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科技学院2012届本科毕业论文
基于MATLAB的OFDM通信系统仿真
专业：通信工程
指导教师：张欣
学生姓名：戴梦茹
学生学号：082004110481
中国﹒贵州﹒贵阳
2012年5月
目录
摘要 ................................................................... III Abstract.................................................................. IV 第一章绪论 .. (1)
1.1引言 (1)
1.2研究背景和意义 (2)
1.2.1 OFDM技术发展现状 (2)
1.2.2 OFDM仿真技术的研究现状 (3)
1.3OFDM技术的特点 (4)
1.4本文的主要内容 (5)
第二章 OFDM的基本原理 (6)
2.1信号的表达式及其正交性 (6)
2.2调制与解调 (9)
2.3保护间隔和循环前缀 (10)
2.4加窗技术 (12)
第三章 OFDM系统的关键技术 (16)
3.1同步技术 (16)
3.1.1同步技术简介 (16)
3.1.2同步技术的分类 (16)
3.1.3同步偏移对OFDM系统性能的影响 (17)
3.2信道估计技术 (18)
3.2.1无线通信信道 (18)
3.2.2无线信道信道估计 (19)
3.3峰均功率比 (19)
3.3.1峰均功率比的定义 (20)
3.3.2 降低峰均功率比的方法 (20)
3.4信道编码和交织 (21)
3.4.1 RS码以及伽罗华域概述 (21)
3.4.2 RS编码原理 (23)
3.4.3 RS码的主要特点 (25)
3.4.4 RS码的纠错原理 (25)
3.4.5 交织技术 (25)
3.5均衡技术 (25)
第四章OFDM系统的仿真及结果分析 (27)
4.1OFDM系统的基本原理模型 (27)
4.2MATLAB仿真软件的特点 (27)
4.2.1通信仿真的一般步骤 (27)
4.2.2 MATLAB仿真软件的特点 (28)
4.3OFDM系统仿真模型及主要模块参数设置 (28)
4.3.1整个OFDM系统仿真模型 (28)
4.3.2主要模块参数设置 (28)
4.4OFDM通信系统仿真结果分析 (31)
4.4.1发射信号与接收信号的基带波形 (31)
4.4.2 OFDM信号传输前后的星座图 (33)
4.4.3 OFDM系统的发射端与接收端信号的功率谱 (35)
4.4.4多普勒频移对OFDM系统性能的影响 (36)
4.4.5 RS编码对OFDM系统性能的影响 (37)
4.4.6 OFDM系统的误码分析 (38)
第五章总结和展望 (40)
5.1全文总结 (40)
5.2展望 (40)
参考文献 (42)
附录 (43)
致谢 (47)
基于MATLAB的OFDM通信系统仿真
摘要
移动通信技术是现阶段通信技术研究中的重点，得到了越来越多人的关注。OFDM 技术能够有效地抵抗多径衰落、抑制噪声和干扰，并且能够大幅度地提高无线通信系统的传输速率和信道容量，有着非常广阔的应用前景。
本文主要介绍了OFDM系统的基本原理以及其优缺点，详细阐述了RS编码技术，并简单叙述了各种关键技术。在OFDM技术的基本原理以及MATLAB中Simulink仿真平台的基础上，讨论了如何构建完整的OFDM仿真系统，并分析了各主要模块的功能作用，完成各模块的参数设置。应用Simulink仿真平台在RS编码以及不同多普勒频移的条件下进行OFDM系统的仿真分析。
分析研究表明，在信噪比较小时，RS编码对OFDM系统的差错性能有明显改善，但当信噪比达到一定值时，经过RS编码后的系统性能急剧下降，说明RS编码对系统误码性能的改善程度是有限的；另外，当信噪比相同时，随着多普勒频移的不断增大，OFDM系统的误码率也不断变大，说明多普勒频移对系统的差错性能有一定的负面影响。
此外，简要分析了O FDM系统的差错性能的影响因素以及仿真曲线出现不规则波动的原因。
关键词：无线通信；OFDM ；MATLAB/Simulink ；RS编码；多普勒频移
Simulation Of OFDM Communication System Based On
MATLAB
Abstract
The mobile communication technique becomes the emphasis of communication research, and more and more people focus on it.OFDM technology has been applied widely , it not only can resist the multi-path fading, restain noise and interference, but also can greatly increase the transmission rate of wireless communication system and the channel capacity.
In this paper , I introduced basic principles of OFDM system and its advantages and disadvantages,some key technologies ,and RS coding techniques are elaborated in detail. Based on the basic principles of OFDM technology and Simulink simulation platform of MATLAB ,how to build a complete OFDM simulation system is discussed ,and the function of the main module is analyzed ,the parameters of these modules are set. Under RS coding and different Doppler frequency shift ,Simulink simulation platform is applied to do OFDM system simulation analysis.
The research results indicated ,RS coding could improve the error performance of OFDM system significantly when Eb/No is smaller; but the error performance of OFDM system declines sharply when Eb/No reaches a certain value, we can conclude that RS coding only makes limited contribution for the improvements of OFDM system performance.In addition ,when Eb/No is same , OFDM system bit error rate becomes larger and larger as Doppler frequency shift increases, it implies that the Doppler frequency has some negative impact on OFDM system error performance.
In addition ,a brief analysis about the factors of error performance of OFDM system and the causes of the irregular fluctuation is did.
Keywords: wireless communication, OFDM , MATLAB/Simulink, RS coding , Doppler frequency shif
第一章绪论
1.1 引言
