开题报告 基于matlab的OFDM系统仿真

毕业设计(论文)开题报告

题目：基于Matlab的OFDM系统仿真

院（系） 电子信息工程学院

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导 师

2012年 2 月26 日 1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）

1.1 题目背景

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。研究关于实现OFDM的技术很多， 实际应用中的OFDM 复杂度很高。因此， 建立适合自己研究方向的OFDM 模型， 无论是为了理解OFDM 技术的理论，还是对后续的OFDM 与其他技术相结合的研究工作，都有着非常重要意义。也由于它的简单高效，使之成为第四代移动通信中最重要的技术之一。

1.2 研究意义及国内外相关研究情况

1966年，R.W.Chang分析了在多载波通信系统中如何使经过滤波后带限的子载波保持正交。随后不久B.R.Saltzberg给出了一篇性能分析的文章，他指出在设计一个有效的并行传输系统时，应该把注意力更多地集中在减少相邻信道的串扰上，而不是使各个独立的信道工作得更好，因为此时信道串扰是造成信号失真的主要因素。1971年，S.B.Weinstein和P.M.Ebert提出用傅立叶变换(DFT)进基带OFDM调制和解调。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。 现代移动通信发展至今，已经经历了三代，而3G 的后续技术也在加速研究中。目前，国际标准化组织正在推动无线传输技术从2Mb/s 的传输速率向100Mb/s 和1000Mb/s 的目标发展，对4G 的定义也已经逐渐清晰起来。基本上可以确定，OFDM/OFDMA、MIMO和智能天线等技术将成为4G 的主流技术。

2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施

2.1 OFDM的基本原理

发送端把被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并将进行快速傅利叶反变换（IFFT）或者离散傅里叶反变换（IDFT）（IFFT的计算效率比IDFT高）将数据的数据的频谱表达式变到时域上。如图1-1所示，上半部分是发送的链路的框图，下半部分是接受的链路的框图。

OFDM的原理主要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。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰(ISI)。而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的子载波间干扰((ICI) 。

图1-1 OFDM收发原理框图 F(t) 扰码 卷积编码 交织 数字调制 插入导频 串/并

解交织 数字解调 信道校正 并/串 串/并 并/串 IFFT

FFT 插入循环前缀和加窗 数/模 RF TX 信

道 RF RX 模/数 定时和频率同步 去循环前缀

R(t)

解扰 VB译码 2.2主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施

实际上一个OFDM的形成可以遵循以下过程：首先，在N1个经过数字调制的符号后面补零，构成N2个输入样值序列，再进行IFFT计算。然后，IFFT输出的最后L1个样值被插入到OFDM符号的最前面，而且IFFT输出的最前面 L1个样值被插入到OFDM符号的最后面。最后，OFDM符号与升降余弦函数时域相乘，使得系统宽带之外的功率可以快速下降。再经过数模转换、射频调制，最后发送。

2.2.1确定参数

需要确定的参数为：子信道，子载波数，FFT长度，每次使用的OFDM符号数，调制度水平，符号速率，比特率，保护间隔长度，信噪比，插入导频数（基本的仿真可以不插入导频，可以为0）。

2.2.2产生数据

使用随机数产生器产生一个m序列。

2.2.3编码、交织

交织编码可以有效地抗突发干扰。分别用编码器、交织器实现。

2.2.4子载波调制

OFDM采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM4种调制方式。按照星座图，将每个子信道上的数据，映射到星座图点的复数表示，转换为同相Ich和正交分量Qch。

2.2.5串并转换和并串转换

串并转换是将一路高速数据转换成多路低速数据，用解复用模块实现。而并串转换刚好与之相反。

2.2.6 IFFT

在实际运用中， 信号的产生和解调都是采用数字信号处理的方法来实现的，

此时要对信号进行抽样， 形成离散时间信号。IDFT可以采用快速反傅立叶变换(IFFT)来实现得到更快的处理速度。

2.2.7 插入循环前缀

插入循环前缀也就是加入保护间隔，由IFFT运算后的每个符号的同相分量和正交分量分别转换为串行数据，并将符号尾部G长度的数据加到头部，构成循环前缀。如果加入空的间隔，在多径传播的影响下，会造成载波间干扰ICI。保护见个的长度G应该大于多径时的扩张的最大值。利用循环前缀和加入特殊的OFDM训练符号等方法，可以较好的时间同步和频率同步。

