1、-. z.基于MATLAB的OFDM系統(tǒng)設(shè)計與仿真摘要：隨著通信產(chǎn)業(yè)的逐步開展，4G時代已經(jīng)降臨。作為第四代移動通信技術(shù)的核心，OFDM得到了前所未有的關(guān)注。它具有頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。本文首先簡要介紹了OFDM的開展?fàn)顩r以及優(yōu)缺點，然后詳細(xì)分析了OFDM的工作原理及其相應(yīng)的各個模塊，并介紹了它的關(guān)鍵技術(shù)。最后，分別利用M函數(shù)和Simulink做了OFDM系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，并對誤碼率進(jìn)展了分析，得到了BER性能曲線。關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用；MATLAB；仿真；BERDesign and Simulation of OFDM System Based on MATLABAbstract

2、: With the gradual development of the munication industry, 4G era has e. As the key technology of the fourth generation mobile munications,OFDM has received unprecedented attention. It has a high spectrum utilization, strong ability of anti-interference and so on. This article describes the developm

3、ent of OFDM and its advantages and disadvantages briefly, analysis the working principles of OFDM and each module detailed,and describes its key technology.At last, design and simulate OFDM system with the M function and Simulink separately, analysis the error rate and obtain BER performance curve .

4、Keywords: OFDM; MATLAB; Simulation; BER目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc3885374971 引言 PAGEREF _Toc388537497 h 4HYPERLINK l _Toc3885374981.1 OFDM概述 PAGEREF _Toc388537498 h 4HYPERLINK l _Toc3885374991.1.1 OFDM技術(shù)開展歷史 PAGEREF _Toc388537499 h 4HYPERLINK l _Toc3885375001.1.2 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點 PAGEREF _Toc3885

5、37500 h 5HYPERLINK l _Toc3885375012 OFDM根本原理及關(guān)鍵技術(shù) PAGEREF _Toc388537501 h 5HYPERLINK l _Toc3885375022.1 OFDM根本原理及系統(tǒng)構(gòu)成 PAGEREF _Toc388537502 h 5HYPERLINK l _Toc3885375032.1.1 OFDM根本原理 PAGEREF _Toc388537503 h 5HYPERLINK l _Toc3885375042.1.2 串并轉(zhuǎn)換 PAGEREF _Toc388537504 h 6HYPERLINK l _Toc3885375052.1.3

6、調(diào)制與解調(diào) PAGEREF _Toc388537505 h 6HYPERLINK l _Toc3885375062.1.4 保護(hù)間隔與循環(huán)前綴 PAGEREF _Toc388537506 h 8HYPERLINK l _Toc3885375072.2 OFDM的關(guān)鍵技術(shù) PAGEREF _Toc388537507 h 10HYPERLINK l _Toc3885375082.2.1 信道估計概述 PAGEREF _Toc388537508 h 10HYPERLINK l _Toc3885375092.2.2 基于導(dǎo)頻的信道估計方法 PAGEREF _Toc388537509 h 10HYPER

7、LINK l _Toc3885375102.2.3 信道的插值方法 PAGEREF _Toc388537510 h 11HYPERLINK l _Toc3885375113 OFDM的系統(tǒng)設(shè)計與仿真 PAGEREF _Toc388537511 h 12HYPERLINK l _Toc3885375123.1 MATLAB概述 PAGEREF _Toc388537512 h 12HYPERLINK l _Toc3885375133.2 OFDM系統(tǒng)設(shè)計與仿真PAGEREF _Toc388537513 h 12HYPERLINK l _Toc3885375143.2.1 隨機(jī)序列的產(chǎn)生 PAGER

8、EF _Toc388537514 h 12HYPERLINK l _Toc3885375153.2.2 串并轉(zhuǎn)換 PAGEREF _Toc388537515 h 14HYPERLINK l _Toc3885375163.2.3 QPSK調(diào)制 PAGEREF _Toc388537516 h 14HYPERLINK l _Toc3885375173.2.4 QPSK調(diào)制星座圖 PAGEREF _Toc388537517 h 14HYPERLINK l _Toc3885375183.2.5 IFFT/FFT運(yùn)算 PAGEREF _Toc388537518 h 15HYPERLINK l _Toc38

9、85375193.2.6 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴 PAGEREF _Toc388537519 h 16HYPERLINK l _Toc3885375203.2.7 并串轉(zhuǎn)換 PAGEREF _Toc388537520 h 16HYPERLINK l _Toc3885375213.2.8 參加高斯白噪聲 PAGEREF _Toc388537521 h 17HYPERLINK l _Toc3885375223.2.9 QPSK解調(diào) PAGEREF _Toc388537522 h 17HYPERLINK l _Toc3885375233.2.10 接收信號 PAGEREF _Toc388537523 h

