现代通信原理论文.docx
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现代通信原理论文
研究生课程论文封面
课程名称:
现代通信原理
论文题目:
基于MATLAB的OFDM系统仿真
学生班级;研152班
学生姓名:
匡政政
任课教师:
毛雪松
学位类别:
专业型硕士
评分标准及分值
选题与参阅资料
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论文内容
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论文表述
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创新性
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论文评语:
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评阅时间
年月日
摘要
OFDM即正交频分复用技术,是由多载波调制发展而来。
它既可以被看作一种调制技术,也可以被当作是一种复用技术。OFDM技术可以大大降低系统的误码率,并且有很强的抗干扰能力及较高的频谱利用率等特点,因此越来越多的人开始关注该技术。
本次有关通信设计首先简单介绍了OFDM技术的发展和应用,分析了OFDM系统的优缺点以及发展前景。
然后简单描述了OFDM的原理及MATLAB软件,并且以此作为系统仿真的理论基础。
最后利用MATLAB软件在输入不同信噪比下对OFDM系统进行仿真,并且对其仿真出来的数据图形进行分析理解和总结。
关键词:
正交频分复用;仿真;MATLAB
Abstract
OFDMororthogonalfrequencydivisionmultiplexingisdevelopedfromthemulti-carriermodulation.Itcanbeseenasamodulationtechniqueandcanalsoberegardedasakindofmultiplexing.OFDMtechnologycangreatlyreducethebiterrorrate,andhasastronganti-interferencecapabilityandhighspectralefficiencyandsoon,somoreandmorepeopleareconcernedaboutthetechnology.
Thegraduationprojectintroducesthedevelopment andapplicationofOFDMtechnologysimplifyatfirst,andanalyzestheadvantagesanddisadvantagesofOFDMsystemandthedevelopmentprospects.ThensimplydescribestheprincipleoftheOFDMandtheMATLABsoftware,andregarditasthetheoreticalbasis.Finally,usingtheMATLABsoftwareininputdifferentSNRsimulationofOFDMsystems,andthedataofthesimulationoutanalysisunderstandingandsummarizesthegraphics.
Keywords:
Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing;Simulation;MATLAB
目录
第一章绪论1
1.1引言1
1.2OFDM的发展及其现状1
1.3OFDM的优缺点2
1.3.1OFDM的优点2
1.3.2OFDM的缺点3
第二章OFDM的基本原理4
2.1多载波传输系统4
2.2正交频分复用4
2.3OFDM基本原理5
第三章OFDM系统的关键技术8
3.1同步技术8
3.1.1同步技术简介8
3.1.2同步技术的分类8
3.1.3同步偏移对OFDM系统性能的影响9
3.2信道估计技术10
3.2.1无线通信信道10
3.2.2无线信道信道估计11
3.3峰均功率比12
3.3.1峰均功率比的定义12
3.3.2降低峰均功率比的方法12
第四章OFDM系统仿真与分析14
4.1MATLAB简介14
4.2.OFDM系统仿真设计15
4.3 仿真及结果16
4.3.1仿真一17
4.3.2 仿真二20
4.4 仿真结果分析23
结论24
参考文献25
第一章绪论
1.1引言
随着移动通信和无线因特网需求的不断增长,越来越需要高速无线系统设计,而这其中的一个最直接的挑战就是克服无线信道带来的严重的频率选择性衰落。
正交频分复用(OFDM)技术可以很好地克服无线信道的频率选择性衰落,由于简单高效,OFDM已成为实现未来无线高速通信系统中最核心的技术之一。