2.2.8加窗（windowing）

加窗是为了降低系统的PAPR，滚降系数为1/32。通过这种方法，可以显著地改善OFDM通信系统高的PAPR分布，大大降低了峰值信号出现的概率以及对功率放大器的要求，节约成本。经常被采用的窗函数是升余弦窗。

2.2.9信道传输

信道可分为多径实验信道和高斯白噪声信道。多径时延信道直射波和延迟波对于标准时间按照固定比率递减，因此多径时延信道参数为比率和最大延迟时间。

2.2.10 同步

同步是决定OFDM系统高性能十分重要的方面。实际OFDM系统都有同步过称，主要的同步方法有使用导频、循环前缀和忙算法三种。研究目的为同步的可以详细实现本步，基本的方针可以略过此步，假设接收端已经于发射端同步。

2.2.11去掉循环前缀

根据同步得到的数据，分别将给每个符号的同相分量和正交分量开头的保护间隔去掉。

2.2.12 FFT

与发送端的IFFT互为逆变换。

2.2.13子载波解调

FFT后的同相粉脸感和正交分量两组数据在星座图上对饮高的点，由于噪声和信道的影响，不再是严格的发送端的星座图。将得到的星座图上的点按照最近原则判决为原星座图上的点，并按映射规则还原为一组数据。解调也有很多方法，例如：差分解调、相干解调。

2.2.14解交织、解码

按照编码交织对应解码，解交织的方法，还原为原始数据，可以由解码器和解交织其实现。进行纠错处理，同时比较第2步产生的数据和接收到的数据，计算误码率BER

3. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作

3.1 研究的重点及难点

在进行傅里叶变换和傅里叶反变换时，时域和频域的转换是一个很重要和关键的环节。 在宽带无线通信系统中，影响高速信息传输的最主要一类干扰是频率选择性干扰。它表现为对信号的某些频率成分衰减严重，而对另外一些频率成分有较高的增益。为克服这类衰落，一个很自然的想法是在信道上划分多个子信道，使每一个子信道的频率特性都近似于平坦，使用这些独立的子信道传输信号并在接收机中予以合并，以实现信号的频率分集，这就是多载波调制的基本思想。在无线通信中应用最广的是OFDM多载波调制技术，它的每一个子载波都是正交的，提高了频谱的利用率。还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，最大限度的消除由于多径带来的符号间干扰。

3.2前期已开展工作

复习了matlab语言编程基方法，并熟练掌握simulink。查询资料搜集相关资料，通过仔细研究基本了解OFDM的基本原理、实现方法和过程。

4. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）

课题完成的工作进度计划是：

1—2周 前期资料准备，查阅相关文献准备开题，完成开题报告。

3—7周 对查找的资料进行全面的学习和掌握，并细化设计内容。

8—13周 对整个课题进行深入细致的研究，实现改进算法。

14—15周 对系统进行软件设计、软件调试，并不断完善。

16—18周 总结课题，完成毕业论文，准备答辩。

19周— 准备答辩。

参考文献

[1]王文博，郑侃. 宽带无线通信OFDM技术，北京：人民邮电出版社，2003

[2]Juha Heiskala,John Terry.OFDM无线局域网，北京：电子工业出版社，2003

[3] R van Nee. OFDM WirelessMultimedia Communications.Rrasad R. Artech House,

1998.

[4] Erich Cosby. Orthogonal Frequency Division Multip lexing(OFDM) Tutorial and

Analysis[M ]. Northern Virginia Center,2001.

[5]佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理及应用.北京：人民邮电出版社，2003

[6] Mingqi Li ,Qicong Peng, Yubai Li. Performance Evaluation of MC - DS - CDMA

Systems in Multipath Fading Channels. IEEE , 2002

[7]罗建军，杨琦.精讲多练MATLAB.陕西：西安交通大学出版社,2009

[8] 尹泽明，等. 精通MATLAB6. 北京：清华大学出版社，2002.

[9] 蔡涛， 等译. 无线通信原理与应用. 电子工业出版社,1999.

[10] 王玲，逯贵祯，肖怀宝.基于 Matlab的 OFDM仿真实现及性能分析.