10、 18HYPERLINK l _Toc3885375243.3 系統(tǒng)誤碼率的分析 PAGEREF _Toc388537524 h 18HYPERLINK l _Toc3885375253.4 基于Simulink的系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc388537525 h 19HYPERLINK l _Toc3885375264 總結(jié) PAGEREF _Toc388537526 h 21HYPERLINK l _Toc388537527參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc388537527 h 21HYPERLINK l _Toc388537528附錄 PAGEREF _Toc388537528

11、h 221 引言1.1 OFDM概述隨著移動通信和無線網(wǎng)需求的不斷增長，需要越來越高速的無線系統(tǒng)設(shè)計，而這其中一個最直接的挑戰(zhàn)就是克制無線信道帶來的嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)可以很好地克制無線信道的頻率選擇性衰落。由于其簡單高效，OFDM已成為實現(xiàn)高速無線通信系統(tǒng)中最核心的技術(shù)之一。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple*ing)是一種特殊的多載波傳輸方式，由于各子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜互相重疊，與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM可以最大限度的利用頻譜資源，使得頻譜利用率提高近一倍。同時它把高速數(shù)據(jù)通過串并轉(zhuǎn)

12、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，降低了子信道的信息速率，將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)換為平坦衰落信道，從而具有良好的抗噪聲、抗多徑干擾的能力，適合在頻率選擇性衰落信道中進(jìn)展高速數(shù)據(jù)的傳輸。此外，在OFDM中引入循環(huán)前綴，克制了OFDM相鄰塊之間的干擾(IBI)，保持了載波間的正交性，同時循環(huán)前綴長度大于信道擴(kuò)展長度，有效地抑制了碼間干擾(ISI)。可以看出，OFDM技術(shù)抗多徑能力強(qiáng)、頻譜利用率高、易于實現(xiàn)的優(yōu)勢，對短波數(shù)據(jù)通信具有廣闊的應(yīng)用價值，為提高短波通信頻譜利用率和傳輸速率提供了新的解決方案1。1.1.1 OFDM技術(shù)開展歷史正交頻分復(fù)用技術(shù)己有近40年的開展歷史，其概念最早出

13、現(xiàn)于20世紀(jì)50年代中期。20世紀(jì)60年代，人們對多載波調(diào)制(MCM)技術(shù)進(jìn)展了許多理論上的研究，形成了并行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用的思想。20世紀(jì)80年代，人們對多載波調(diào)制在高速Modem、數(shù)字移動通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展了較為深入的研究。到了90年代，數(shù)字信號處理技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的飛速開展，又為OFDM技術(shù)的實現(xiàn)掃除了障礙。此時，OFDM技術(shù)終于登上了通信的舞臺。1999年12月，包括Ericsson，Nokia和Wi-LAN在內(nèi)的7家公司發(fā)起了國際OFDM論壇，致力于籌劃一個基于OFDM技術(shù)的全球性單一標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在OFDM論壇的成員已增加到46個會員，其中15個為主要會員。我國的信息產(chǎn)業(yè)部也

14、參加了OFDM論壇，可見OFDM在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用在當(dāng)時已引起國內(nèi)通信界的重視2。1.1.2 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點OFDM技術(shù)主要有如下幾個優(yōu)點：(1)抗衰落能力強(qiáng)(2)頻率利用率高(3)適合高速數(shù)據(jù)傳輸(4)抗碼間干擾能力強(qiáng)OFDM技術(shù)的缺乏之處包括：(1)對頻偏和相位噪聲比擬敏感(2)峰均值比大導(dǎo)致射頻放大器功率效率低2 OFDM根本原理及關(guān)鍵技術(shù)2.1 OFDM根本原理及系統(tǒng)構(gòu)成OFDM由大量在頻率上等間隔的子載波構(gòu)成(設(shè)共有N個載波)，各載波可用同一種數(shù)字調(diào)制方法，或不同的載波使用不同的調(diào)制方法，將高速串行數(shù)據(jù)分成多路并行的低速數(shù)據(jù)加以調(diào)制，所以O(shè)FDM實際上是一種并行調(diào)制方案，將符

