)間隔和循環(huán)編碼對(duì)系統(tǒng)誤碼性能的影響，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)特別設(shè)計(jì)了兩種不同的方式，即帶有保護(hù)間隔和循環(huán)編碼的實(shí)現(xiàn)方式與無保護(hù)間隔的實(shí)現(xiàn)方式。進(jìn)一步分析了在不同信道環(huán)境下系統(tǒng)的性能。信道包括高斯白噪聲干擾與多徑干擾兩種情況。1高斯白噪聲環(huán)境下系統(tǒng)的性能圖5：高斯白噪聲環(huán)境下采用QPSK調(diào)制解碼前后的仿真曲線圖5中這兩條曲線表示隨著信噪比的增加，系統(tǒng)的誤碼率隨之減小，這恰恰反映了通信系統(tǒng)有效性和可靠性的矛盾所在。在高斯白噪聲環(huán)境下QPSK在信道解碼前的誤碼率要高于信道解碼后的誤碼率。這也恰恰說明了信道編碼的優(yōu)勢(shì)所在。它不僅可

14、以提高傳輸速率同時(shí)可以增加糾錯(cuò)能力。隨著信噪比的增加，信道編解碼的優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)了出來，信道編解碼后的誤碼率小于信道編解碼前的誤碼率。2多經(jīng)干擾環(huán)境下系統(tǒng)的性能圖6中藍(lán)色的曲線表示系統(tǒng)經(jīng)過OFDM調(diào)制后在多徑干擾下的誤碼性能，紅色的曲線表示系統(tǒng)不經(jīng)過OFDM調(diào)制情況下在多徑干擾下的誤碼性能，可以看出，OFDM調(diào)制可以降低多徑干擾帶來的影響，使誤碼性能得到改善。圖6：在多徑干擾下的誤碼特性比擬不同信道下，OFDM系統(tǒng)的性能差異很大，當(dāng)系統(tǒng)采用保護(hù)間隔措施時(shí)，可以在一定程度上克服多徑衰落帶來的信道間干擾，使誤碼率下降，但付出的代價(jià)是使系統(tǒng)的容量變小。下面給出在系統(tǒng)有保護(hù)間隔和無保護(hù)間隔時(shí)，系統(tǒng)的誤碼特性。藍(lán)色的線表示在系統(tǒng)有保護(hù)間隔和循環(huán)編碼下的系統(tǒng)誤碼率，紅色的曲線表示在系統(tǒng)無保護(hù)間隔下的誤碼率。四、結(jié)束語本論文主要介紹了利用仿真軟件MATLAB實(shí)現(xiàn)了OFDM信號(hào)的產(chǎn)生同時(shí)分析了其工作性能。雖然OFDM技術(shù)有其自身的缺點(diǎn)，但是由于OFDM高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾的能力，OFDM易于結(jié)合空時(shí)編碼、分集、干擾抑制以及智能天線等技術(shù)，最大程度地提高物理層的可靠性。如果再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼以及動(dòng)態(tài)子載波分配、動(dòng)態(tài)比特分配等算法，可以使其