自从17世纪30年代电报在英国和美国出现并发展以来，通信技术已经逐渐融入了人类社会，伴随着它的不断发展，人们的生活水平不断提高。在当今社会，信息的传输方式日新月异：从文本信号通信到语音通信、再到多媒体通信；从最早的通信方式电报到固定电话，再到计算机网络，最后到移动通信；从有线通信到无线通信，再到现在的光纤通信[2]。到目前为止，移动通信技术已经了三个主要发展阶段，每个阶段的发展都是技术的突破和观念的创新，不仅集中了计算机科学技术、网络应用中的许多成就；也集中了有线通信、无线通信的最新技术成果。移动通信系统已从模拟通信系统逐渐发展到了数字通信系统，其未来发展的宏伟目标是，可以在任何时间任何地点，向任何人提供快速可靠的通信服务[1]。
在20世纪下半叶，蜂窝移动通信开始蓬勃发展，到现在已经取得了令人瞩目的成就。19世纪70年代末，美国电话电报公司(AT&T)成功研制了第一代蜂窝通信系统，即先进移动电话系统(Advantage Mobile Phone System,AMPS),并组建了蜂窝状模拟移动通信网，使系统容量大大提高了，此时，蜂窝式公共移动通信网也已逐渐在一些发达国家出现。在这一阶段产生的移动通信系统一般称为第一代移动通信系统，其主要特点体现在移动性上，这是其他任何通信系统不可比拟的，它结束了在过去无线通信发展过程中，无线通信经常被其他通信手段替代而处于辅助地位的历史。
自1980年伊始，数字移动通信系统开始发展并逐渐走向成熟。由于频谱是不可再生的资源，是移动通信赖以生存和发展的基础，所以开始第二代移动通信系统的研发，其目标是提高频谱利用率。在这个阶段，欧洲率先提出了全球移动通信系统(Global System for Mobile，GSM)，而窄带码分多址(Code-Division Multiple Access,CDMA)蜂窝移动通信系统紧随其后由美国高通公司提出，这是移动通信系统发展中的具有重要意义的事件。渐渐地，第二代移动通信系统亦很难满足用户对新业务的需求[1]。于是以CDMA 为核心技术的第三代移动通信系统出现了，其主要特征是支持全球普及和无缝漫游，可以提供丰富多彩的多媒体业务，便于系统间的过渡和演进；但其也存在一些弊端，例如各标准之间不兼容，不能实现网间互通，因此世界各国在推动第三代移动通信系统的同
时，已将研究重点转移到第四代移动通信系统上，使其可以进一步改善现有通信质量、具有更高数据传输的核心技术，有着极速率，并可以容纳更多的用户[3]。
与前三代移动通系统相比，第四代移动通信系统是一个比较复杂的通信系统，但同时它具有很多优点，例如其具有更高的数据速率、更高的网络频谱、更高的智能性、安全性和灵活性、更平滑的兼容性能、更好的业务质量以及更高的传输质量。OFDM技术作为一种具有较高频谱利用率且可以有效对抗子载波间干扰的高速数据传输技术，引起了世界各国通信界的高度重视，并在数字广播、数字通信、移动通信等领域得到广泛应用，是一种强有力的数字调制方式，由于这些突出的优点以及优异的性能使其受到人们的青睐，并成为第四代移动通信系统为广阔的发展前景。
1.2研究背景和意义
1.2.1 OFDM技术发展现状
正交频分复用最早起源于20世纪50年代中期，发展至今已有60年的历史，它的第一个实际应用是军用的无线高频通信链路。经过这些年的发展，OFDM技术在很多领域已经得到广泛的应用。
19世纪60年代，R.W.Chang发表了《Synthesis of band-limited orthogonal signals for multichannel data transmission》一文。首次提出了OFDM理论，并在1970年成功获得专利。
1971年，Ebert和Weinstein提出了将离散傅里叶变换(DFT)引入并行传输系统实现多载波调制的方法，该方法采用了IDFT模型以及D/A转换器，明显降低了实现的复杂度。在并行传输系统中，基带信号在发送端通过IDFT进行调制，在接收端通过DFT进行解调。除此之外，还引入了多种加窗技术来对抗符号间干扰(Inter Symbol Interference, ISI)及子信道间干扰(Inter-Channel Interference,ICI)。
循环前缀(Cyclic Prefix,CP)的概念在1980年引入OFDM系统，由Ruiz和Peled提出，此方法使用循环扩展取代了传统的保护间隔，从而解决了正交性的问题。这样当信道延时比循环前缀的时间短时，就可以在多径选择性衰落信道上保持子信道之间的正交性。
20世纪80年代，人们深入研究了多载调制在数字移动通信、高速MODEM等领域中的应用。到了90年代，由于超大规模集成电路和数字信号处理技术的快速发展，OFDM系统已经在无线本地环路(Wireless Local Loop,WLL)、高清晰度电视
(High-dfinition Television,HDTV)、数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,DAB)、无线局域网(Wireless Local Area Network ,WLAN)、非对称数字用户线(Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL)等系统中有所应用。19世纪90年代末IEEE802.11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中它的物理层标准采用的是OFDM技术。
1999年12月，由包括Wi-LAN和Nokia在内的7家公司发起了国际OFDM论坛，其致力于OFDM 技术标准的研究和策划。目前已发展了46个会员，我国的信息产业部也已加入其中，由此可见OFDM技术的应用已在当时引起国内通信界的重视。
2000年11月，OFDM论坛的固定无线接入工作组提议IEEE802.16.3城域网的物理层标准采用OFDM技术，并向IEEE802.16.3的无线城域网委员会递交了一份建议书。伴随着BRANHyperLAN/2和802.11a两个标准广泛应用在局域网中，OFDM技术将会在无线数据本地环路的广域网领域贡献更多力量。由于人们对通信宽带化、个人化、数据化和移动化的需求日益增长，OFDM技术在综合无线接入领域得到了广泛应用。此外，由于OFDM技术的良好性能，其被看做是第四代移动通信系统的核心技术之一，将在未来的移动通信界发挥更大的作用。
1.2.2 OFDM仿真技术的研究现状
OFDM具有数学化程度高、结构相对紧凑的特点，这就决定了它非常适合用计算机来仿真。目前常用的仿真技术主要有：
(1)Matlab仿真平台。Matlab软件是Math Works公司开发的跨平台的，用于矩阵数值计算的简单高效的数学语言，已成为科学研究和工程计算的基本工具。由于OFDM 系统是“数学密集系统”，所以Matlab可在OFDM系统仿真上发挥其强大的数学计算优势，也因此得到了广泛的应用。
(2)Simulink仿真平台：Simulink是Matlab中一个动态系统进行建模、仿真和仿真结果分析的软件包，是一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境。使用Simulink可以更加方便的对系统进行可视化建模，并进行基于时间流的系统仿真，使得系统仿真建模与工程中的方框图结合起来。Simulink使得用户可以用鼠标操作将一系列可视化模块连接起来，从而建立直观的、功能上更为复杂的系统模型，而且避免了编写Matlab仿真程序，简化了仿真建模过程，更加适用于大型系统的建模和仿真[3]。
(3)SystemView仿真平台。
1.3 OFDM技术的特点
OFDM(Othogonal Frequency Division Multiplexing)技术的基本原理是将高速串行的数据通过串并变换转换为低速并行的数据流，在各个子信道上通过不同的调制技术调制到不同载波上进行并行传输，是一种多载波并行的调制技术，这种调制方式使得OFDM 技术拥有许多引人注目的优点：
(1)适合高速数据传输
OFDM系统的自适应调制机制使不同的子载波可以根据噪音背景和信道情况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。此外，OFDM系统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。
(2)抗衰落能力强
OFDM技术把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比同速率的单载波系统上的信号时间长，使OFDM对脉冲噪声以及信道的快衰落抵抗能力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。
(3)频谱利用率高
由于OFDM技术应用了快速傅里叶变换(FFT),使各个子载波可以部分重叠，在理论上可接近奈奎斯特极限,并且其子信道上采用频谱效率较高的多进制调制技术，例如QPSK,QAM等，这样进一步提高了频谱利用率。