15、號周期延長N倍，從而提高了抗多徑衰落的抵抗能力。在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用中，各載波的信號頻譜互不重疊，頻帶利用率較低。在OFDM系統(tǒng)中，各子載波在整個符號周期上是正交的，即加于符號周期上的任何兩個載波的乘積等于零，因此各子載波信號頻譜可以相互重疊，大大提高了頻帶利用率。根本原理OFDM技術(shù)的根本思想是把一個高速的數(shù)據(jù)流分解成很多低速的子數(shù)據(jù)流，以并行的方式在多個子載波上傳輸，子載波間彼此保持相互正交的關(guān)系以消除子載波間數(shù)據(jù)的干擾，并且每個子載波可以看成一個獨立的子信道。由于每個子信道的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，當(dāng)信號通過無線頻率選擇性衰落信道時，雖然整個信號頻帶內(nèi)信道是有衰落的，但是每個子信道可以近似看成是平

16、坦的，因此只要通過簡單的頻域均衡就可以消除頻率選擇性衰落信道的影響，同時利用IFFT/FFT的周期循環(huán)特性，在每個傳輸符號前加一段循環(huán)前綴，可以消除多徑信道的影響，防止碼間干擾3。2.1.2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。但在并行數(shù)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(jìn)展串并變換，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(yīng)調(diào)節(jié)，所以每個子載波的調(diào)制模式是可變化的。每個子載波可傳輸?shù)谋忍財?shù)

17、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)。2.1.3調(diào)制與解調(diào)一個OFDM符號間之內(nèi)包含多個經(jīng)過相移鍵控(PSK)或者正交幅度調(diào)制(QAM)的子載波。其中，N表示子載波的個數(shù)，T表示OFDM符號的持續(xù)時間(周期)，是第i個子載波的載波頻率，矩形函數(shù)，則從開場的OFDM符號可以表示為： QUOTE (1)一旦將要傳輸?shù)谋忍胤峙涞礁鱾€子載波上，*一種調(diào)制模式將它們映射為子載波的幅度和相位，通常采用等效基帶信號來描述OFDM的輸出信號 QUOTE (2)式(2)中，s(t)的實部和虛局部別對應(yīng)于OFD

18、M符號的同相和正交分量，在實際系統(tǒng)中可以分別與相應(yīng)子載波的cos分量和sin分量相乘，構(gòu)成最終的子載波信號和合成的OFDM符號。根據(jù)式(1)，每個OFDM符號在其周期T內(nèi)包括多個非零的子載波。因此其頻譜可以看作是周期為T的矩形脈沖的頻譜與一組位于各個子載波頻率上的函數(shù)的卷積。矩形脈沖的頻譜幅值為sinc(fT)函數(shù)，這種函數(shù)的零點出現(xiàn)在頻率為1/T整數(shù)倍的位置上。圖1OFDM系統(tǒng)中子信道符號的頻譜圖1中給出了相互覆蓋的各個子信道內(nèi)經(jīng)過矩形脈沖得到的符號的sinc函數(shù)頻譜。在每個子載波頻率的最大值處，所有其它子信道的頻譜值恰好為0。由于在對OFDM符號進(jìn)展解調(diào)的過程中，需要計算這些點上所對應(yīng)的每

19、個子載波頻率的最大值，因此可以從多個相互重疊的子信道符號中提取每一個信道符號，而不會受到其它子信道的干擾。從圖1可以看出，OFDM符號頻譜實際上可以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，即多個子信道頻譜之間不存在相互干擾。因此這種一個子載波頻譜出現(xiàn)最大值而其它子信道頻譜為零的特點可以防止載波間干擾(ICI)4。2.1.4 IDFT/DFT變換對于N比擬大的系統(tǒng)來說，式(2)中的OFDM復(fù)等效基帶信號可以采用離散傅立葉逆變換來實現(xiàn)?？梢粤钍?2)中的，并且忽略矩形函數(shù)，對信號s(t)以T/N的速率進(jìn)展抽樣，即令可以得到：(3)可以看到， QUOTE 等效為對 QUOTE 進(jìn)展IDFT運(yùn)算。同樣在接收端，為了恢復(fù)出原

20、來的數(shù)據(jù)符號 QUOTE ，可以對 QUOTE 進(jìn)展逆變換，即DFT得到：(4)由此可見，OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以分別由IDFT和DFT來代替。通過N點的IDFT運(yùn)算，把頻域數(shù)據(jù)符號變換為時域數(shù)據(jù)符號 QUOTE ，經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到無線信道中，其中每個IDFT輸出的數(shù)據(jù)符號 QUOTE 是由所有子載波信號經(jīng)過疊加而生成的，即對連續(xù)的多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的疊加信號進(jìn)展抽樣得到的5。2.1.4 保護(hù)間隔與循環(huán)前綴應(yīng)用OFDM的一個重要原因在于它可以有效的對抗多徑時延擴(kuò)展。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(kuò)大為原始數(shù)據(jù)符號周期的N倍，因此，

