OFDM系统设计及基带系统仿真

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1、OFDM 原理与应用课程设计OFDM 系统设计及基带系统仿真学 号：S315080037专 业：信息与通信工程学生姓名：段京京任课教师：张薇 副教授2016 年 4 月第 1 章 绪论1.1引言计算机技术、Internet网络的发展与普及改变了人类生活方式，这是人类科 技的一次革命性的进步。 随着人们对信息量的需求越来越多， 无线移动通信进入 了一个快速发展时期。进入21世纪以来，国内外移动通信技术有着更快速的发 展，特别是无线通信网络和Internet的结合，使网络资源发挥了更大的作用，更 加促进了Internet的发展和无线移动网络的完善，人们的生活方式更加便捷和多 样化，世界发展更快、更

2、加精彩、更加辉煌。无线移动通信技术迎来了又一次伟 大的变革。其中，正交频分复用（OFDM）技术是其关键技术。在现代移动通信系统的无线信道中， 随着传输数据率的提高， 多径衰落和由 之引起的码间串扰会严重影响系统性能。 克服这种影响的一种方法是采用信道均 衡技术，但是随着数据传输速率的提高， 其代价可能变得无法接受。 正交频分复 用（OFDM传输技术提供了让数据以较高的速率在较大延迟的信道上传输的另一 种途径。OFDM技术是一种多载波调制技术，它将串行高速信息数据流变换成为 若干路并行低速数据流， 每路低速数据流被调制在彼此正交的子载波上构成发送 信号。由于OFDh具有较高的频谱利用率及抗多径干

3、扰能力强的优点，且能够通 过IFFT/FFT等高效算法实现，因此目前它已成为应用最为广泛的多载波调制方 式。1.2 OFD M 系统的发展上个世纪70年代，Weinstein和Ebert等人应用离散傅里叶变换和快速傅里 叶变换创造了一个完整的多载波传输系统，叫做正交频分复用（OFDM）系统。正交频分复用是一种特殊的多载波传输方式1。正交频分复用技术应用离散 傅里叶变换及反变换解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信 号的问题。 这就解决了多载波传输系统发送和传输的问题。 应用快速傅里叶变换 将大大降低多载波传输系统的复杂度。从此以后OFDM技术开始走向实用。由于科学技术的快速发展，在

4、二十世纪90年代，OFDM广泛用干各种数字 传输和通信中，如非对称的数字用户环路（ ADSL）, ETSI标准的音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）等4。1999年，IEEE802.il a通过了一个5GHz的 无线局域网标准，其中，OFDM调制技术被用作物理层标准OETSI的宽带射频 接入网（BRAN）的局域网标准， 同时也把OFDM技术定为它的调制标准技， 使传 输速率可达54MbPs。 现在OFDM论坛的成员已达46个会员，其中15个为主要 会员，我国的信息产业部也加入OFDM论坛52001年，IEEE802.16通过了无线城域网标准。伴随着IEEE802 .Ila和BRANHyp

5、er LAN/2两个标准在局域网的应用，OFDM技术将会进一步在无线数据传 输领域做出重大贡献。OFDM技术目前拥有两个不同的联盟:一个是OFDM论坛，主要协调各会员 递交给IEEE联盟的与OFDM技术有关的建议;另一个是宽带无线互连网论坛， 其开发了一个VOFDM标准。OFDM论坛已经在IEEE 802.16无线MAN会议上 向802.16.3分会递交了物理层建议，在这个会议上除了CDMA外，还有许多OFDM的建议被提出。今后，OFDM的主要发展方向是增加传输距离、 进一步提高传输速率，并且 与现有的网络设备兼容。随着数字信号处理和大规模集成电路技术的快速发展，OFDM调制技术已经渐渐被应用

6、到无线通信、高清晰度广播电视等领域。OFDM调制技术的高速率性能是通过提高系统复杂性为代价得到的。 该技术 的最大困难是如何使各个子信道精确同步。OFDM技术的基础是各个子载波必 须满足频率正交性， 如果正交性存在缺陷， 整个系统的性能会严重下降。 随着数 字信号处理和锁相环（PLL）技术的飞速发展，现在可以精确跟踪信道冲激响应 的实时变化，均衡码间干扰的影响。1.3OFDM 系统的发展前景无线通信与个人通信在短短的几十年间，经历了从模拟通信到数字通信，从 频分多址（FDMA）到码分多址（CDMA）的巨大发展，目前又有新技术的出现，此 技术即为正交频分复用（OFDM）。比以码分多址（CDM A