(4) 易于和其他多种接入方法结合使用
OFDM易于和其他多种接入方法结合使用,构成OFDMA系统，其中包括跳频OFDM、多载波码分多址MC-CDMA以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可以利用OFDM 技术同时进行信息的传输。
(5)适合传输非对称的无线数据业务
无线数据业务一般存在非对称性，即上行链路中的数据传输量要小于下行链路中的数据传输量，这就要求其物理层支持非对称的高速率数据传输，OFDM系统可以通过在上行链路和下行链路中使用不同数量的子信道来实现不同的传输速率。
(6) OFDM数字化实现简单
当子信道上采用QAM 或MPSK调制方式时，调制过程可以用IFFT完成，解调过
程可以用FFT完成，既不用多组振荡源，也不用带通滤波器组分离信号。
虽然OFDM系统具有上述众多优点，但与其他系统相比，它的实现要求较高，从而存在如下几个缺点：
(1)复载算法和自适应调制技术增加系统的复杂度
负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，且当终端移动速度较高时(一般高于每小时30公里)，自适应调制技术就不是很合适了。
(2)峰值平均功率比较高
由于OFDM系统中各子载波相互独立，峰值功率与均值功率比相对较大，且随子载波数目的增加而增加。对于包含N个子信道的OFDM来说，当N个子信道具有相同相位时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍，使它对放大器的线性工作范围要求较高，同时也降低了放大器的效率。
(3) 易受频率偏差的影响
OFDM系统子信道的频谱互相覆盖，这对子载波之间的正交性提出了较高的要求。发射机子载波频率的偏差会使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏，导致不同子信道的信号相互干扰[24]。
1.4本文的主要内容
本文的主要内容安排如下：
第一章主要介绍了移动通信的发展史以及OFDM的发展现状，然后介绍了OFDM 技术的优点及不足。
第二章介绍OFDM的基本原理，其中重点介绍调制解调原理、保护间隔、循环前缀以及加窗技术。
第三章介绍OFDM的几种关键技术，包括同步技术、信道估计技术、最大峰均比问题、信道编码、交织技术以及均衡技术等，其中重点介绍了RS编码原理以及纠错能力。
第四章首先介绍了OFDM系统的基本模型，给出了在MATLAB中的Simulink平台下搭建的OFDM仿真系统，并对其误比特率的性能进行分析。
第五章为总结和展望，对本论文进行概括总结,并对OFDM技术的未来发展作出展望。
第二章 OFDM 的基本原理
在宽带无线通信系统中，信道的多径传播会引起信号在时间上展宽并导致频率选择性衰落，而信道的时变特性会引起信号频率的展宽，从而导致多普勒效应。多径时延扩展或相干带宽用来描述信道的多径特性，而相干时间或多普勒带宽常用来描述信道的时变特性。当信道带宽小于相干带宽时，可以认为该信道是非频率选择性信道，其所经历的衰落是平坦性衰落；而如果信号的持续时间小于相干时间时，则可以将信道看成线性时不变系统。
正交频分复用(OFDM )的基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。这样每个子信道中的符号周期会根据子信道的个数而成倍增加，因而可以减小因无线信道多径扩展对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，当最大多径时延小于保护间隔时，可以在很大程度上消除符号间干扰(ISI )。如果用循环前缀(CP)作为保护间隔，还可以有效避免由多径带来的信道间干扰(ICI )。
2.1信号的表达式及其正交性
OFDM 的根本思想是通过串并变换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，其实现的关键就在于保证各个子载波之间的正交性，这也是OFDM 系统实现的难点。
OFDM 符号由多个经过不同调制方式调制的子载波组成。如果用 T 表示OFDM 符号的持续时间即符号周期，N 表示子载波的个数，是指第i 个子载波的载波频率， (i=0,1,2...,N-1)表示分配给信道的数据符号，矩形函数rect(t)=1,|t|T/2,则从t=开始的OFDM 符号可以表示为式(2-1) [1]：
s(t)=Re{10(/2)exp[2()]N i
s i s i d rect t t t j f t t π-=---∑} t+T (2-1)
s(t)=0 t 或t>T+
在将待传输的比特信息分配到各个子载波上后，应用某种调制方法将其映射为子
载波的相位和幅度。然而在很多文献中，通常采用复等效基带信号形式来描述OFDM 信号，如式(2-2)所示。其中实部和虚部分别对应于OFDM 符号的同相分量和正交分量，实际中可与相应的子载波分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM 信号。
s(t)=]t+T (2-2)
s(t)=0 t 或t>T +
图2.1 OFDM 符号包括四个载波
OFDM 符号的每个子载波相互之间都是正交的，可以用式(2-3)来解释，此式在时域可以用图2.1的内容来直观表现，由图可得，在一个OFDM 符号周期内各子载波均包含了整数个周期，并且各相邻子载波之间相差1个周期。在这个实例中，所有的子载波都具有相同的相位和幅值，但在实际系统中，根据OFDM 数据符号所采用调制方式不同，不可能所有子载波都具有相同的幅值和相位。 {1
001
exp()exp()T
n m j t j t dt T ωω=? m n m n =≠ (2-3)
在图2.2中给出了OFDM 基带传输系统的框图，其采用N 个重叠的子频带，各个子频带之间相互正交，所以在接收端无需分离频谱就可以将信号接收下来，而且采用了FFT/IFFT 实现调制解调，显著降低了运算复杂度。
图2.2 OFDM 基带传输系统的框图[6]
比如可以对式(2-2)中的第j 个子载波进行解调，并在时间T 内进行积分，如式(2-4)所示：
1^
0101exp(2())exp(2())1exp(2())s s N t T i s i s t i N s j i j j d j t t d j t t dt T T T i j i t t dt d T T πππ-+=-==----=-=∑?∑ (2-4) 由此以及积分的知识可以得出，只有对第j 个子载波进行解调可以恢复出原始信号，而对于其他子载波进行解调积分，结果均为零，这是由于由于在积分区间T 内，频率差别产生了整数倍个周期。
上述均从时域角度解释了OFDM 系统子载波间正交性，而图2.3从频域角度更加直观的体现了这种正交性。由于在每个OFDM 符号的周期内包含了多个非零的子载波，其频谱可以通过一组位于各个子载波频率上的脉冲响应函数δ(t)与周期为T 的矩形脉冲频谱的卷积计算得到。如图2.3所示，其中包含了OFDM 信号频谱中各子信道的频谱，由其函数特点可以看出，是sinc 函数，其零点出现在频率为1/T 的整数倍的位置上，在每个子载波谱的最大值处，其它子载波的频谱为零。当接收端进行解调时，需要计算每个子载波频谱的最大值，只要保证子载波没有发生频偏，就可以准确的解调出每个子信道上的数据。
去除保护间隔 串/
并 FFT 均衡 并/
串 符号解串行输出
信道 A/D 符号调串
/
并 IFFT 并/串 插入保护间隔
D/A 串行输入
j t e ωj t
e ω-
图2.3 OFDM 系统子信道符号的频谱
式(2-1)中定义的OFDM 复等效基带信号可以采用离散逆傅里叶变换实现，令式(2-1)中的t s =0,t=kT/N(k=0,1,...,N-1),可得：
210()()ik N j N i
i kT s k s d e N π-===∑ (01k N ≤≤-) (2-5)
在接收端，可以对s(k)进行离散傅里叶变换，得到d i ，即：
210()ik N j N i k d s k e
π--==∑ (01i N ≤≤-) (2-6)
从以上公式可以看出，OFDM 的调制与解调可以用离散逆傅里叶变换(IDFT)和离散傅里叶变换(DFT)实现；在实际应用中，可以采用更加高效的算法来实现，具体实现方法将在下一个小节中展开叙述，亦即快速傅里叶逆变换(IFFT)与快速傅里叶变换(FFT )，从而降低运算量。
2.2调制与解调
由于近年来数字信号处理技术的迅速发展与广泛应用， OFDM 系统可以利用 IFFT 以及FFT 实现信号的调制与解调，可以从很大程度上降低运算量，简化通信系统的复杂度。