21、時延擴(kuò)展與符號周期的數(shù)值比也同樣降低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(hù)間隔(GI)，而且該保護(hù)間隔長度一般要大于無線信道中的最大時延擴(kuò)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(hù)間隔內(nèi)，可以不插入任何信號，即是一段空閑的傳輸時段。然而在這種情況下，由于多徑傳播的影響，則會產(chǎn)生載波間干擾(ICI)，即子載波之間的正交性遭到破壞。為了消除由于多徑所造成的ICI，OFDM符號需要在其保護(hù)間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號。由此會帶來功率和信息速率的的損失，其中功率損失可以定義為：(5)從式(5)可以看出，當(dāng)保護(hù)間隔占到20%時，功率損失也不會超過1dB。但

22、是帶來的信息速率損失卻達(dá)20%。但由于插入保護(hù)間隔可以消除ISI和多徑所造成的ICI的影響，因此這個代價是值得的。串并串并變換IDFT或IFFT并串轉(zhuǎn)換插入保護(hù)間隔DAC多徑信道加性白高斯噪聲ADC去除保護(hù)間隔串并轉(zhuǎn)換DFT或FFT并串變換輸入輸出圖2 插入保護(hù)間隔之后的OFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)框圖此時OFDM的符號周期：(6)保護(hù)間隔的離散長度，即采樣點個數(shù)為： (7)這樣根據(jù)圖2，包含保護(hù)間隔、功率歸一化的OFDM的抽樣序列為： (8)接收信號y(t)經(jīng)過A/D變換后得到承受序列，,是對y(t)按T/N的抽樣速率得到數(shù)字抽樣。ISI只會對接收序列的前個樣點形成干擾，因此將前個樣點去掉，就可完全消

23、除ISI的影響。對去掉保護(hù)間隔的序列，進(jìn)展DFT變換，可得到DFT輸出的多載波解調(diào)序列，得到N個復(fù)數(shù)點：(9)通過適中選擇子載波個數(shù)N，可以使信道響應(yīng)平坦，插入保護(hù)間隔還有助于保持子載波之間的正交性，因此OFDM有可能完全消除ISI和多徑帶來的ICI的影響，接收信號的頻域表達(dá)式為： (10)其中為第n個子載波的復(fù)衰落系數(shù)，代表第n個信道上的加性高斯白噪聲AWGN，實部與虛部均服從零均值高斯分布，且相互獨立。噪聲方差為： (11)2.2OFDM的關(guān)鍵技術(shù)1. 時域和頻域同步2. 信道估計3. 信道編碼和交織.2.2.1信道估計概述無線通信系統(tǒng)的性能受到無線信道的制約。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路徑

24、非常復(fù)雜，從簡單的視距傳播到各種復(fù)雜的地貌如建筑物、山脈和森林等影響的傳播。此外，無線信道不像有線信道那樣固定并可預(yù)見，而且無線信道具有很大的隨機(jī)性，這導(dǎo)致接收信號的幅度、相位和頻率失真難以進(jìn)展分析。這些問題對接收機(jī)的設(shè)計提出了很大的挑戰(zhàn)，因此在接收機(jī)中，信道估計器是一個很重要的局部。OFDM系統(tǒng)中，信道估計器的設(shè)計主要有兩個問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇，因為無線信道的時變特性，需要接收機(jī)不斷對信道進(jìn)展跟蹤，所以導(dǎo)頻信息必須不斷的傳送；二是既有較低的復(fù)雜度又有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力的信道估計器設(shè)計，在確定導(dǎo)頻發(fā)送方式和信道估計準(zhǔn)則條件下，尋找最正確的信道估計器構(gòu)造。2.2.2基于導(dǎo)頻的信道估計方法基于

25、導(dǎo)頻信道的方法是在系統(tǒng)中設(shè)置專用導(dǎo)頻信道來發(fā)送導(dǎo)頻信號。由于OFDM系統(tǒng)具有時頻二維構(gòu)造，所以采用導(dǎo)頻符號輔助信道估計更加靈活。所謂基于導(dǎo)頻符號的信道估計是指在發(fā)送端的信號中的*些位置插入接收端己知的符號或序列，接收端利用這些信號或序列受傳輸信道衰落影響的程度，再根據(jù)*些算法來估計信道的衰落性能，當(dāng)然也可以用MMSE最小均方誤差和LS最小平方算法，這一技術(shù)叫作導(dǎo)頻信號輔助(PSAM)。在各種衰落估計技術(shù)中，PSAM是一種有效的技術(shù)。在單載波系統(tǒng)中，導(dǎo)頻符號或序列只能在時間方向上插入，在接收端提取導(dǎo)頻信號估計信道的沖擊響應(yīng)。但是在多載波系統(tǒng)中，導(dǎo)頻信號可以在時間和頻率兩個方向上插入，在接收端可提