由于OFDM的频谱利用率高、调制技术可有效地处理信道干扰、提高系统的传输速率等因素,OFDM技术越来越受到人们的关注。
随着人们对通信数据化、宽带化、个性化、移动化的要求越来越高,OFDM技术在综合无线接入领域将会获得非常广泛的应用。
随着DSP芯片技术的发展,傅里叶变换和反变换等技术的渐渐引入,人们开始集中精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用,第四代移动通信的主流技术将是OFDM技术。
1.2OFDM的发展及其现状
OFDM是一种特殊的多载波频分复用(FDM)技术。
在传统的多载波频分复用系统中,各个子信道采用不同的载波并行传送数据,子载波之间间隔足够远,采用隔离带来防止频谱重叠,故频谱效率很低。
在均衡器未被采用以前,人们就是用这种多载波方式在时间色散信道中进行高速通信的。
通过DFT进行OFDM基带调制和解调避免了生成多个子载波和多个窄带带通滤波器,使系统的模拟前端由多个变为一个,同时由于DFT可以用FFT来快速实现,这进一步降低了系统实现的复杂度。
为对抗符号间干扰和载波闻干扰,他们提出在符号间插入一段空白时隙作为保护间隔。
他们的系统虽然没有能在色散信道中获得很好的子载波正交性,但对OFDM仍是一个很大贡献。
另一个重要贡献来自A.Peled和A.Rmz,他个人提出了采用循环前缀来解决色散信道中子载波间的正交性问题。
当信道响应长度小于循环扩展时,循环前缀的存在使信号与信道响应的线性卷积变成循环卷积,从而使色散OFDM信号可以通过频域单点均衡进行去相关。
当然,循环扩展的引入会导致少量的信噪比损失。
由于无线信道的多径传播会使宽带OFDM信号产生频率选择性衰落,导致各个子信道上的信噪比不同,因此实际的OFDM系统都是与交织、纠错编码结合在一起,形成编码的正交频分复用(COFDM)。
交织和编码能够使OFDM系统获得良好的频率和时间二维分集。
1.3OFDM的优缺点
1.3.1OFDM的优点
近年来,OFDM系统已经越来越得到人们的广泛关注,其原因在于OFDM系统存在如下的主要优点:
(1)把高速数据流通过串并转换,使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的ISI,这样就减小了接收机内均衡的复杂度,有时甚至可以不采用均衡器,仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。
(2)传统的频分多路传输方法中,将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行的数据流,在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。
这种方法的优点是简单、直接,缺点是频谱的利用率低,子信道之间要留有足够的保护频带,而且多个滤波器的实现也有不少困难。
而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性,允许子信道的频谱相互重叠,因此与常规的频分复用系统相比,OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。
(3)各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IDFT和DFT方法来实现。
对于N很大的系统中,我们可以通过采用快速傅里叶变换(FFT)来实现。
随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展,IFFT和FFT都是非常容易实现的。
(4)OFDM系统可以容易与其他多种接入方法相结合使用,构成OFDMA系统,其中包括多载波码分多址MC—CDMA、跳频OFDM以及OFDM—TDMA等等,使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传递。
(5)因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波,因此OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。
1.3.2OFDM的缺点
(1)易受频率偏差的影响:
由于子信道的频谱相互覆盖,这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。
然而由于无线信道存在时变性,在传输过程中会出现无线信号的频率偏移,会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏,从而导致子信道间的信号相互干扰(ICI),这种对频率偏差敏感是OFDM系统的主要缺点之一。
(2)存在较高的峰值平均功率比:
与单载波系统相比,由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加,因此如果多个信号的相位一致时,所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率,导致出现较大的峰值平均功率比(PAR)。
这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求,如果放大器的动态范围不能满足信号的变化,则会为信号带来畸变,使叠加信号的频谱发生变化,从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏,产生相互干扰,使系统性能恶化。
第二章OFDM的基本原理
2.1多载波传输系统
多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流,这样每个子数据流将具有较低的比特速率。
用这样的低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波,构成了多个低速率符号并行发送的传输系统。
在单载波系统中,一次衰落或者干扰就会导致整个链路失效,但是在多载波系统中,某一时刻只会有少部分的子信道会受到衰落或者干扰的影响。
图2-1中给出了多载波系统的基本结构示意图。
图2-1多载波系统的基本结构
多载波传输技术有许多种提法,比如正交频分复用(OFDM)、离散多音调制(DMT)和多载波调制(MCM),这3种方法在一般情况下可视为一样,但是在OFDM中,各子载波必须保持相互正交,而在MCM则不一定。
2.2正交频分复用
OFDM就是在FDM的原理的基础上,子载波集采用两两正交的正弦或余弦函数集。
函数集{
},{
}(n,m=0,1,2…)的正交性是指在区间(
)内有正弦函数同理:
其中
(2-1)
根据上述理论,令N个子信道载波频率为
……,
,并使其满足下面的关系:
,其中
为单元码持续时间。
单个子载波信号为:
(2-2)
由正交性可知:
(2-3)
由式(2-3)可知,子载波信号是两两正交的。
这样只要信号严格同步,调制出的信号严格正交,理论上接收端就可以利用正交性进行解调。
OFDM信号表达式与FDM的一样,区别在于信号的频谱。
OFDM信号的频谱与FDM频谱情况对比如图2-2所示。
由图2-2可以看出,由于采用的原理不一样,FDM中接收端需要频率分割,因而需要较宽的保护间隔。
OFDM系统的接收端利用正交性解调,相邻子信道频谱在一定程度上是可以重叠的。
图2-2FDM与OFDM的频谱
2.3OFDM基本原理
一个OFDM符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号,其中每个子载波都可以受到相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)符号的调制。
如果N表示子信道的个数,T表示OFDM符号的宽度,di(i=0,1,…,N—1)是分配给每个子信道的数据符号,f0是第0个子载波的载波频率,rect(t)=1,∣t∣≤T/2,则从t=ts开始的OFDM符号可以表示为:
(2-4)
图2-3中给出了OFDM系统基本模型的框图,其中fi=f0+i/T。
图2-3OFDM系统基本模型
图2-4给出了一个OFDM符号内包括4个子载波的实例。
图2-4一个OFDM符号内包括4个子载波的实例
由图中可以看出,每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数个周期,并且相邻子载波相差一个周期。
这样可以保证子载波间的相互正交性。
即
(2-5)
比如对上式2-4的第j个子载波进行解调,然后再时间长度T内进行积分,即
(2-6)
根据上式可以看到,对第j个子载波进行解调可以恢复出期望符号dj。
而对于其他载波来说,由于在积分间隔内,频率差别(i—j)/T可以产生整数倍个周期,所以其积分结果为零。
第三章OFDM系统的关键技术
3.1同步技术
3.1.1同步技术简介
在通信系统中,特别是在数字通信系统中,同步是一个非常重要的问题。
所谓同步就是要求首发双方在时间上步调一致,它是OFDM系统的关键技术之一,其性能的好坏直接关系到整个通信系统的质量。
而对OFDM系统来说,同步技术尤其重要,主要包括符号同步、样值同步和载波同步。
因为各种同步误差不仅会带来符号间干扰或子信道间干扰,而且会破坏子系统间的正交性,从而使得接收端不能对有用信息进行正确的解调接收。
在多载波系统中,载波的频率偏移会产生子信道间的干扰,尤其是在移动通信中,信道环境特别恶劣,会造成通信质量急剧下降,所以OFDM系统要求较高的同步精度。
因此在接收机正常工作以前,OFDM系统要完成以下两种同步任务,其一是频域同步,具体工作是要校正接收信号的载波偏移和系统估计;其二是为减小载波干扰和码间干扰的影响,需要确定符号定界,并提取最佳的采样时钟,即为时域同步。
3.1.2同步技术的分类
(1)符号同步:
符号同步一般可以分为符号细同步和符号粗同步。
符号细同步一般在采样同步、载波同步之后完成,它被用来校正残余的符号偏差;而符号粗同步通常是在接收端进行FFT之前进行,其对精准度要求不高。