从上一小节中的式(2-5)和式(2-6)可以得出，OFDM 系统的调制与解调可以用离散逆
傅里叶变换(IDFT)和离散傅里叶变换(DFT)实现。通过离散傅里叶反变换，把频域数据d i 变成时域的数据S(k)，经过射频载波调制后，发送到无线信道中。通过离散傅里叶变换的方法来实现OFDM 系统，可以简化调制解调器的设计，并且在实际系统应用中，一般会采用更加高效的快速傅里叶逆变换(IFFT)与快速傅里叶变换(FFT)来实现，其实现基本原理如图2.4所示。
k S
图2.4 OFDM 基本原理的IFFT/FFT 实现
2.3保护间隔和循环前缀
OFDM 技术可以有效抵抗多径传输引起的时延扩展，这也是其被广泛应用的一个重要原因。通过在OFDM 符号间插入保护间隔(Guard Interval ,GI), 可以在很大程度上消除符号间干扰(Inter Symbol Interference ， ISI),一般无线信道最大时延要小于保护间隔的长度，经过这样的处理后，前一个信号的多径分量便不会对后一个信号造成干扰，这段 保护间隔，可以是一段空白的传输时段，即不插入任何符号。但此时，子载波间的正交性会遭到破坏，这是由于多径传播的影响，亦即会产生信道间干扰
（Inter-ChannelInterference,ICI)，如图2.5所示，图中以两个子载波为例，其中第二个子载波带有一定的延时，由图可知，在这种情况下，第一子载波和第二子载波之间的周期数之差不在是整数，也就是不再满足各子载波间的正交性，因此当在接收端解调第一个载波的信号时，第二个子载波会对其产生一定的干扰；同理，当在接收端解调第二个子载波的信号时，也会引入第一子载波的干扰[13]。
串并
变换 IFFT 并串变换 i d k S 串并变换 FFT 并串变
换 i
d k S
IFFT IFFT 保护间隔 保护间隔 IFFT 输出 g T fft T 符号N-1
符号N s T Time
符号N+1 复制
图2.5 多径情况下，空闲保护间隔在子载波间造成的干扰
从我们对OFDM 符号的各子载波的正交性的分析中可得，要想保证子载波间的正交性，只需要保证积分窗口，即IFFT 的运算窗口内包含整数个子载波即可。出于对以上所述的考虑，OFDM 系统采用在保护间隔内传输循环前缀(Cyclic Prefix, CP)。循环前缀即将OFDM 符号尾部的信号搬移到头部构成，经过这样的处理以后，在符号的数据部分，各个子载波具有的符号周期都是整数倍的循环。具体实现方法是将每个符号的后T g 时间中的样点复制到该OFDM 符号的最前面，从而形成前缀，但在交接点处没有出现任何间断。在这种情况下，当时延小于保护间隔T g 的时延信号时，就不会在解调过程中产生图2.5所示的现象，即不会产生信道间干扰(ICI)。加入循环前缀的OFDM 符号如图2.6所示。
图2.6 加入保护间隔的OFDM 符号
第二子载波对第一子载波的干扰 FFT 积分时间 保护间隔
2.4加窗技术
根据本章第一小节的式(2-1),假定T s =0，可以得到如式(2-7)所示的功率归一化的OFDM 信号的复包络,
101
()()exp(2)2
N i i i T s t d rect t i f t N π-==-
∑ (2-7) 式中i c i f f T =+，1N
是功率归一化因子，N 为子载波数。由于OFDM 符号是由N 个经过调制的子载波组成，所以其功率谱密度2()S f 是由 N 个子载波上的信号功率谱密
度之和构成的，如式(2-8)：
2120sin(())1
()()N i i i i f f T S f d T f f T N ππ-=-=-∑ (2-8)
OFDM 符号的功率谱密度存在这样一个问题，其带外辐射的功率比较大，即OFDM 符号的带外衰减较慢，随着子载波数量N 的不断增加，这个现象有所好转，具体表现在OFDM 符号功率谱密度的下降速度会逐渐增加，即各个子载波功率谱密度主瓣和旁瓣会变窄。但这个转变是有限度的，即当子载波数增加到一定程度时，其功率谱密度的主瓣和旁瓣宽度不会有明显变化。应用式(2-8)可绘制归一化功率谱密度曲线，见图2.7，
图2.7 子载波个数分别为256、512和1024的OFDM 系统的功率谱密度
图2.7显示的功率谱密度曲线为未加窗时的曲线，为了加快OFDM 符号带宽之外的功率谱密度下降速度，可以令OFDM 符号边缘的幅值逐渐过度到零，即对OFDM 符号应用加窗技术，目前应用最广泛的窗函数类型为升余弦函数，其定义如式(2-9)所示：
()()()()()()??
???-+++=s s s T T t T t t w βπβππcos 5.05.00
.1cos 5.05.0 ()s s s s s T t T T t T T t βββ+≤≤≤≤≤≤10 (2-9) 式中，T s 表示加窗前的符号长度，而(1+β)T s 为加窗后的符号长度,经过加窗处理后的OFDM 符号如图
(2.8)所示。
图2.8 经过加窗处理后的OFDM 符号结构
OFDM 符号加窗处理过程如下：首先在N c 个经过数字调制(QAM)的符号后面添0，再将所得到的符号进行IFFT 运算。然后将IFFT 输出的尾部T prefix 个样值插入OFDM 符 子载波为256
子载波为512
子载波为
1024
号的头部，将OFDM符号头部的T postfix个样值插入OFDM符号的尾部。最后再乘以升余弦滚降窗函数，与前一个OFDM符号βT s区域内的样值迭加，形成最终的信号形式。
如图2.9、图2.10所示，不同滚降系数β的升余弦函数的冲激响应以及传输特性曲线。从图中可以得出，随着滚降系数的增大，时域响应波形的拖尾减小且衰减加快，频域曲线下降缓慢，带宽增加，当滚降系数为零时，频域曲线为矩形，但会产生波动现象，这是由于时域截断引起的。虽然增大滚降系数有利于加快带外衰减速度，但也带来了问题，这样会使OFDM系统的抗多径时延的能力下降。在多径信道中，虽然保护时间大于相对时延，但由于加窗造成的阴影部分幅度的变换，引入了码间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。所以，在实际系统设计中，应当选择较小的滚降因子。
图2.9 升余弦函数的冲击响应
图2.10 不同滚降因子的升余弦函数的频域响应曲线
clc; clear all; close all; fprintf('OFDM系统仿真\n'); carrier_count=input('输入系统仿真的子载波数: \n');%子载波数128,64,32,16 symbols_per_carrier=30;%每子载波含符号数 bits_per_symbol=4;%每符号含比特数,16QAM调制 IFFT_bin_length=1024;%FFT点数 PrefixRatio=1/4;%保护间隔与OFDM数据的比例1/6~1/4 GI=PrefixRatio*IFFT_bin_length ;%每一个OFDM符号添加的循环前缀长度为1/4*IFFT_bin_length ,即256 beta=1/32;%窗函数滚降系数 GIP=beta*(IFFT_bin_length+GI);%循环后缀的长度40 SNR=10; %信噪比dB %================信号产生=================================== baseband_out_length=carrier_count*symbols_per_carrier*bits_per_symbol;%所输入的比特数目 carriers=(1:carrier_count)+(floor(IFFT_bin_length/4)-floor(carrier_count/2));%共轭对称子载波映射复数数据对应的IFFT点坐标 conjugate_carriers = IFFT_bin_length - carriers + 2;%共轭对称子载波映射共轭复数对应的IFFT点坐标 rand( 'twister',0); %每次产生不相同得伪随机序列 baseband_out=round(rand(1,baseband_out_length));%产生待调制的二进制比特流figure(1); stem(baseband_out(1:50)); title('二进制比特流') axis([0, 50, 0, 1]); %==============16QAM调制==================================== complex_carrier_matrix=qam16(baseband_out);%列向量 complex_carrier_matrix=reshape(complex_carrier_matrix',carrier_count,symbols_per