26、取導(dǎo)頻信號估計信道的傳遞函數(shù)。只要導(dǎo)頻信號在時間和頻率方向上間隔對于信道帶寬足夠小，就可以采用二維內(nèi)插濾波的方法來估計傳遞函數(shù)，當(dāng)然也可以采用別離的一維估計?？紤]到實現(xiàn)的復(fù)雜度，信道估計準(zhǔn)則選用LS估計準(zhǔn)則。2.2.3信道的插值方法插值方法有常值內(nèi)插、線性內(nèi)插和DFT插值。常值內(nèi)插一般用在塊狀導(dǎo)頻構(gòu)造中，是比擬簡單的插值方法，本文接下來就來討論LS算法下不同插值方式下對信道的估計。首先線性內(nèi)插是最簡單也是最傳統(tǒng)的內(nèi)插方法之一，它利用兩個導(dǎo)頻信號來進(jìn)展內(nèi)插估計。時間方向的線性內(nèi)插的公式為：(12)其中 , 。同理，可以得到頻率方向的一階線性內(nèi)插的公式為：(13)其次是DFT插值，由于信道沖擊響應(yīng)

27、與信道傳輸函數(shù)是傅氏變換對，內(nèi)插可以利用DFT的性質(zhì)。但是DFT插值一般用在基于梳狀導(dǎo)頻的構(gòu)造中設(shè)信道沖擊響應(yīng)為，0，00。信道的傳輸函數(shù)為：， (14)取整數(shù)，且N是M的整數(shù)倍，對信道傳輸函數(shù)在頻率方向以N/M為間隔進(jìn)展抽取，得到其中的元素是： (15)可以看出，由頻率的M個抽樣值可以恢復(fù)信道沖擊響應(yīng)，再進(jìn)展N點的DFT就可以得到所有子信道的傳輸函數(shù)值。至于常值插入比擬簡單就不再贅述。3 OFDM的系統(tǒng)設(shè)計與仿真3.1MATLAB概述MATLAB是Mathworks公司推出的一套高性能數(shù)值計算軟件。MATLAB是矩陣實驗室(Marti* Laboratory)之意。MATLAB除具備卓越的數(shù)

28、值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB的根本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)方式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，因此用MATLAB來解決問題要比C、FORTRAN等語言完成一樣的事情簡捷得多6。MATLAB在數(shù)學(xué)計算以外的其他科學(xué)計算與工程領(lǐng)域的應(yīng)用也是越來越廣，并且有著更廣闊的應(yīng)用前景和無窮無盡的潛能。它可以將使用者從繁瑣的底層編程中解放出來，這樣無疑會提高工作效率。MATLAB的一大特點是提供了很多專用的工具箱和模塊庫，例如通信工具箱和模塊庫、數(shù)字信號處理工具箱和模塊庫、控制工具箱和模塊庫等。MATLAB在這些工具箱和模塊庫中提供了

29、很多常用的函數(shù)和模塊，使得仿真更容易實現(xiàn)。目前，MATLAB的功能越來越強(qiáng)大，不斷適應(yīng)新的要求提出新的解決方法?？梢灶A(yù)見，MATLAB在科學(xué)計算、自動控制、科學(xué)繪圖、通信仿真等領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)保持其獨一無二的地位7。3.2 OFDM系統(tǒng)設(shè)計與仿真3.2.1 隨機(jī)序列的產(chǎn)生假設(shè)仿真參數(shù)為：子載波個數(shù)為64，IFFT/FFT的長度為64，調(diào)制方式選用QPSK調(diào)制。為了最大限度的減少插入保護(hù)間隔帶來的信噪比損失，希望OFDM周期長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于保護(hù)間隔長度，但是OFDM符號周期越大，系統(tǒng)中包括的子載波數(shù)越多，使子載波間隔相應(yīng)減少，系統(tǒng)的復(fù)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

30、。因此在實際應(yīng)用中，一般選擇符號周期長度是保護(hù)間隔長度的5倍，這樣由于插入保護(hù)比特所造成的信噪比損失只有1dB左右。所以保護(hù)間隔的長度為有效符號周期的1/4，即為IFFT/FFT長度的1/4，故設(shè)循環(huán)前綴的長度為16，每幀含有2個OFDM符號，信噪比為10dB。OFDM系統(tǒng)的MATLAB仿真流程如圖3。隨機(jī)整數(shù)序列的產(chǎn)生隨機(jī)整數(shù)序列的產(chǎn)生開場QPSK調(diào)制串并轉(zhuǎn)換插入保護(hù)間隔IFFT運(yùn)算參加高斯噪聲移除保護(hù)間隔FFT運(yùn)算QPSK調(diào)制并串轉(zhuǎn)換判決輸出結(jié)果圖3OFDM系統(tǒng)仿真框圖設(shè)para表示并行傳輸?shù)男诺纻€數(shù)，Ns表示每一幀所含有的OFDM符號個數(shù)，ml為調(diào)制電平數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)知道para=64