粗同步和细同步之间有几点不同之处,简述如下:
首先是用产生相关信号的结构不同;其次是产生相关信号的关系式和序列有所不同。
符号同步的具体实施方法是首先由相关运算获得同步信号,然后通过一定的检测方法来得到符号的起始位置。
(2)采样同步:
采样同步一般是在载波同步和符号粗同步之后。
在OFDM系统的接收机中,第一步是要通过采样将连续信号变成数字信号,由接收机时钟决定其采样时刻;第二步是对上步中得到的数字信号进行解调,解调算法为快速傅里叶变换。
若在样值定时中存在偏差,则会出现两方面的影响:
第一,会导致经过抽样的子载波之间不再保持正交性,这是因为样值频率的偏差会引起FFT周期的偏差,从而产生ICI;第二,产生时变的定时偏差,导致接收机必须跟踪时变的相位变化。
(3)载波同步:
载波同步误差尤为重要,主要是由于Doppler效应以及振荡器的不稳定等因素引起的,在接收端收到的信号载波与发送端发送的载波在相位和频率上有偏差。
首先若是存在频率上的偏差,此时OFDM信号的子载波之间不再保持正交,因此必须进行频偏补偿,否则会引起严重的子载波间的干扰;若是存在相位偏差,可以采用信道估计的方法来补偿。
在接收端引起相同的信噪比损失的条件下,OFDM系统允许的频率偏差只有单载波系统所能承受的几十分之一,所以OFDM系统频率估计必须要十分精确。
3.1.3同步偏移对OFDM系统性能的影响
(1)载波频率偏差对OFDM系统性能的影响:
频率偏差可以分解为两个部分:
小数部分和整数部分。
如果频率偏差是子载波间隔的整数倍,即为所谓的整数部分;而当载波偏差不是子载波间隔的整数倍时,即所谓的小数部分,也称分数频偏,此时会造成子信道间的干扰,而整数部分仅仅使信息符号在信道上平移。
(2)符号定时偏差对OFDM系统的影响:
由于OFDM符号采用了插入循环前缀作为保护间隔的方法,所以只要其定时同步的起始时刻在保护间隔内变化,便不会造成ICI和ISI,但会损失一定的能量。
图3-1OFDM符号定时同步的允许范围
由如图3-1可知,在FFT的运算窗口落在符号的滚降区或是其超过了符号边界的情况下,才会引起ICI和ISI。
所以,OFDM系统对符号定时同步的要求相对较宽松,但为了能够获得最佳的系统性能,当处在多径传输信道情况下,则需要精准的符号定时。
虽然原理上是符号定时的起始点在保护间隔内可以任意变化,但其变化会对OFDM系统的性能产生一定的影响,比如会增加其对时延扩展的敏感程度,所以需要尽量减小符号定时同步的偏差。
3.2信道估计技术
3.2.1无线通信信道
在介绍OFDM系统的信道估计技术之前,首先要了解OFDM系统中信号传播信道的性能。
无线信道的特性制约着无线通信系统性能的好坏,在无线信道中,发射机和接收机之间的传输路径可能是两点之间的直视,也可能存在山脉、建筑物等各种障碍物。
当信号在无线信道传输时,主要由发送信号的特性以及所经过信道的特性来决定其衰落类型。
根据电磁波的特征分别为大尺度衰落和小尺度衰落。
其中小尺度衰落的类型取决于信号参数(带宽,符号速率等)和信道参数(多普勒扩展和最大延时扩展等)。
(1)大尺度衰落
若接收机处在空间某一位置,此时它所收到的信号功率的本地平均值会受到大尺度衰落的影响(前提是在接收机所处位置的附近),其中包括阴影衰落和视距路径损耗等。
阴影衰落指的是当电磁波在空间传播时受到高大建筑物的阻挡或是地形起伏的影响,场强中值会因这些障碍物后面所产生的电磁场的阴影而发生变化,因而会导致信号的衰减。
阴影衰落的统计特性通常符合正态分布,其是以较大空间尺度来衡量的。
路径损耗是指当接收机和发射机之间的距离在较大尺度上发生变化,此时所接收到的信号的平均功率值与信号传输距离的n次方具有反比例关系,n即为路径损耗指数。
对于自由空间的电磁波传播,n值取2。
(2)小尺度衰落
小尺度衰落主要是由多普勒频移和多径效应引起的,它指的是当传输距离在较小的尺度上发生变化时,接收信号电平均值的变化趋势。
多普勒效应是由信道路径中物体的运动或是接收机和发射机之间的相对运动引起的。
这种移动性将带来一个负面影响,即导致接收信号的频率发生偏移,产生多普勒扩展,造成信号信道的时变特性。
多径效应是指在无线信道中,接收机天线所收到的信号是来自不同的传播路径而非单一路径而来。
由于多径信号的相位和到达时间都是不同的,这样的诸多分量在接收端进行叠加,便会导致接收端信号的幅度发生快速变化,从而产生衰落,即为多径衰落。
3.2.2无线信道信道估计
OFDM系统的接收既可以采用相干检测也可以采用非相干检测。
采用差分调制时,在接收端可以做非相干解调,一般适用于较低的数据速率;而当数据速率较高时,采用相干检测需要利用信道信息,所以需要在接收端进行信道估计。
所谓信道估计就是从接收数据中将假定的某个信道模型的模型参数估计出来的过程,是对输入信号影响的一种数学表示。
一般来说,信道估计算法可以分为两种,一种是基于训练序列的估计算法,一种是盲估计算法。