7、）为核心的第三代移 动通信技术应用更加完善， 技术更加先进，我们将之称为“第四代移动通信技术” 。OFDM技术在宽带领域的应用具有很大的潜力。与第三代移动通信系统相比，采用多种新技术的OFDM系统具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能 力，并且提高了频带利用率， 它不仅可以增加系统容量， 而且更好地满足多媒体 通信要求， 将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品 质地传送出去。另外，OFDM技术的实现简单，成本低廉。随着DSP技术的飞 速发展，并利用快速傅里叶变换产生大量相互正交的子载波， 为实现高速宽带通 信系统提供了极大的方便。OFDM将成为实现未来宽带移动通信的主流

8、方式， 因而引起越来越多的人们的关注和研究8。第 2 章 OFDM 基本原理2.1 利用 IFFT 生成 OFDM 信号利用离散反傅里叶变换(IDFT)或快速反傅里叶变换(IFFT)实现的OFDM系 统，如图2.1所示。图2.1OFDM 系统实现框图从上图OFDM系统的实现模型可以看出， 输入经过调制的复信号经过串并 变换后，进行IDFT或IFFT,将数据的频谱表达式变到时域上， 再经过并/串变 换，然后插入保护间隔，防止码间干扰，再经过数模变换后形成OFDM调制 后的信号s(t)。该信号经过信道后，接收到的信号r(t)经过模/数变换，然后去 掉保护间隔，以恢复子载波之间的正交性，再经过串/并

9、变换和DFT或FFT使 数据的时域表达式变到频域上后，恢复出OFDM的调制信号，再经过并/串变 换后还原出输入符号。2.2保护间隔和循环前缀作用2.2.1保护间隔(GI)无线多径信道会使通过它的信号出现多径时延，此种多径时延如果扩展到下 一个符号，就会造成符号问串扰， 严重影响数字信号的传输质量。 而采用OFDM技术的主要原因之一是它可以有效地防止多径时延扩展。 通过把输入的数据经过 串/并变换后分配到N个并行的子信道上，使每个用于去调制子载波的数据符 号周期可以扩大为原输入数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比 值也同样可降低为1/N。在OFDM系统中，为了能够最大限度地消除符号间干

10、 扰，可在每个OFDM符号之间插入保护间隔，而且该保护间隔的长度一般要大 于无线信道的最大时延扩展， 这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成 干扰。当多径时延小于保护间隔时，可以保证在FFT的运算时间长度内，不会使信 号相位跳变。所以，OFDM接收机所看到的只是存在某些相位偏移、多个单纯 连续正弦波形的信号叠加， 而这种叠加不会破坏子载波之间的正交性。 如果多径 时延超过了保护间隔，则在FFT运算时间长度内可能会出现信号相位的跳变， 因此在第一路径信号与第二路径信号的叠加信号内就不再只包括单纯连续正弦 波形信号， 从而导致子载波之间的正交性可能遭到损坏， 因此就会产生信道间干 扰(ICI

11、)，使得各载波之间产生干扰。2.2.2循环前缀(CP)为了消除多径传播造成的信道之间的干扰ICI，一种有效方法是将原来宽度 为T的OFDM符号进行周期性扩展，用扩展信号来填充保护间隔。将保护间隔内的信号称为循环前缀（Cyclic Prefix,CP）。在实际系统中，当OFDM符号送入 信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。在接收端，先要将接 收的符号开始的宽度为Tg的部分丢弃，然后将剩余的宽度为T的部分进行傅里 叶变换，进行解调。 在OFDM符号内加入循环前缀可以保证在一个FFT周期内， 使OFDM符号的时延副本内所包含的波形周期个数也是整数，这样，时延小于 保护间隔的时延信号就

12、不会在解调过程中产生信道间干扰ICI。2.3OFDM 基本参数的选择OFDM参数的选择就是需要在多项矛盾要求中进行最优地考虑。一般来说，首先要确定三个参数：带宽（Bandwidth）、比特率（Bit Rate）以及保护间隔（GI）。通常，保护间隔的时间长度应该为应用移动环境信道下时延均方值的24倍。一旦确定了保护间隔，则OFDM符号周期长度就可以确定。为了能够最大程度 地减少由于插入保护间隔所带来的信噪比损失，则需要OFDM符号周期长度要 远远大于保护间隔长度。但是符号周期长度又不能任意大，否则在OFDM系统 中将包含有更多的子载波数，从而导致子载波间隔相对减少， 致使系统实现的复 杂程度增加

