无线通信原理-基于matlab的ofdm系统设计与仿真

基于matlab的ofdm系统设计与仿真-2-摘要OFDM即正交频分复用技术，实际上是多载波调制中的一种。其主要思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到相互正交且重叠的多个子载波上同时传输。该技术的应用大幅度提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效地抵抗多径衰落、抑制干扰和窄带噪声，如此良好的性能从而引起了通信界的广泛关注。本文设计了一个基于IFFT/FFT算法与802.11a标准的OFDM系统，并在计算机上进行了仿真和结果分析。重点在OFDM系统设计与仿真，在这部分详细介绍了系统各个环节所使用的技术对系统性能的影响。在仿真过程中对OFDM信号使用QPSK调制，并在AWGN信道下传输，最后解调后得出误码率。整个过程都是在MATLAB环境下仿真实现，对ODFM系统的仿真结果及性能进行分析，通过仿真得到信噪比与误码率之间的关系，为该系统的具体实现提供了大量有用数据。-3-第一章ODMF系统基本原理1.1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1－1中给出了多载波系统的基本结构示意图。图1-1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。1.2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{tncos}，{tmsin}(n,m=0,1,2…)的正交性是指在区间(Ttt00,)内有正弦函数同理：)0()()(2/0cos*cos00mnmnmnTTtdtmtnTtt其中2T（1-1）-4-根据上述理论，令N个子信道载波频率为)(1tf,)(2tf,……,)(tfN，并使其满足下面的关系：),1(,/0NkTkffNk，其中NT为单元码持续时间。单个子载波信号为：othersTttftfNkk00)2cos()(（1-2）由正交性可知:nmnmTdttftfNmn0)(*)(（1-3）由式（1-3）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1－2所示。由图1－2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1-2FDM与OFDM的频谱1.3OFDM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：-5-(1-4)图1－3中给出了OFDM系统基本模型的框图，其中fi=f0+i/T。图1-3OFDM系统基本模型图1－4给出了一个OFDM符号内包括4个子载波的实例。图1-4一个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，-6-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（1-5）比如对上式1-4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（1-6）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。1.4快速傅里叶变换(FFT/IFFT)在OFDM系统的实际应用中，可以用快速傅里叶变换(FFT/IFFT)。N点IDFT运算需要实施N2次的复数乘法，而IFFT可以显著地降低运算的复杂度。对于常用的基2IFFT算法来说，其复数乘法的次数仅为(N/2)log2(N)，而且随着子载波个数N的增加，这种算法复杂度之间的差距也越明显，IDFT的计算复杂度会随N增加而呈现二次方增长，IFFT的计算复杂度的增加速度只是稍稍快于线性变化。对于子载波数量非常大的OFDM系统来说，可以进一步采用基4IFFT算法。在4点的IFFT运算中，只存在{1,－1,j,－j}的相乘运算，因此不需要采用完整的乘法器来实施这种乘法，只需要通过简单地加、减以及交换实部和虚部的运算(当与－j，j相乘时)来实现这种乘法。在基4算法中，IFFT变换可以被分为多个4点的IFFT变换，这样就只需要在两个级别之间执行完整的乘法操作。因此，N点的基4IFFT算法中只需要执行(3/8)Nlog2(N－2)次复数乘法或相位旋转，以及Nlog2N次复数加法。1.5保护间隔、循环前缀应用OFDM的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。通过把输入数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍。为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在-7-每个OFDM符号间插入保护间隔(GI)，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。但在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰(ICI)，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰，这种效应如图1-5所示。图1-5子载波间干扰由于每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该OFDM符号的时延信号，因此图1-5中给出了第一子载波和第二子载波的时延信号。从图中可以看到，由于在FFT运算时间长度内，第一子载波与带有时延的第二子载波之间的周期个数只差不再是整数，所以当接收机试图对第一子载波进行解调时，第二子载波会对此造成干扰。同时，当接收机对第二子载波进行解调时，也会来自第一子载波的干扰。Tg在系统带宽和数据传输速率都给定的情况下，OFDM信号的符号速率将远远低于单载波的传输模式，例如在单载波BPSK调制模式下，符号速率相当于传输的比特速率，而在OFDM中，系统带宽由N个子载波占用，符号速率则为单载波传输模式的1/N。正是因为这种低符号速率使OFDM系统可以自然的抵抗多径传输导致的码间干扰。另外，通过在每个符号的起始位置增加保护间隔可以进一步抵制ISI，还可以减少在接收端的定时偏移错误。这种保护间隔是一种循环复制，增加了符号的波形长度，在符号的数据部分，每一个子载波内有一个整数倍的循环，此种符号的复制产生了一个循环的信号，即将每一个OFDM的后时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成前缀，在交接点没有任何的间断。因此将一个符号的尾端复制并补充到起始点增加了符号的时间长-8-度，如图1-6所示。图1-6保护间隔和循环前缀1.6OFDM系统的优点和缺点1.61OFDM系统的优点近年来，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）无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量。另一方面，移动终端功率一般小于1W，在大-9-蜂窝环境下传输速率低于10kbit/s—l00kbit/s；而基站发送功率可以较大。有可能提供1Mbit/s以上的传输速率。因此无论从用户的数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输。而OFDM系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。（5）由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。而且对于多用户系统来说，对一个用户不适用的子信道对其他用户来说可能是性能比较好的子信道，因此除非一个子信道对所有用户来说都不适用，该子信道才会被关闭，但发生这种情况的概率非常小。（6）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。（7）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。1.62OFDM系统的缺点（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。-10-第二章OFDM系统的设计2.1OFDM帧结构的设计和许多数字通信系统一样，在OFDM系统中，被发送的信号也是以帧来组织在一起的。本文仿真时所采用的结构借鉴了802.11a标准，并对其进行了简化。每一个OFDM帧由多个OFDM符号组成，对QPSK调制采用每帧6个符号。当FFT长度为64点时，每一个OFDM符号由一组长度等于52的子载波组成，其中48个子载波用来传输数据，4个子载波用来传输导频。这里不作导频方面考虑，52个子载波均用来传输数据，每个符号的持续时间为Ts。每个符号由数据部分和保护间隔部分组成。传输数据部分的持续时间长度为TU，保护间隔持续时间长度为Tg，这也是本文前面所提到的在OFDM系统中起到很大作用的循环前缀所占的时间段。OFDM信号包含许多独立调制的载波，所以可以认为每一个OFDM符号是由许多个片组成，每一个符号中的一片可被看作是被调制在相应的子载波上。OFDM系统参数见表2－1。表2-1OFDM系统参数子载波数52有用OFDM符号持续时间Tu（us）3.2保护间隔持续时间Tg（us）0.8每个OFDM符号持续时间