盲估计算法不需要训练序列,它是通过利用传输数据的内在数学信息来实现的,与基于训练序列的算法相比,它可以节约带宽,提高系统的效率,所以其在无线通信中的应用受到重视;但其运算量太大,灵活性较差,在实时系统的应用因此受到了限制。
基于训练序列的估计算法是指接收机利用已知的信息来进行信道估计,其缺点是训练序列占用了一定的信息比特,从而降低了信道传输的有效性。
对于单载波系统,训练序列作为导频,只能在时间轴的方向插入;但对于多载波系统,由于其具有时频二维结构,因此可以在时域和频域同时插入导频。
导频插入的形式有很多种,其中梳状导频均匀分布于每个OFDM符号,当两种导频的载荷相同时,其有更高的重传率,因而更加适合时变的无线信道,但在这种系统中,非导频子载波上的信道特性只能根据对导频子载波的信道特征进行插值滤波才能得到,因此这种导频方式对频率选择性衰落比较敏感;块状导频是周期性的在时域内插入特定的OFDM符号,这种方式适用于变化缓慢的无线信道,如WLAN系统。
由于这种训练序列包括所有的子载波,不需要在接收端进行频域内的插值,因此其对频率选择性不是很敏感。
3.3峰均功率比
由于OFDM系统采用了正交频分信道,所以能够支持高速无线数据的传输,且不需要复杂均衡技术。
但由于OFDM系统的输出信号是由多个独立子载波信号的叠加,根据中心极限定理可知,当子载波数N充分大时,OFDM信号幅度的概率密度函数会呈现高斯分布。
OFDM系统的最主要缺点是其具有较大的峰值平均功率比,这就需要使系统内的一些诸如A/D,D/A转换器、功率放大器等的器件具有较大的线性动态范围;否则会降低系统的性能,这是因为当信号峰值进入放大器的非线性区域时,会导致信号产生畸变,从而产生子信道间的干扰。
为了避免上述这种现象的出现,要求功率放大器工作在大功率补偿的情况下,但是这样会降低其放大效率并使发射机的成本变得很高。
为了较好解决上述由峰均值功率比过高带来的问题,有必要深入研究峰均功率比,进而改善OFDM系统性能。
3.3.1峰均功率比的定义
峰值平均功率比是指OFDM信号的最大功率与其平均功率之比,即式(3-1)所示[7]:
(3-1)
式中xn表示经过傅里叶反变换后得到的一个OFDM符号,E[.]表示数学期望,即:
(3-2)
3.3.2降低峰均功率比的方法
(1)利用信号预畸变技术减小OFDM系统的峰均比
在OFDM信号中,由于其较大的峰值出现的概率很小,所以限幅是一种非常直接和有效的降低峰均比的技术。
使信号在经过非线性部件之前进行限幅,就可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值。
由于限幅是一个非线性的过程,因此会给OFDM系统带来一些弊端:
第一会对系统造成自身干扰,这是由于对OFDM符号幅度进行了畸变,从而导致系统的BER性能下降;第二是OFDM信号的非线性畸变会导致其带外辐射功率值变大,其产生的原因在于限幅操作,它可以看作是矩形窗函数与OFDM采样符号相乘,若门限值大于OFDM符号的幅值,此时矩形函数的幅值为1;但若符号幅值需要限幅时,则矩形窗函数的幅值应小于1。
根据时域相乘等效于频域卷积的原理可知,经过限幅的OFDM符号的频谱等于原始信号频谱与窗函数频谱的卷积,所以其带外频谱特性主要由两者之间频谱宽度较大的信号来决定,即由窗函数的频谱决定。
在传统的扩张方法中,是将较大幅度的信号保持不变,而把幅度比较小的符号进行放大,采用这样的方法来降低峰值平均比的同时会增加整个系统的平均功率。
因此这样做会给OFDM系统带来一些问题,首先会使信号的功率值与功率放大器的非线性变化区域更加接近,因而造成信号的失真;其次会使系统的平均发射功率增加。
将上述方法进行改进,即压缩扩张变换,此方法是将小功率信号进行放大,而将大功率信号进行压缩,这样可以基本保证发射信号的平均功率保持不变,因此不仅可以减小系统的峰值平均功率比,还可以使得小功率信号抗干扰能力有所加强。
(2)编码类技术
编码类技术是通过限制用于传输的信号码字的集合来实现,由于只有幅度符合要求(低于一定值)的码字才能用于传输,因此可以避开信号的峰值。
此类技术为线性过程,所以不会出现限幅技术所引起的那些系统问题,并且只需要有限的冗余信息就可以达到目的。
(3)非畸变技术减小峰均功率比方法
在OFDM系统中出现较大的峰值功率信号的原因在于多个子载波信号的叠加,若可以用多个序列来表示同一组信息的传输,则可以在给定的峰均功率比门限的条件下,从中选择一组用于传输,这样会减小大峰值功率信号出现的概率。
目前所使用的有选择性映射方法以及部分传输序列方法。
第四章OFDM系统仿真与分析
4.1MATLAB简介
MATLAB是矩阵实验室即Matrix Laboratory的缩写。
除了具备超凡的数值计算能力外,它还具有专业水平的符号计算,文字处理,可视化建模仿真以及和实时控制等能力。
MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,所以利用MAT
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