13、， 并且还加大了系统的峰值平均功率比， 同时使系统对频率偏差更加 敏感。所以，在实际应用中，通常选择符号周期是保护间隔长度的5倍，这样插 入保护比特所造成的信噪比损耗只有1 dB左右。在确定符号周期和保护间隔之后，子载波的数量可以直接用-3 dB带宽除以子 载波间隔（即去掉保护间隔后的符号周期的倒数）得到或者利用所要求的比特速 率除以每个子信道的比特速率来确定子载波的数量。 每个信道中所传输的比特速 率可以由调制类型、编码速率和符号速率来确定。2.3.1有用符号持续时间有用符号持续时间T对子载波之间间隔和译码的等待周期都有影响，为了保 持数据的吞吐量，子载波数目和FFT的长度要有相对较大的数量

14、，这样就会使 有用符号持续时间增大。 在实际应用中， 载波的偏移和相位的稳定性会影响两个 载波之间间隔的大小， 如果接收机为移动着的， 则载波间隔必须足够大， 这样才 能忽略多普勒频移。 总之，选择有用符号的持续时间， 必须以保证信道的稳定为 前提。2.3.2子载波数子载波数目越多，有用信号越平坦，带外衰减也就越快，图形越接近矩形， 越符合通信要求， 但子载波数目又不能过多， 如果图形越接近矩形则对接收端的 滤波器要求越高 （只有理想滤波器才能过滤，否则就造成交调干扰）。因此在子 载波数目的选择上要综合考虑传递信息的有效性和可行性。子载波数可以由信道带宽、数据吞吐量和有用符号持续时间T所决定：

15、N 1T子载波数可以被设置为有用符号持续时间的倒数，其数值与FFT处理过的数据点相对应。第 3 章 OFDM 系统仿真3.1 仿真模型为了简化仿真过程，对系统框图做以下简化和假设：(1)假设接收端理想同步；(2)本次仿真不研究信道编码方案对性能的影响，故不进行信道编解码;(3)消除子信道平衰落的方法采用简单的频域均衡；(4)根据文献，仿真可进行低通等效，即进行低通等效传输；(5)仿真时一般直接进行数字传输，即去掉A/D和D/A模块。 简化后的系统仿真模型如图3.1所示。图3.1 OFDM系统框图3.2 仿真条件：(1)比特率2Mbit/s(2 )可容忍时延扩展(均方根)v4 s(3)带宽1.5

16、MHz(4 )两径信道3.3 仿真设计过程(1) 确定保护间隔：根据时延扩展确定保护间隔 TG的长短，保护间隔一般取为 均方根时延扩展的4倍，所以保护间隔 TG=4 2 s 8 s。(2)确定OFDM符号周期长度：选择符号周期长度是保护间隔长度的5倍。OFDM符号周期长度 TGTs=5X保护间隔即：TGTs=5 8 s 40 s;OFDM符号有用信号时间长度：Ts40 s 8 s 32 s ；子载波间隔:f 1 Ts1. 32 10631.25kHz。(3)确定子载波数量：单个OFDM符号传送比特数2Mbit/s80bit。1/40 s方案1:采用16QAM调制和R=12信道编码。每个子载波传

17、送2bit信息；子载波个数80巴 40 ；2 信号带宽31.25kHz40 1.25MHz 1.5MHz。方案2:采用QPSK调制和R=34信道编码。每个子载波传送1.5bit信息；子载波个数90巴=60 ；1.5bit 信号带宽31.25kHz 60 1.875MHz 1.5MHz；因此，为满足传输带宽要求，选择方案1。(4)利用快速傅立叶变换(FFT和反变换(IFFT)实现：上述设计中FFT/IFFT必须采用64个采样，其中24个子载波补零，以保证子载波间正交性。64采样速率为62MHz ；在 40 s 内，40 s 2MHz 80，采样数量32 10是整数，FFT/IFFT!算时长为6432 s 40 s ；2MHz保护间隔为 40 s 32 s 8 s；1子载波间隔为 125kHz。8 s仿真结果：3.4 总结仿真64点FFT(N 64)的OFDM系统的BER性能，其中VC(虚拟子载 波)为24个，即可以由 NvcN Nused，调制方案为16QAM ,两径信道下的BER理论性能和仿真性能曲线。