【導(dǎo)讀】OFDM技術(shù)的研究與仿真。本科畢業(yè)設(shè)計(論文). 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書。讀關(guān)于OFDM技術(shù)的專著，并搜集、查閱有關(guān)OFDM技術(shù)的資料，深入。研究OFDM技術(shù)的基本理論及技術(shù)，了解該技術(shù)存在的問題及現(xiàn)有的解決方。法，并比較各自的特點；掌握MATLAB語言，基本的OFDM系統(tǒng)給出仿真模。型并進行仿真，并通過仿真驗證其性能。周次第1～4周第5～8周第9～12周第13～16周第17～18周。首先簡單介紹了OFDM的基本原理、引用領(lǐng)域及發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢。相關(guān)書籍和文獻資料寫出MATLAB語言的仿真程序，并進行調(diào)試和修改。通過軟件仿真出OFDM系統(tǒng)在QPSK調(diào)制下和沒有插入保護間隔的波形圖。最后，通過對QPSK調(diào)制和解調(diào)方式原理的學(xué)習(xí)，配合MATLAB的仿。真圖對仿真結(jié)果進行比較分析得出其對誤碼率的影響。

　　

【正文】 考慮信道噪聲， N個子信道上的接收信號 (頻域 )等于各子信道上的發(fā)送信號(頻域 )與信道的頻譜特性的頻率乘積。如果通過估計方法預(yù)先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號與信道的頻譜特性相除，即可實現(xiàn)接收信燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 21 號的正確解調(diào)。信道估計器的設(shè)計主要有兩個問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷地發(fā)送。二是既有較低的復(fù)雜度又有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力的信道估計器 的設(shè)計。在實際設(shè)計中，導(dǎo)頻信息選擇和最佳估計器的設(shè)計通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因為估計器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。 (3)信道編碼和交織技術(shù) 信道編碼可以顯著地提高數(shù)字通信系統(tǒng)的抗干擾能力。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯誤，可以采用交織。實際應(yīng)用中，通常同時采用信道編碼和交織，進一步改善整個系統(tǒng)的性能。在 OFDM系統(tǒng)中，可使用任意傳統(tǒng)的信道編碼，如分組碼，卷積碼、網(wǎng)格編碼調(diào)制及 Turbo碼。現(xiàn)在的發(fā)展方向是在 OFDM系統(tǒng)中結(jié)合多天線技術(shù)使用空時編碼，即 。該技術(shù)可顯著地提高 OFDM系統(tǒng)的性能。 (4)降低峰均功率比技術(shù) 在時域， OFDM信號是 N路正交子載波信號的疊加。當(dāng) N路信號恰好按相同的極性同時取得最大值時， OFDM信號將呈現(xiàn)最大的峰值。該峰值功率與信號的平均功率的比值，稱為峰值平均功率比(PeaktoAverage Power Ratio， PAPR)，簡稱峰均比 [16]。較高的 PAPR，對發(fā)送端的功放的線性度要求很高，使得 OFDM系統(tǒng)的性能大大下降，直接影響它的實際應(yīng)用。為了解決這一問題，人們提出了基于限幅類技術(shù)、概率類技術(shù)和編碼類技術(shù)等降低 OFDM系統(tǒng) PAPR的方法。 (5)信道時變性的 影響 信道的時變性引起接收信號的多普勒擴展，使OFDM信號的正交性遭到破壞，引起子載波間的干擾及系統(tǒng)性能的下降。克服多普勒擴展的傳統(tǒng)方法是采用信道編碼加交織技術(shù)來抵抗信道性能的下降。最近的發(fā)展是利用多普勒分集技術(shù)來將多普勒擴展變害為利，從而提高系統(tǒng)性能。 (6)自適應(yīng)技術(shù) 利用 OFDM技術(shù)的一大好處是可以根據(jù)信道的頻率選擇性衰落情況動態(tài)地調(diào)整每個子載波上的信息比特數(shù)和發(fā)送功率，優(yōu)化系統(tǒng)性能，稱為自適應(yīng)比特和功率分配，也稱為自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。