移动通信OFDM课程设计说明书

山东建筑大学信电学院课程设计说明书1摘要在无线信道环境中可靠、高速的传输数据是无线通信技术的目标和要求。OFDM技术能够大幅度的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、抑制干扰和噪声，有着广阔的应用前景。正交频分复用(OFDM)作为一种多载波数字通信方案,是第四代移动通信的核心技术。OFDM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，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。本课程设计是在移动通信的基础上，基于OFDM系统的基本原理，并使用Simulink搭建OFDM系统的调制与解调模块，完成Simulink模块设置，确定搭建系统的主要参数，并对主要模块的构建方式进行了说明；利用高斯信道模块来模拟信号传输仿真，用示波器观察各点波形，通过与理论波形的对比，验证电路的正确性。在此基础上，基于Simulink，讨论了如何构建完整的OFDM动态仿真系统。关键词：OFDM；Simulink；仿真分析；山东建筑大学信电学院课程设计说明书21前言1.1OFDM技术的发展历史20世纪70年代，韦斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT）研制了一个完整的多载波传输系统，叫做正交频分复用（OFDM）系统。近些年来，集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展，以及对无线通信高速率要求的日趋迫切，OFDM技术再次受到了重视。80年代后，OFDM的调整技术再一次成为研究热点。例如，在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调整技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。进入90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频和单边带（SSB）信道进行高速数据通信，陆地移动通信，高速数字用户环路(HDSL)，非对称数字用户环路(ADSL)及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统。1999年，IEEE802.11a通过了一个SGHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达54MbPs。这样，可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信组织(ETsl)的宽带射频接入网的局域网标准HiperiLAN2也把OFDM定为它的调制标准技术。山东建筑大学信电学院课程设计说明书31.2OFDM技术应用领域(1)移动通信领域OFDM技术的数据传输速度相当于GSM(GlobalSystemforMobileCommunication，全球移动通信系统)和CDMA(CodeDivisionMultipleAccess，码分多址)技术标准的10倍。从理论上讲，OFDM技术要优越于当前的全球移动运营商所采用的标准技术。(2)数字传输领域OFDM在数字广播领域也有杰出的表现。DAB(DigitalAudioBroadcasting，数字语音广播)／DMB(DigitalMultimediaBroadcasting，数字多媒体广播)具有音质好(CD质量)、可实现多媒体接收、可加密、并可利用卫星大幅度提高广播的覆盖率等优点，是广播事业发展中的一个新的里程碑。采用OFDM技术后，系统发射功率减小、可高速移动接收、频谱利用率高、有很强的抗干扰和在恶劣环境下接收的能力，有效的实现了数据高速可靠的传输。(3)计算机网络领域近年来，Intemet以惊人的速度发展，Internet的用户众多，分布广泛，传统Modem仅能提供56Kbps的速度，ISDN业务最多也只能提供128Kbps的速度，这些都难以满足Intemet飞速发展的需要。山东建筑大学信电学院课程设计说明书41.3OFDM技术的优缺点(1)抗衰落能力强OFDM使用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，因而对脉冲噪声(impulsenoise)和信道快衰落的抵抗力更强。(2)频率利用率高OFDM采用允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，因而提高了频率利用率。(3)适合高速数据传输首先，OFDM的自适应调制机制使不同的子载波可以根据信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式：信道条件好时，采用效率高的调制方式；信道条件差时，采用抗干扰能力强的调制方式。另外，OFDM采用的加载算法使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。(4)抗码间干扰能力强码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。1.4OFDM技术的研究意义正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波数字调制技术,适合在无线环境下实现高速传输。OFDM最大的优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰,同时拥有很高的频谱利用率。该技术已经为业界公认为新一代无线移动通信系统核心技术,具有很高的研究价值山东建筑大学信电学院课程设计说明书52设计目的与要求学习OFDM系统的传输原理，并使用Simulink搭建OFDM系统的调制与解调模块，利用高斯信道模块来模拟信号传输仿真，用示波器观察各点波形，通过与理论波形的对比，验证电路的正确性。3设计原理3.1OFDM原理简介在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。包括以下类型：V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多带-OFDM。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。在OFDM传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。在过去的频分复用(FDM)系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点，OFDM采用N个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。OFDM系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调。对于N点的IFFT运算，需要实施N^2次复数乘法，而采用常见的基于2的IFFT算法，其复数乘法仅为（N/2）log2N，可显著降低运算复杂度。在OFDM系统的发射端加入保护间隔，主要是为了消除多径所造成的ISI。其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀，以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内山东建筑大学信电学院课程设计说明书6包含的波形周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI。由于OFDM技术有较强的抗ISI能力以及高频谱效率，2001年开始应用于光通信中，相当多的研究表明了该技术在光通信中的可行性。OFDM是将高速串行数据分成成百上千路并行数据,并分别对不同的载频进行调制,这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度,提高了抗多径衰落的性能.同时,在传统的频分复用方法中,各子载波之间的频谱互不重叠,频谱利用率较低.而采用OFDM技术,一个OFDM符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号,每个子载波在频谱上相互重叠,这些频谱在整个符号周期内满足正交性,因而在接受端可以保证无失真恢复,从而大大提高频谱利用率.用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,fc是第0个子载波的载波频率,则从t=ts开始的OFDM符号可以表示为式中,rect(t)=1,|t|≤T/2.然而在实际仿真时,通常采用复等效基带信号来描述OFDM的输出信号式中,实部和虚部分别对应OFDM符号的同相和正交分量.山东建筑大学信电学院课程设计说明书73.2Simulink3.2.1Simulink简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。3.2.2Simulink功能Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。3.2.3Simulink特点丰富的可扩充的预定义模块库山东建筑大学信电学院课程设计说明书8交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误3.2.3Simulink的启动及模块介绍一.Simulink的启动1、在MATLAB命令窗口中输入simulink结果是在桌面上出现一个称为SimulinkLibraryBrowser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。当然用户也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开SimulinkLibraryBrowser窗口。2、在MATLAB命令窗口中输入simulink3结果