Matlab通信原理仿真 学号： 2142402 姓名：圣斌
实验一Matlab 基本语法与信号系统分析 一、实验目的： 1、掌握MATLAB的基本绘图方法； 2、实现绘制复指数信号的时域波形。 二、实验设备与软件环境： 1、实验设备：计算机 2、软件环境：MATLAB R2009a 三、实验内容： 1、MATLAB为用户提供了结果可视化功能，只要在命令行窗口输入相应的命令，结果就会用图形直接表示出来。 MATLAB程序如下： x = -pi::pi; y1 = sin(x); y2 = cos(x); %准备绘图数据 figure(1); %打开图形窗口 subplot(2,1,1); %确定第一幅图绘图窗口 plot(x,y1); %以x，y1绘图 title('plot(x,y1)'); %为第一幅图取名为’plot(x,y1)’ grid on; %为第一幅图绘制网格线 subplot(2,1,2) %确定第二幅图绘图窗口 plot(x,y2); %以x，y2绘图 xlabel('time'),ylabel('y') %第二幅图横坐标为’time’,纵坐标为’y’运行结果如下图： 2、上例中的图形使用的是默认的颜色和线型，MATLAB中提供了多种颜色和线型，并且可以绘制出脉冲图、误差条形图等多种形式图： MATLAB程序如下： x=-pi:.1:pi; y1=sin (x); y2=cos (x); figure (1); %subplot (2,1,1); plot (x,y1); title ('plot (x,y1)'); grid on %subplot (2,1,2); plot (x,y2);
第一章绪论 1.1简述 OFDM是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。正交频分复用是对多载波调制（MCM，Multi-Carrier Modulation）的一种改进。它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的干扰，还大大提高了频谱利用率。 符号间干扰是多径衰落信道宽带传输的主要问题，多载波调制技术包括正交频分复用(OFDM)是解决这一难题中最具前景的方法和技术。利用OFDM技术和IFFT方式的数字实现更适宜于多径影响较为显著的环境，如高速WLAN 和数字视频广播DVB等。OFDM作为一种高效传输技术备受关注，并已成为第4代移动通信的核心技术。如果进行OFDM系统的研究，建立一个完整的OFDM 系统是必要的。本文在简要介绍了OFDM 基本原理后，基于MATLAB构建了一个完整的OFDM动态仿真系统。 1.2 OFDM基本原理概述 1.2.1 OFDM的产生和发展 OFDM的思想早在20世纪60年代就已经提出，由于使用模拟滤波器实现起来的系统复杂度较高，所以一直没有发展起来。在20世纪70年代，提出用离散傅里叶变换（DFT）实现多载波调制，为OFDM的实用化奠定了理论基础；从此以后，OFDM在移动通信中的应用得到了迅猛的发展。 OFDM系统收发机的典型框图如图1.1所示，发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并进行离散傅里叶变换（IDFT）将数据的频谱表达式变换到时域上。IFFT变换与IDFT变换的作用相同，只是有更高的计算效
目录 （一）基于MATLAB的MIMO通信系统仿真………………………… 一、基本原理……………………………………………………… 二、仿真…………………………………………………………… 三、仿真结果……………………………………………………… 四、仿真结果分析…………………………………………………（二）自选习题部分…………………………………………………（三）总结与体会……………………………………………………（四）参考文献…………………………………………………… 实训报告 （一）基于MATLAB的MIMO通信系统仿真 一、基本原理 二、仿真 三、仿真结果 四、仿真结果分析 OFDM技术通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，减小了多径衰落的影响。OFDM技术如果要提高传输速率，则要增加带宽、发送功率、子载波数目，这对于频谱资源紧张的无线通信时不现实的。 MIMO能够在空间中产生独立并行信道同时传输多路数据流，即传输速率很高。这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率，也可以通过增加信息冗余来提高通信系统的传输可靠性。但是MIMO却不能够克服频率选择性深衰落。 所以OFDM和MIMO这一对互补的技术自然走到了一起，现在是3G，未来也是4G，以及新一代WLAN技术的核心。总之，是核心物理层技术之一。 1、MIMO系统理论：
核心思想：时间上空时信号处理同空间上分集结合。 时间上空时通过在发送端采用空时码实现： 空时分组、空时格码，分层空时码。 空间上分集通过增加空间上天线分布实现。此举可以把原来对用户来说是有害的无线电波多径传播转变为对用户有利。 2、MIMO 系统模型： 11h 12 h 21 h 22 h r n h 1r n h 21 R n h 2 R n h 1 n n R h 可以看到，MIMO 模型中有一个空时编码器，有多根天线，其系统模型和上述MIMO 系统理论一致。为什么说nt>nr ，因为一般来说，移动终端所支持的天线数目总是比基站端要少。 接收矢量为：y Hx n =+，即接收信号为信道衰落系数X 发射信号+接收端噪声 3、MIMO 系统容量分析： （附MIMO 系统容量分析程序） 香农公式的信道容量（即信息传送速率）为： 2log (1/)C B S N =+ 4、在MIMO 中计算信道容量分两种情况： 未知CSI 和已知CSI （CSI 即为信道状态信息），其公式推导较为复杂，推导结果为信道容量是信噪比与接收、发射天线的函数。 在推导已知CSI 中，常用的有waterfilling ，即著名的注水原理。但是，根据相关文献资料，通常情况下CSI 可以当做已知，因为发送，接收端会根据具体信道情况估算CSI 的相关参数。 在这里对注水原理做一个简单介绍：之所以成为注水原理是因为理想的注水原理是在噪声大的时候少分配功率，噪声小时多分配功率，最后噪声+功率=定值，这如果用图形来表示，则类似于给水池注水的时候，水池低的地方就多注水，也就是噪声小分配的功率就多，故称这种达到容量的功率分配方式叫做注水原理。通过给各个天线分配不同的发射功率，增加系统容量。核心思想就是上面所阐述的，信道条件好，则分配更多功率；信道条件差，则分配较少的功率。 在MIMO 的信道容量当中要注意几个问题：（下面说已知CSI 都是加入了估计CSI 的算法，并且采用了注水原理。） 1. 已知CSI 的情况下的信道容量要比发送端未知CSI 的情况下的信道容量高，这是 由于当发送端已知CSI 的时候，发送端可以优化发送信号的协方差矩阵。也就是
课程设计 。 课程设计名称：嵌入式系统课程设计 专业班级： 07级电信1-1 学生姓名：__王红__________ 学号：_____107_____ 指导教师：李国平，陈涛，金广峰，韩琳 课程设计时间：— |
1 需求分析 运用模拟角度调制系统的分析进行频分复用通信系统设计。从OFDM系统的实现模型可以看出，输入已经过调制的复信号经过串／并变换后，进行IDFT或IFFT和并／串变换，然后插入保护间隔，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，去掉保护间隔，以恢复子载波之间的正交性，再经过串／并变换和DFT或FFT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 概要设计 1.简述OFDM通信系统的基本原理 2.简述OFDM的调制和解调方法 3.概述OFDM系统的优点和缺点 4.基于MATLAB的OFDM系统的实现代码和波形 ： 3 运行环境 硬件：Windows XP 软件:MATLAB 4 详细设计 OFDM基本原理 一个完整的OFDM系统原理如图1所示。OFDM的基本思想是将串行数据，并行地调制在多个正交的子载波上，这样可以降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和干扰能力，同时由于每个子载波的正交性，大大提高了频谱的利用率，所以非常适合移动场合中的高速传输。