多用戶的情況下，如 何為每個用戶最優(yōu)地分配系統(tǒng)資源，從而使系統(tǒng)的發(fā)送功率最低或使系統(tǒng)的信息速率最高，這是一個非常復(fù)雜的問題。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 22 本章小結(jié) 正交頻分復(fù)用 (OFDM)的基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個子信道中進行傳輸。由于每個子信道中的符號周期會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的影響。 本章主要討論 OFDM 系統(tǒng)的基本原理，首先給出了 OFDM 系統(tǒng)發(fā)射機和接收機的基本模型，同時分析了用 FFT 實現(xiàn) OFDM 系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的過程及其正交性原理，接著討論了保 護間隔插入的原理和方法 。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 23 第 3章 OFDM系統(tǒng)的仿真與分析 OFDMD的系統(tǒng)仿真 MATLAB的簡介 MATLAB 軟件系列產(chǎn)品是一套 強大的工程技術(shù)數(shù)值運算和系統(tǒng)仿真軟件，廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的航空航天、汽車制造、半導(dǎo)體制造、電子通信、 醫(yī)學(xué)研究、財經(jīng)研究和高等教育等領(lǐng)域，被譽為“巨人肩膀上的工具” [10]。 研發(fā)人員借助 MATLAB 軟件能夠迅速測試設(shè)計構(gòu)想，綜合評測系統(tǒng)性能，快速設(shè)計更好方案來確保更高技術(shù)要求。同時， MATLAB 也是國家教委重點提倡的一種計算工具。綜合起來， MATLAB 有如下 幾個特點。 (1)編程效率高 MATLAB 是一種面向科學(xué)與工程計算的高級語言，允許采用數(shù)學(xué)形式的語言編寫程序，且比 Basic、 Fortran 和 C 等語言更加接近我們書寫計算公式的思維方式。用 MATLAB 編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題，因此， MATLAB 語言被稱為：“演算紙式科學(xué)計算語言”。 (2)使用方便 MATLAB 語言是一種解釋型語言，執(zhí)行之前不需要進行專門的編譯。一般情況下，在采用任何高級語言編寫和調(diào)試程序時需要經(jīng)歷4 個階段，即編輯、編譯、鏈接以及執(zhí)行調(diào)試，并且這 4 個步驟之間是順序執(zhí)行的 。 MATALB 語言與其他語言相比，較好地解決了上述問題，把編輯、編譯、鏈接和執(zhí)行融為一體。它能在同一畫面上進行靈活操作快速排除輸入程序中的書寫錯誤、語法錯誤以至語義錯誤，從而加快了用戶編寫、修改和調(diào)試程序的速度，可以說在編程和調(diào)試過程中它是一種比 VB 還要簡單的語言。 具體地說， MATLAB 運行時，如直接在命令行輸入 MATLAB 語句 (命令 )，包括調(diào)用 M 文件的語句，每輸入一條語句，就立即對其進行處理，完成編譯、鏈接和運行的全過程。又如，將 MATLAB 源程序編輯為 M 文件，由于 MATLAB磁盤文件也是 M文件，所以編 輯后的源文件就可以直接運行，而不需要進行編譯和鏈接。在運行 M 文件時，如有錯，計算機屏幕上會給出詳細的出錯信息，用戶修改后在執(zhí)行，直到正確為止。所以可以說， Matlab燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 24 語言不僅是一種語言，廣義上講是一種語言調(diào)試系統(tǒng)。 (3)擴充能力強 高版本的 MATLAB 語言有豐富的庫函數(shù)，在進行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算時可以直接調(diào)用，而且 MATLAB 的庫函數(shù)同用戶文件在形成上一樣，所以用戶文件也可作為 MATLAB 來調(diào)用，用戶可以根據(jù)自己的需要方便地建立和擴充新的庫函數(shù)，以便提高 MATLAB 使用效率和擴充它的功能。另外，為了充分利用 Fortran、 C 等語言的資源，包括用戶己編好的 Fortran、C 語言程序， MATLAB 可以通過建立 MEX 文件的形式，混合編程，方便地調(diào)用有關(guān)的 Fortran 語言或 C 語言的子程序。 (4)語句簡單，內(nèi)涵豐富 MATLAB 語言中最基本最重要的成分是函數(shù)，其一般形似為 [y1， y2， ...]