31、，Ns=2。由于QPSK利用載波四種不同的相位來表征數(shù)字信息，而每一種載波相位代表2比特信息，所以ml=2。由此可知64個并行傳輸信道要傳送4個幀的OFDM符號，而每一幀含有2個OFDM符號，每個符號又含有2比特的信息量，故總的信息量為三者的乘積。通過式子para*Ns*ml可以計算得出串行序列的長度為256。序列的波形如圖4。圖4 發(fā)送端隨機(jī)序列3.2.2串并轉(zhuǎn)換串并轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法很多，在MATLAB里，reshape用來把指定的矩陣改變形狀，但是元素個數(shù)不變。在本程序中采用reshape函數(shù)來實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)參數(shù)中，并行信道的個數(shù)為64，信息量為256比特。因此將序列轉(zhuǎn)換成64行4列的矩

32、陣，函數(shù)設(shè)置為reshape(Signal,64,4)，Signal表示發(fā)送端的串行序列。前64bit的數(shù)據(jù)變?yōu)榈谝涣校S后的64bit變?yōu)榈诙?，以此類?轉(zhuǎn)換之后得到的并行數(shù)據(jù)為64行4列的矩陣，用paradata來表示。3.2.3 QPSK調(diào)制本文中采用的是B方式時的QPSK的調(diào)制方式。在進(jìn)展調(diào)制之前，需要將串并轉(zhuǎn)換得來的并行數(shù)據(jù)信號paradata分成兩路，I路和Q路的數(shù)據(jù)都為32行2列的矩陣。I路和Q路的矩陣通過自定義函數(shù)qpskmod()的處理后，數(shù)據(jù)1保持不變，數(shù)據(jù)0則變?yōu)?1。處理后的矩陣為ich與qch。矩陣ich和qch分別再乘以系數(shù)，生成新矩陣ich1和qch1，將矩陣組

33、合起來將頻域數(shù)據(jù)變?yōu)闀r域數(shù)據(jù)完成調(diào)制。通過將上述的發(fā)送段的并行數(shù)據(jù)進(jìn)展調(diào)制后得到時域的數(shù)據(jù)為qpsk_*。調(diào)制后的波形如圖5所示。圖5 QPSK調(diào)制后的波形3.2.4 QPSK調(diào)制星座圖為了能夠很好的觀察到qpsk的調(diào)制，在程序中將qpsk調(diào)制的星座圖畫了出來。程序運(yùn)行后得到的圖形為圖6。圖6 調(diào)制后的星座圖3.2.5 IFFT/FFT運(yùn)算在MATLAB軟件里可以使用函數(shù)fft()和ifft()來對數(shù)據(jù)進(jìn)展FFT/IFFT運(yùn)算，可以省去很多復(fù)雜的運(yùn)算。運(yùn)算后的波形如圖7所示。圖7 IFFT變換后的波形3.2.6 保護(hù)間隔和循環(huán)前綴在實際應(yīng)用中通過引入循環(huán)前綴形成保護(hù)間隔(GI)，從而有效地對抗

34、由于多徑時延帶來的碼間干擾，方法是在時域內(nèi)把OFDM符號后面局部插入到該符號的開場局部，形成循環(huán)前綴。保護(hù)間隔的長度應(yīng)該大于多徑時延擴(kuò)展的最大值。在OFDM符號中參加保護(hù)間隔和循環(huán)前綴的示意圖如圖8。將通過IFFT運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)展實虛、局部離，得到的結(jié)果為ich2與qch2。圖8 參加保護(hù)間隔的OFDM符號在MATLAB里采用一些特殊運(yùn)算符號和矩陣就可實現(xiàn)將每個符號的后時刻的采樣點復(fù)制到OFDM符號的前面。冒號在MATLAB里是一種特殊的運(yùn)算符號，ich2(fl-gl+1:fl,:)表示將矩陣ich2中的第(fl-gl+1)行到最后一行輸出出來，再將輸出的數(shù)據(jù)加到原來的矩陣上形成新的矩陣

