基于MATLAB的OFDM系统仿真论文

I目录1绪论................................................................11.1OFDM系统的发展........................................11.2OFDM技术的优缺点......................................21.3OFDM系统的发展前景....................................22OFDM的技术基础...............................................32.1OFDM的基本原理........................................32.2OFDM系统实现模型......................................42.3保护间隔和循环前缀作用..................................52.3.1保护间隔(GI)........................................................................................................52.3.2循环前缀(CP)......................................................................................................52.4功能说明................................................62.4.1OFDM基本参数的选择.............................................................62.4.2有用符号持续时间......................................................................62.4.3子载波数......................................................................................62.4.4调制模式..................................................................................................................63OFDM系统仿真与分析..........................................73.1OFDM系统仿真设计........................................73.2仿真及结果..............................................83.3仿真结果分析...........................................104总结..............................................................11致谢..............................................................12参考文献...........................................................13II附录..............................................................14第1页共15页1绪论计算机技术、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。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。1.1OFDM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。其实，在上个世纪60年代已经提出了使用平行数据传输信号和频分复用(FDM)的技术。1970年，美国申请了一个专利，就是采用平行的数据和子信道相互重叠的频分复用来消除对高速均衡的依赖，用于抵制冲击噪声和多径失真，并且能够充分利用带宽[2]。这项技术最初主要用于军事通信系统方面。此后相当长的一段时间，OFDM的发展相当缓慢。在实际中，傅立叶变换设备的复杂度、发射机及接收机的振荡器的稳定性，还有射频功率放大器的线性要求等因素都成为阻碍OFDM技术的发展的条件。上个世纪80年代，MCM取得了突破性发展，并且大规模集成电路使FFT的实现简单化，其它的一些难以实现的问题也得到了解决，自此，OFDM走上了通信的舞台，逐步向高速数字移动通信的领域迈进[3]。由于科学技术的快速发展，在二十世纪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.lla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[5]。2001年，IEEE802.16通过了无线城域网标准。伴随着IEEE802.lla和BRANHyperLAN/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IEEE802.16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到无线通信、高清晰度广播电视等领域[6]。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，现在可以精确跟踪第2页共15页信道冲激响应的实时变化，均衡码间干扰的影响。1.2OFDM技术的优缺点OFDM技术存在很多技术优点，在3G、4G中被运用，在通信方面确实存在很多优势[7]：1）频谱利用率很高，在窄带带宽下能够发出大量的数据，这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。而且OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，码间干扰非常小，并且OFDM信号间的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率非常接近奈奎斯特极限。2）由于通信路径上传送数据的能力会随时间的变化而发生变化，而OFDM技术能够持续不断地监视传输媒质上通信特性的突发变化，所以OFDM能动态地与之相协调，并且接通和切断相应的载波来保证通信持续精确地进行；3）该技术可以自动地检测在传输介质下哪一个特定的载波存在较高的信号衰减或干扰脉冲，并能采取合适的调制措施使指定频率下的载波通信成功；4）该技术能提供队列服务，克服传输介质中外界信号的干扰，因此OFDM技术适合在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区使用。高速的数据传播及数字语音广播都期望降低多径效应对信号的影响。5）OFDM技术的最大优点是抗频率选择性衰落及窄带干扰能力强。在单载波系统中，单个衰落或干扰将导致整个通信链路失败，而在多载波系统中，只有很小一部分载波会受到干扰。6）可以有效地降低信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。7）通过各个子载波的联合编码，将具有很强的抗衰落能力。OFDM技术已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，就可以使系统性能得到提高。8）OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调，降低系统复杂程度；易于DSP实现。虽然OFDM拥有以上的一些优点，但OFDM信号在传输过程中还存在着一些不足：1）对相位噪声和载波频偏十分敏感这是OFDM技术一个十分致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求分外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起码间干扰，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成码间干扰。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比，而不会引起互相之间的干扰。2）峰均功率比过大OFDM信号是由多个正交子载波信号组成，而且这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。与传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子。由于OFDM信号是很多小信号的总和，这些小信号的相位是由传输的数据序列决定的。对某些数据，这些小信号有可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均功率比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。3）所需线性范围宽由于OFDM系统峰值平均功率比大，对非线性放大更为敏感，因此OFDM系统调制比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。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（CDMA）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第