=fun(x1， x2， ? )即一個函數(shù)由函數(shù)名 fun，輸入變量 x1， x2， ?和輸出變量 y1， y2， ?組成。同一函數(shù)名 fun， 不同數(shù)目的輸入變量 (包括無輸入變量 )及不同數(shù)目的輸出變量代表著不同的含義 (有點像面向?qū)ο笾械亩鄳B(tài)性 )。 這不僅使 MATLAB 的庫函數(shù)功能更加豐富，同時大大減少了需要的磁盤空間，使得 MATLAB 編寫的 M 文件簡單，短小而高效。 (5)高效方便的矩陣和數(shù)組運算 MATLAB 語言像 Basic、 Fortran 和 C語言一樣規(guī)定了矩陣的算法運算符、關(guān)系運算符、邏輯運算符、條件運算符以及賦值運算符，而且這些運算符大部分可以毫無改變地照搬到數(shù)組間的運算。另外，它不需要定義數(shù)組的維數(shù)，而且在 MATLAB 中，給出了矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使之在求解諸如信號處理、建模、系統(tǒng)識別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時，顯得簡捷、高效，這 是其它高級語言所不能比擬的。在此基礎(chǔ)上，高版本的 MATLAB 已逐步擴展到科學(xué)及工程計算的其他領(lǐng)域。 (6)方便的繪圖功能 MATLAB 的繪圖是十分方便的，它有一系列繪圖函數(shù) (命令 )，例如線性坐標、對數(shù)坐標、半對數(shù)坐標和極坐標等，均只需要調(diào)用不同的繪圖函數(shù) (命令 )。在圖上標出圖題、斜軸標注，格 (柵 )繪制也只需要調(diào)用相應(yīng)的命令，簡單易行。另外，在調(diào)用繪圖函數(shù)時調(diào)整自變量可繪制出不變顏色的點、線、復(fù)線或多重線。這種為科學(xué)研究著想的設(shè)計是通用的編程語言所不及的。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 25 OFDM模型的參數(shù)選擇 本文使用 MATLAB OFDM系統(tǒng)模型。目的是觀察在不同信噪比 (BNR)噪聲信道條件下 OFDM技術(shù)的性能及對誤碼率的影響 (BER)。OFDM參數(shù)的選擇是各種各樣的、經(jīng)常沖突的要求中取折衷的過程，帶寬、比特率和延遲擴展是設(shè)計 OFDM系統(tǒng)時最主要的參數(shù)。 設(shè)計圖 31的 OFDM系統(tǒng)流程圖 。 輸入串行數(shù)據(jù)流信源信道編碼IT FF插入循環(huán)前綴并串轉(zhuǎn)換輸出串行數(shù)據(jù)流信源信道解碼并串轉(zhuǎn)換 FFT去除循環(huán)前綴串并轉(zhuǎn)換信道串并轉(zhuǎn)換圖 31 OFDM系統(tǒng)流程圖 用戶信號先以串行的方式輸入發(fā)送器，再經(jīng)過一個串并變換器，是串行輸入的信號以并行方式輸入到 N條線路上。隨后該 OFDM碼被送到快速傅立葉逆 變換模塊，進行快速傅立葉逆變換?？焖俑盗⑷~逆變換是把頻域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時域的數(shù)據(jù)。在計算快速傅立葉逆變換樣值之后，一個循環(huán)前綴被添加到樣值之前，形成一個循環(huán)拓展的 OFDM信息碼字。 循環(huán)拓展信息碼的樣值再經(jīng)過一個并串轉(zhuǎn)換器模塊，然后按照串行的方式通過信道。在傳輸?shù)倪^程中，受到信道沖擊響應(yīng)的干擾。 接收器端按照相反的過程即可將原始信號恢復(fù)。接收到的信號是時域信號。信號經(jīng)過一個串并轉(zhuǎn)換器，并且把循環(huán)前綴去掉，循環(huán)前綴中的信息是多于的，其中一個好處就是可以消除碼間干擾。多徑信號引發(fā)的先發(fā)信息碼燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 26 字的滯后到到達而影響當(dāng)前信息碼字，從而產(chǎn)生碼間干擾。但是有了循環(huán)前綴和保護間隔，使得碼間干擾僅僅會干擾當(dāng)前信息碼循環(huán)前綴。因此，適當(dāng)大小的循環(huán)前綴可以消除碼間干擾。 在清除了循環(huán)前綴后，信號經(jīng)過一個快速傅立葉變換模塊，把信號從時域轉(zhuǎn)變成頻域。信號經(jīng)過一個并串轉(zhuǎn)換模塊進行并串轉(zhuǎn)換，就完成了對原始OFDM信號的接收。之后 再對頻域信號進行解調(diào)就可以恢復(fù)原始信號了。 MATLAB仿真步驟 在 OFDM系統(tǒng)中，我們需要確定以下參數(shù)：符號周期、保護間隔、子載波的數(shù)量。