在发送端，输入的高比特流通过调制映射产生调制信号，经过串并转换变成N条并行的低速子数据流，每N个并行数据构成一个OFDM符号。插入导频信号后经快速傅里叶反变换(IFFT)对每个OFDM符号的N个数据进行调制，变成时域信号为： [ 式 式1中：m为频域上的离散点；n为时域上的离散点；N为载波数目。为了在接收端有效抑制码间干扰(InterSymbol Interference，ISI)，通常要在每一时域OFDM符号前加上保护间隔(Guard Interval，GI)。加保护间隔后的信号可表示为式，最后信号经并／串变换及D／A转换，由发送天线发送出去。 式 接收端将接收的信号进行处理，完成定时同步和载波同步。经A／D转换，串并转换后的信号可表示为：
基于matlab的ofdm系统设计与仿真
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。
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{t n ωcos }， {t m ωsin } (n,m=0,1,2…)的正交性是指在区间(T t t +00,)内有正弦函数同理：)0()()(2/0cos *cos 00===≠?? ???=? +m n m n m n T T tdt m t n T t t ωω 其中ωπ2=T （1-1）
MATLAB通信系统仿真心得体会 课程名称(中文) MATLAB通信系统仿真成绩姓名班级学号日期 学习MATLAB通信系统仿真心得体会 经过一学期的MATLAB通信系统仿真的学习，使我对通信原 理及仿真实践有了更深层次的理解。在学习过程当中，了解到了MATLAB的语言基础以及应用的界面环境，基本操作和语法，通信仿真工具箱的应用，simulink 仿真基础，信号系统分析等一系列的内容。我明白学好这门课程是非常的重要。 在学习当中，我首先明白了通信系统仿真的现实意义，系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质(或是系统的某种特性)的一种描述。模型可视为对真实世界中物体或过程的信息进行形式化的结果。模型具有与系统相似的特性，可以以各种形式给出我们所感兴趣的信息。知道了通信系统仿真的必要性，利用系统建模和软件仿真技术，我们几乎可以对所有的设计细节进行分层次的建模和评估。通过仿真技术和方法，我们可以有效地将数学分析模型和经验模型结合起来。利用系统仿真方法，可以迅速构建一个通信系统模型，提供一个便捷，高效和精确的评估平台。明白了MATLAB通信系统仿真课程重点就是系统仿真软件 Matlab / Simulink 在通信系统建模仿真和性能评估方面的应用原理，通信系统仿真的一般原理和方法。 MATLAB集成度高，使用方便，输入简捷，运算高效，内容丰富，并且很容易由用户自行扩展，与其它计算机语言相比， MATLAB有以下显著特点:1.MATLAB是一种解释性语言;2(变量的“多功能性”;3.运算符号的“多功能性”;4(人机界面适合科技人员;5(强大而简易的作图功能;6(智能化程度高;7(功能丰富，可扩展性强。在MATLAB的Communication Toolbox(通 信工具箱)中提供了许多仿真函数和模块，用于对通信系统进行仿真和分析。
3.1 计算机仿真 仿真实验是掌握系统性能的一种手段。它通过对仿真模型的实验结果来确定实际系统的性能。从而为新系统的建立或系统的改进提供可靠的参考。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈。优化系统的整体性能，衡量方案的可行性。从中选择最后合理的系统配置和参数配置。然后再应用于实际系统中。因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。 3.1.1 仿真平台 ●硬件 CPU：Pentium III 600MHz 内存：128M SDRAM ●软件 操作系统：Microsoft Windows2000 版本5.0 仿真软件：The Math Works Inc. Matlab 版本6.5 包括MATLAB 6.5的M文件仿真系统。 Matlab是一种强大的工程计算软件。目前最新的6.x版本 (windows环境)是一种功能强、效率高、便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其工具箱中包括:数值分析、矩阵运算、通信、数字信号处理、建模和系统控制等应用工具程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。Matlab的特点是编程效率高，用户使用方便，扩充能力强，语句简单，内涵丰富，高效方便的矩阵和数组运算，方便的绘图功能。 3.1.2 基于MATLAB的OFDM系统仿真链路 根据OFDM 基本原理，本文给出利用MATLAB编写OFDM系统的仿真链路流程。串行数据经串并变换后进行QDPSK数字调制，调制后的复信号通过N点IFFT变换，完成多载波调制，使信号能够在N个子载波上并行传输，中间插入10训练序列符号用于信道估计，加入循环前缀后经并串转换、D /A后进入信道,接收端经过N点FFT变换后进行信道估计，将QDPSK解调后的数据并串变换后得到原始信息比特。 本文采用MATLAB语言编写M文件来实现上述系统。M文件包括脚本M文件和函数M文件，M文件的强大功能为MATLAB的可扩展性提供了基础和保障,使MATLAB能不断完善和壮大，成为一个开放的、功能强大的实用工具。M文件通过input命令可以轻松实现用户和程序的交互，通过循环向量化、数组维数预定义等提高M文件执行速度，优化内存管理，此外，还可以通过类似C++语言的面向对象编程方法等等。
实验一 2PSK调制数字通信系统 一实验题目 设计一个采用2PSK调制的数字通信系统 设计系统整体框图及数学模型； 产生离散二进制信源，进行信道编码（汉明码），产生BPSK信号； 加入信道噪声（高斯白噪声）； BPSK信号相干解调，信道解码； 系统性能分析（信号波形、频谱，白噪声的波形、频谱，信道编解 二实验基本原理 数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，在实际应用中，大多数信道具有带通特性而不能直接传输基带信号。为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字基带信号对载波进行调制，以使信号与信道的特性相匹配。这种用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字带通信号的过程称为数字调制。 数字调制技术的两种方法：①利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；②利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的相位进行键控，便可获得相移键控（PSK）基本的调制方式。 图1 相应的信号波形的示例 1 0 1 调制原理 数字调相：如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，它们应处于"同相"状态；如果其中一个开始得迟了一点，就可能不相同了。如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为"反相"。一般把信号振荡一次（一周）作为360度。如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的
相位差180度，也就是反相。当传输数字信号时，"1"码控制发0度相位，"0"码控制发180度相位。载波的初始相位就有了移动，也就带上了信息。 相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为(t)=Acos t+) 其中，表示第n个符号的绝对相位： = 因此，上式可以改写为 图2 2PSK信号波形 解调原理 2PSK信号的解调方法是相干解调法。由于PSK信号本身就是利用相位传递信息的，所以在接收端必须利用信号的相位信息来解调信号。下图2-3中给出了一种2PSK信号相干接收设备的原理框图。图中经过带通滤波的信号在相乘器中与本地载波相乘，然后用低通滤波器滤除高频分量，在进行抽样判决。判决器是按极性来判决的。即正抽样值判为1，负抽样值判为0. 2PSK信号相干解调各点时间波形如图 3 所示. 当恢复的相干载波产生180°倒相时,解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反,解调器输出数字基带信号全部出错.