35、ich3，即完成了插入保護(hù)間隔和循環(huán)前綴的參加，同理虛部的實現(xiàn)也是一樣的。具體實現(xiàn)為：ich3=ich2(fl-gl+1:fl,:);ich2; qch3=qch2(fl-gl+1:fl,:);qch2; 3.2.7 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(jìn)展傳輸。并串轉(zhuǎn)換分別對實部和虛部進(jìn)展，程序中依然采用reshape()函數(shù)來進(jìn)展變換。具體實現(xiàn)為：ich4=reshape(ich3,1,(fl+gl)*Ns); qch4=reshape(qch3,1,(fl+gl)*Ns); 參加高斯白噪聲白噪聲是根據(jù)噪聲的功率譜密度是

36、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。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)*道噪聲為高斯型白噪聲。其原因在于，高斯型白噪聲可用具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式表述。在MATLAB軟件里產(chǎn)生高斯噪聲的函數(shù)一般有兩個，WGN和AWGN。本程序正是采用的ReData=awgn(TrData，SNR，measured)來給發(fā)射數(shù)據(jù)TrData參加高斯噪聲。參加噪聲后波形如圖9所示。圖9 參加噪聲后的波形3.2.9 QPSK解調(diào)在進(jìn)展解調(diào)之前，信號要完成去掉保護(hù)間隔和進(jìn)展FFT運(yùn)算的任務(wù)。去掉保護(hù)間隔也就可以去掉符號間的干擾。 接收信號完成解調(diào)之后下面

37、就是進(jìn)展解調(diào)信號的判決得到接收信號。程序中將接收端信號的波形輸了出來，如圖10。通過將圖中發(fā)送數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)展比照發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過OFDM系統(tǒng)的傳輸后，信號的誤碼率為0，對抗碼間干擾和時延擴(kuò)展有很好的效果。實際OFDM系統(tǒng)中，子載波的數(shù)目較大時，系統(tǒng)的誤碼率也是非常低的。圖10 接收端信號的波形3.3 系統(tǒng)誤碼率的分析通過比擬發(fā)送端和接收端的信號是否一樣，用bit_error_count來計算錯誤的個數(shù)，total_bits表示總的個數(shù)，則誤碼率bite_error_rate等于兩者之比。系統(tǒng)的仿真參數(shù)為：64個子載波，IFFT/FFT長度為64，采用QPSK調(diào)制，循環(huán)前綴的長度為16，每幀含

38、有2個OFDM符號，沒有采用前向糾錯碼，信噪比*圍為010dB，誤碼率波形如圖11所示。圖11 BER性能曲線通過仿真可以看出，OFDM在高斯信道具有比擬良好的性能，信噪比在比擬大的時候，誤碼率比擬低。3.4 基于Simulink的系統(tǒng)仿真1998年7月，經(jīng)過屢次修改，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)組決定選擇OFDM作為在無限局域網(wǎng)WLAN)上5GHz頻段的物理層接入方案(IEEE802.11a)，目標(biāo)是提供6Mb/s到54Mb/s數(shù)據(jù)速率，這是OFDM第一次被用于分組業(yè)務(wù)通信當(dāng)中。此后，ETSI,BRAN及MMAC也紛紛采用OFDM作為其物理層標(biāo)準(zhǔn)。在Simulink中有一個自帶的802.11a的

39、演示模型，如圖12所示。圖12 Simulink中的IEEE802.11a系統(tǒng)模型開場運(yùn)行仿真后，可以看到參數(shù)的變化，如圖13所示。圖13 顯示波形從圖13中可以看到未均衡與均衡后的承受信號，R*信號功率譜，均衡后的功率，SNR，比特速率以及BER等。4總結(jié)OFDM是一種能夠?qū)褂啥鄰剿ヂ湫诺涝斐傻姆栭g干擾的有效技術(shù)，它可以在頻率選擇性衰落信道中實現(xiàn)高速率的無線通信。如今隨著國家對通信產(chǎn)業(yè)的日益重視與扶持，并在前段時間發(fā)放了4G牌照，各大運(yùn)營商也開場如火如荼的開展4G技術(shù)，4G時代已經(jīng)拉開帷幕。OFDM技術(shù)作為一種高效的調(diào)制技術(shù)，作為第四代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)日益得到人們的重視，

40、開展這方面的研究具有很強(qiáng)的理論和現(xiàn)實意義。本文首先對OFDM做了一個整體的概括，包括它的應(yīng)用領(lǐng)域、開展歷史以及優(yōu)缺點，并對OFDM的每個模塊進(jìn)展了詳細(xì)的說明，通過代碼實現(xiàn)并得到了相應(yīng)的仿真波形，并且利用Simulink對OFDM系統(tǒng)做了整體的仿真，最后得到了星座圖及BER性能曲線，得到了一般結(jié)論。當(dāng)然，本文還有很多缺乏之處。在驗證OFDM系統(tǒng)的抗干擾能力中，對于各種信道，包括高斯白噪聲、Rice信道、Jake移動信道、多徑衰落信道等的特性應(yīng)該進(jìn)展深入的分析和探討，這樣才能更加準(zhǔn)確地研究OFDM系統(tǒng)對它們的抗干擾性能。由于本人能力有限，沒能很好的完成這些方面的研究。在信道編碼方面，本論文只是分析