這些參數(shù)的選擇取決于給定的信道的帶寬、時延擴展以及所要求的信息傳輸速率。一般按照以下步驟來確定 OFDM系統(tǒng)的各參數(shù)： (1)確定保護間隔 根據(jù)經(jīng)驗，一般選擇保護間隔的時間長度為時延擴展均方根值的 2到 4倍。 (2)選擇符號周期 考慮到保護間隔所帶來的信息傳輸效率的損失和系統(tǒng)的實現(xiàn)復(fù)雜度以及系統(tǒng)的峰均平均功率比等因素，在實際系統(tǒng)中，一般選擇符號周期長度至 少是保護間隔長度的 5倍。 (3)確定子載波的數(shù)量 子載波的數(shù)量可以直接利用 3dB帶寬除以子載波間隔 (即去掉保護間隔之后的符號周期的倒數(shù) )得到?；蛘?，可以利用所要求的比特速率除以每個子信道的比特速率來確定子載波的數(shù)量。每個子信道中傳輸?shù)谋忍厮俾视烧{(diào)制類型、編碼速率以及符號速率來確定。在選定了以上參數(shù)之后，還要保證在 FFT/IFFT運算時間內(nèi)和符號間隔內(nèi)的采樣數(shù)量須為整數(shù)，如不能滿足要求，可適當(dāng)改變以上參數(shù)，以滿足采樣數(shù)量為整數(shù)的要求。 結(jié)果分析 在基于 WLAN 系統(tǒng)平臺上 ，高斯和瑞利信道條件下，通過仿真，得到了 OFDM 系統(tǒng)的誤比特率?；趬K狀導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)信道估計要求信道 。 必須是慢衰落信道，即信道在幾個 OFDM 符號期間是不變化的。 圖 32是在高斯白噪聲下系統(tǒng)的誤碼率曲線表明誤碼率隨著信噪比的變化曲線，圖 33 表示了保護間隔對誤碼率的影響，通過仿真可以看出保護間隔對 降低 系統(tǒng) 的誤碼率有一定的作用 。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 27 圖 32 OFDM調(diào)制信噪比變化曲線 圖 33 保護間隔對信噪比的影響 本章小結(jié) 本章首先介紹了 OFDM系統(tǒng)的基本原理，給出了系統(tǒng)實現(xiàn)的框圖，分析燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 28 了發(fā)送和接收信號的 原理，并重點對離散傅立葉變換、信號過采樣、保護間隔和循環(huán)前綴等技術(shù)進行了討論，然后介紹了 OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，最后對 OFDM系統(tǒng)進行的仿真。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 29 結(jié)論 OFDM是一種能夠?qū)褂啥鄰剿ヂ湫诺涝斐傻姆栭g干擾的有效技術(shù)，它可在頻率選擇性衰落信道中實現(xiàn)高速率的無線通信。第三代移動通信系統(tǒng)的標準己確定，第四代移動通信系統(tǒng)己處于研究和試驗階段。 OFDM技術(shù)作為一種高效的調(diào)制技術(shù)，將成為第四代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為OFDM系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一的信道估計，它的性能直接影響到未來移動通信的通信品質(zhì)。開展這方面的研究具 有很強的理論和現(xiàn)實意義。 本文介紹了移動通信的發(fā)展歷史和 OFDM技術(shù)的基礎(chǔ)理論，其重點分析了 OFDM系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的 FFT實現(xiàn)、 OFDM的正交性、保護間隔和循環(huán)前綴等。另外 在上述理論的基礎(chǔ)上基于 MATLAB仿真，在研究過程中結(jié)合理論分析、計算機仿真對誤碼率進行了對比。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 30 參考文獻 1 周恩、張興、日邵彪等 .下一代帶寬無線通信 OFDM 技術(shù) ， 北京： 北京人民出版社 ， 1998,3645 2 羅宏 .第四代移動通信技術(shù)簡介 .廣州：廣東通信技術(shù) 出版社 ， 3 張亞娟 .OFDM 系統(tǒng)同步技術(shù)研究： (碩士學(xué)位論 文 )． 大連理工大學(xué)， 2021，710 4 , . and Novel OFDM Frame Synchronization ， 12(5):2629 5 J． Lee and L E． Miller． CDMA System EngiIleerillg Handbook[M]． London：Artech House, 1998,(10):56