补充内容：模拟调制系统的MATLAB 仿真 1.抽样定理 为了用实验的手段对连续信号分析，需要先对信号进行抽样（时间上的离散化），把连续数据转变为离散数据分析。抽样（时间离散化）是模拟信号数字化的第一步。 Nyquist 抽样定律：要无失真地恢复出抽样前的信号，要求抽样频率要大于等于两倍基带信号带宽。 抽样定理建立了模拟信号和离散信号之间的关系，在Matlab 中对模拟信号的实验仿真都是通过先抽样，转变成离散信号，然后用该离散信号近似替代原来的模拟信号进行分析的。 【例1】用图形表示DSB 调制波形)4cos()2cos(t t y ππ= 及其包络线。 clf %%计算抽样时间间隔 fh=1;%%调制信号带宽(Hz) fs=100*fh;%%一般选取的抽样频率要远大于基带信号频率，即抽样时间间隔要尽可能短。 ts=1/fs; %%根据抽样时间间隔进行抽样，并计算出信号和包络 t=(0:ts:pi/2)';%抽样时间间隔要足够小，要满足抽样定理。 envelop=cos(2*pi*t);%%DSB 信号包络 y=cos(2*pi*t).*cos(4*pi*t);%已调信号 %画出已调信号包络线 plot(t,envelop,'r:','LineWidth',3); hold on plot(t,-envelop,'r:','LineWidth',3); %画出已调信号波形 plot(t,y,'b','LineWidth',3); axis([0,pi/2,-1,1])% hold off% xlabel('t'); %写出图例 【例2】用图形表示DSB 调制波形)6cos()2cos(t t y ππ= 及其包络线。 clf %%计算抽样时间间隔 fh=1;%%调制信号带宽(Hz) fs=100*fh;%抽样时间间隔要足够小，要满足抽样定理。 ts=1/fs; %%根据抽样时间间隔进行抽样
2010年本科毕业设计：基于MATLAB的OFDM系统仿真及分 析 MATLABOFDM 正交频分复用(OFDM) 是第四代移动通信的核心技术。该文首先简要介绍了OFDM的发展状况及基本原理, 文章对OFDM 系统调制与解调技术进行了解析，得 到了OFDM 符号的一般表达式，给出了OFDM 系统参数设计公式和加窗技术的原理 及基于IFFT/FFT 实现的OFDM 系统模型，阐述了运用IDFT 和DFT 实现OFDM 系统的根源所在,重点研究了理想同步情况下,保护时隙(CP)、加循环前缀前后和不同的信道内插方法在高斯信道和多径瑞利衰落信道下对OFDM系统性能的影响。在给出OFDM系统模型的基础上,用MATLAB语言实现了传输系统中的计算机仿真并给出 参考设计程序。最后给出在不同的信道条件下,研究保护时隙、循环前缀、信道 采用LS估计方法对OFDM系统误码率影响的比较曲线,得出了较理想的结论。 : 正交频分复用;仿真;循环前缀;信道估计 I Title: MATLAB Simulation and Performance Analysis of OFDM System ABSTRACT OFDM is the key technology of 4G in the field of mobile communication. In this
article OFDM basic principle is briefly introduced. This paper analyzes the modulation and demodulation of OFDM system, obtaining a general expression of OFDM mark, and giving the design formulas of system parameters, principle of windowing technique, OFDM system model based on IFFT/FFT, the origin which achieves the OFDM system by using IDFT and DFT. Then, the influence of CP and different channel estimation on the system performance is emphatically analyzed respectively in Gauss and Rayleigh fading channels in the condition of ideal synchronization. Besides, based on the given system model OFDM system is computer simulated with MATLAB language and the referential design procedure is given. Finally, the BER curves of CP and channel estimation are given and compared. The conclusion is satisfactory. KEYWORDS:OFDM; Simulation; CP; Channel estimation II
论文题目: 基于MATLAB的OFDM系统仿真 学院： 专业年级： 学号： 姓名： 指导教师、职称： 2010 年 12 月 10 日
基于Matlab的OFDM系统仿真 摘要：正交频分复用（OFDM）是一种多载波宽带数字调制技术。相比一般的数字通信系统，它具有频带利用率高和抗多径干扰能力强等优点，因而适合于高速率的无线通信系统。正交频分复用OFDM是第四代移动通信的核心技术。论文首先简要介绍了OFDM 基本原理。在给出OFDM系统模型的基础上，用MATLAB语言实现了整个系统的计算机仿真并给出参考设计程序。最后给出在不同的信道条件下，对OFDM系统误码率影响的比较曲线，得出了较理想的结论，通过详细分析了了技术的实现原理，用软件对传输的性能进行了仿真模拟并对结果进行了分析。 介绍了OFDM技术的研究意义和背景及发展趋势,还有其主要技术和对其的仿真?具体如下:首先介绍了OFDM的历史背景?发展现状及趋势?研究意义和研究目的及研究方法和OFDM的基本原理?基本模型?OFDM的基本传输技术及其应用,然后介绍了本课题所用的仿真工具软件MATLAB,并对其将仿真的OFDM各个模块包括信道编码?交织?调制方式?快速傅立叶变换及无线信道进行介绍,最后是对于OFDM的流程框图进行分析和在不影响研究其传输性的前提下进行简化,并且对其仿真出来的数据图形进行分析理解? 关键词：OFDM；MATLAB；仿真 一、OFDM的意义及背景 现代通信的发展是爆炸式的。从电报、电话到今天的移动电话、互联网，人们从中享受了前所未有的便利和高效率。从有线到无线是一个飞跃，从完成单一的话音业务到完成视频、音频、图像和数据相结合的综合业务功能更是一个大的飞跃。在今天，人们获得了各种各样的通信服务，例如，固定电话、室外的移动电话的语音通话服务，有线网络的上百兆bit的信息交互。但是通信服务的内容和质量还远不能令人满意，现有几十Kbps传输能力的无线通信系统在承载多媒体应用和大量的数据通信方面力不从心:现有的通信标准未能全球统一，使得存在着跨区的通信障碍;另一方面，从资源角度看，现在使用的通信系统的频谱利用率较低，急需高效的新一代通信系统的进入应用。 目前，3G的通信系统己经进入商用，但是其传输速率最大只有2Mbps，仍然有多个标准，在与互联网融合方面也考虑不多。这些决定了3G通信系统只是一个对现有移动通信系统速度和能力的提高，而不是一个全球统一的无线宽带多媒体通信系统。因此，在全世界范围内，人们对宽带通信正在进行着更广泛深入的研究。 正交频分复用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 是一种特殊的多载波方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作是一种复用技术。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。正交频分复用（OFDM）最早起源于20世纪50年代中期，在60年代就已经形成恶劣使用并行数据传输和频分复用的概念。1970年1月首次公开发表了有关OFDM的专利。 在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为N个相互不重叠的频率子信道。每个子信道传输独立的调制符号，然后再将N个子信道进行频率复用。这种避免信道频谱重叠看起来有利于消除信道间的干扰，但是这样又不能有效利用宝贵频谱资源。为了解决这种低效利用频谱资源的问题，在20世纪60年代提出一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的频域距离也是如此，从而可以避免使用高速均衡，并且可以对抗窄带脉冲噪声和多径衰落，而且还可以充分利用可用的频谱资源。 常规的非重叠多载波技术和重叠多载波技术之间的差别在于，利用重叠多载波调制技术可以几乎节省50%的带宽。为了实现这种相互重叠的多载波技术，必须要考虑如何减少各个子信道之间的干扰，也就是要求各个调制子载波之间保持正交性。 1971年，Weinstein和Ebert把离散傅立叶变换（DFT）应用到并行传输系统中，作为调制和解调过程的一部分。这样就不再利用带通滤波器，同时经过处理就可以实现FDM。而且，这样在完成FDM的过程中，不再要求使用子载波振荡器组以及相关解调器，可以完全依靠执行快速傅立叶变换（FFT）的硬件来实施。
创新实践报告
报 告 题 目： 学 院 名 称： 姓 名：
基于 matlab 的通信系统仿真 信息工程学院 余盛泽
班 级 学 号： 指 导 老 师： 温 靖
二 O 一四年十月十五日
目录
一、引言........................................................................................................................ 3 二、仿真分析与测试 ................................................................................................... 4