41、了卷積和交織編碼，對于其它編碼方式，例如分組編碼，格雷碼等，以及與QAM等調(diào)制方式的結(jié)合未能進(jìn)展仿真。另外，OFDM還有很多其它關(guān)鍵技術(shù)需要深入的研究。這些都是進(jìn)一步提升OFDM性能需要進(jìn)展的工作。參考文獻(xiàn)1 彭木根, 王文博. 下一代寬帶無線通信系統(tǒng)OFDM與WiMA*M. : 機(jī)械工業(yè), 2007: 46-532 曹一. 基于Simulink的OFDM通信系統(tǒng)仿真分析D. *: *大學(xué), 2009.3 *海濱.正交頻分復(fù)用與關(guān)鍵技術(shù)M.: 國防工業(yè), 2006.4 *暉,徐淑正,楊華中等. OFDM在短波通信中的應(yīng)用J. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2005.95 高西全, 丁美玉. 數(shù)字信號處理M.

42、 *: *電子科技大學(xué), 2008.6 *衛(wèi)國. MATLAB程序設(shè)計與應(yīng)用M. : 高等教育, 2011.7 徐明遠(yuǎn), 邵玉斌. MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用M. *: *電子科技大學(xué), 2006附錄主程序：clc; clear;SNR=10;% 信噪比fl=64; % 設(shè)置FFT長度Ns=2; %設(shè)置一個禎構(gòu)造中OFDM信號的個數(shù)para=64;%設(shè)置并行傳輸?shù)淖虞d波個數(shù)sr=250000; %符號速率br=sr.*2;% 每個子載波的比特率gl=16;%保護(hù)時隙的長度nloop=20;%仿真循環(huán)次數(shù)noe=0; %誤碼數(shù)nod=0; %傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量eop=0; %誤組數(shù)no

43、p=0; %傳輸?shù)姆纸M數(shù)for iii=1:20;SNR=SNR-0.5;%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_*=ich1+qch1.*sqrt(-1);%頻域數(shù)據(jù)變時域%IFFT fy=ifft(qpsk_*);ich2=real(fy); qch2=imag(fy); %插入保

44、護(hù)間隔 ich3=ich2(fl-gl+1:fl,:);ich2;qch3=qch2(fl-gl+1:fl,:);qch2; %計算衰減 spow=sum(ich3.2+qch3.2)/Ns./para; attn= 0.5.*spow.*sr/br.*10.(-SNR./10);attn=sqrt(attn); %并串變換ich4=reshape(ich3,1,(fl+gl) .*Ns) ;qch4=reshape(qch3,1,(fl+gl) .*Ns); %形成復(fù)數(shù)發(fā)射數(shù)據(jù)TrData=ich4+qch4.*sqrt(-1) ;%接收機(jī)%參加高斯白噪聲 ReData=awgn(TrDat

45、a,SNR,measured);%接收端%移去保護(hù)間隔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,:); %FFT變換Re*=idata2+qdata2.*sqrt(-1); ry=fft(Re*); ReIChan=real(ry); ReQChan=imag(ry); ReIchan=ReIChan/kmod; ReQch

46、an=ReQChan/kmod; %QPSK解調(diào)RePara=qpskdemod(ReIchan,ReQchan,para,Ns,2); %接收端信號ReSig=reshape(RePara,1,para.*Ns.* 2); %誤碼比特率(BER) % 即時的誤碼和數(shù)據(jù) bit_errors=find(Signal=ReSig);bit_error_count=size(bit_errors,2);total_bits=size(ReSig,2);bit_error_rate=bit_error_count/total_bits;fprintf(%dt%et,iii,bit_error_rat

47、e);%屏幕顯示semilogy(SNR,bit_error_rate,*b-);hold on;endfigure(1)%發(fā)送信號的圖形stem(Signal),grid off; title(signal); *label(*),ylabel(y); figure(2) %QPSK調(diào)制后的圖形subplot(2,1,1),stem(ich1),grid off; *label(*),ylabel(y);title(QPSK變換之后的I路波形)subplot(2,1,2),stem(qch1),grid off; *label(*),ylabel(y);title(QPSK變換之后的Q路波形)figure(3) %QPSK星座圖for alfa=0:0.001.*pi:2.*pi plot(cos(alfa),sin(alfa),g) hold on end for i=1:Ns.