2.1 随机信号的生成 ............................................................................................................... 4 2.2 信道编译码 ........................................................................................................................ 4 2.2.1 卷积码的原理 ........................................................................................................ 4 2.2.2 译码原理 ................................................................................................................ 5 2.3 调制与解调 ....................................................................................................................... 5 2.3.1 BPSK 的调制原理 .................................................................................................. 5 2.3.2 BPSK 解调原理 ...................................................................................................... 6 2.3.3 QPSK 调制与解调 ................................................................................................. 7 2.4 信道 .................................................................................................................................... 8
摘要 正交频分复用(OFDM) 是第四代移动通信的核心技术。该文首先简要介绍了OFDM的发展状况及基本原理, 文章对OFDM 系统调制与解调技术进行了解析，得到了OFDM 符号的一般表达式，给出了OFDM 系统参数设计公式和加窗技术的原理及基于IFFT/FFT 实现的OFDM 系统模型，阐述了运用IDFT 和DFT 实现OFDM 系统的根源所在,重点研究了理想同步情况下,保护时隙(CP)、加循环前缀前后和不同的信道内插方法在高斯信道和多径瑞利衰落信道下对OFDM系统性能的影响。在给出OFDM系统模型的基础上,用MATLAB语言实现了传输系统中的计算机仿真并给出参考设计程序。最后给出在不同的信道条件下,研究保护时隙、循环前缀、信道采用LS估计方法对OFDM系统误码率影响的比较曲线,得出了较理想的结论。 关键词: 正交频分复用;仿真;循环前缀;信道估计
Title: MATLAB Simulation and Performance Analysis of OFDM System ABSTRACT OFDM is the key technology of 4G in the field of mobile communication. In this article OFDM basic principle is briefly introduced.This paper analyzes the modulation and demodulation of OFDM system, obtaining a general expression of OFDM mark, and giving the design formulas of system parameters, principle of windowing technique, OFDM system model based on IFFT/FFT, the origin which achieves the OFDM system by using IDFT and DFT. Then, the influence of CP and different channel estimation on the system performance is emphatically analyzed respectively in Gauss and Rayleigh fading channels in the condition of ideal synchronization. Besides, based on the given system model OFDM system is computer simulated with MATLAB language and the referential design procedure is given. Finally, the BER curves of CP and channel estimation are given and compared. The conclusion is satisfactory. KEYWORDS:OFDM; Simulation; CP; Channel estimation
创新实践报告 报告题目: 基于matlab的通信系统仿真学院名称: 信息工程学院 姓名: 班级学号: 指导老师: 二O一四年十月十五日
一、引言 现代社会发展要求通信系统功能越来越强,性能越来越高,构成越来越复杂;另一方面,要求通信系统技术研究与产品开发缩短周期,降低成本,提高水平。这样尖锐对立的两个方面的要求,只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术与工具才能实现。在这种迫切的需求之下,MA TLAB应运而生。它使得通信系统仿真的设计与分析过程变得相对直观与便捷,由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计的全过程,对通信系统的发展起着举足轻重的作用。通信系统仿真具有广泛的适应性与极好的灵活性,有助于我们更好地研究通信系统性能。通信系统仿真的基本步骤如下图所示: 二、仿真分析与测试 (1)随机信号的生成 利用Matlab中自带的函数randsrc来产生0、1等概分布的随机信号。源代码如下所示: global N N=300; global p
p=0、5; source=randsrc(1,N,[1,0;p,1-p]); (2)信道编译码 1、卷积码的原理 卷积码(convolutional code)就是由伊利亚斯(p 、Elias)发明的一种非分组码。在前向纠错系统中,卷积码在实际应用中的性能优于分组码,并且运算较简单。 卷积码在编码时将k 比特的信息段编成n 个比特的码组,监督码元不仅与当前的k 比特信息段有关,而且还同前面m=(N-1)个信息段有关。 通常将N 称为编码约束长度,将nN 称为编码约束长度。一般来说,卷积码中k 与n 的值就是比较小的整数。将卷积码记作(n,k,N)。卷积码的编码流程如下所示。 可以瞧出:输出的数据位V1,V2与寄存器D0,D1,D2,D3之间的关系。根据模2加运算特点可以得知奇数个1模2运算后结果仍就是1,偶数个1模2运算后结果就是0。 2、译码原理 卷积码译码方法主要有两类:代数译码与概率译码。代数译码主要根据码本身的代数特性进行译码,而信道的统计特性并没有考虑在内。目前,代数译码的主要代表就是大数逻辑解码。该译码方法对于约束长度较短的卷积码有较好的效果,并且设备较简单。概率译码,又称最大似然译码,就是基于信道的统计特性与卷积 码的特点进行计算。在现代通信系统中,维特比译码就是目前使用最广泛的概率 译码方法。 02 1V D D =⊕01232V D D D D =⊕⊕⊕
创新实践报告 报告题目：基于matlab的通信系统仿真学院名称：信息工程学院 姓名： 班级学号： 指导老师： 二O一四年十月十五日
一、引言 现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。在这种迫切的需求之下，MATLAB应运而生。它使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计的全过程，对通信系统的发展起着举足轻重的作用。通信系统仿真具有广泛的适应性和极好的灵活性，有助于我们更好地研究通信系统性能。通信系统仿真的基本步骤如下图所示：
二、仿真分析与测试 （1）随机信号的生成 利用Matlab 中自带的函数randsrc 来产生0、1等概分布的随机信号。源代码如下所示： global N N=300; global p p=0.5; source=randsrc(1,N,[1,0;p,1-p]); （2）信道编译码 1、卷积码的原理 卷积码(convolutional code)是由伊利亚斯(p.Elias)发明的一种非分组码。在前向纠错系统中，卷积码在实际应用中的性能优于分组码，并且运算较简单。 卷积码在编码时将k 比特的信息段编成n 个比特的码组，监督码元不仅和当前的k 比特信息段有关，而且还同前面m=(N-1)个信息段有关。 通常将N 称为编码约束长度，将nN 称为编码约束长度。一般来说，卷积码中k 和n 的值是比较小的整数。将卷积码记作(n,k,N)。卷积码的编码流程如下所示。 可以看出：输出的数据位V1,V2和寄存器D0,D1,D2,D3之间的关系。根据模2 D0D2D1D3 + + M V1 V2 OUT 02 1V D D =⊕0123 2V D D D D =⊕⊕⊕
OFDM系统仿真与实现 1、OFDM的应用意义 在近几年以内,无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。由于用户对各种实时多媒体业务需求的增加与互联网技术的迅猛发展,未来的无线通信及技术将会有更高的信息传输速率,为用户提供更大的便利,其网络结构也将发生根本的变化。随着人们对通信数据化、个人化与移动化的需求,OFDM技术在无线接入领域得到了广泛的应用。OFDM就是一种特殊的多载波传输方案,它将数字调制、数字信号处理、多载波传输技术结合在一起,就是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统,具有传输速率快、抗多径干扰能力强的优点。目前,OFDM技术在数字音频广播(DAB)、地面数字视频广播(DVB-T)、无线局域网等领域得到广泛应用。它将就是4G移动通信的核心技术之一。 OFDM广泛用于各种数字传输与通信中,如移动无线FM信道,高比特率数字用户线系统(HDSL),不对称数字用户线系统(ADSL),甚高比特率数字用户线系统HDSL,数字音频广播(DAB)系统,数字视频广播(DVB)与HDTV地面传播系统。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接口与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。 OFDM由于技术的成熟性,被选用为下行标准很快就达成了共识。而在上行技术的选择上,由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本与功率消耗,限制终端的使用时间,一些则认为可以通过滤波,削峰等方法限制峰均比。不过,经过讨论后,最后上行还就是采用了SC-FDMA方式。拥有我国自主知识产权的3G标准一一TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD-CDM-OFDM 的方案B3G/4G就是ITU提出的目标,并希望在2010年予以实现。B3G/4G的目标就是在高速移动环境下支持高达100Mb/S的下行数据传输速率,在室内与静止环境下支持高达IGb/S的下行数据传输速率。而OFDM技术也将扮演重要的角色。 2、OFDM的原理研究与分析 2、1OFDM的关键技术 (1) 时域与频域同步 OFDM系统对定时与频率偏移敏感,特别就是实际应用中与FDMA、TDMA与CDMA 等多址方式结合使用时,时域与频率同步显得尤为重要。 (2) 信道估计