1、本科毕业论文（20 届）基于 Matlab 的 OFDM 系统设计与仿真所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - I -目录摘 要 .IIIAbstract.IV第一章 绪论 .11.1 OFDM 系统的概述 .11.2 OFDM 发展状况 .1第二章 OFDM 的基本原理 .52.1 OFDM 系统模型与系统框图 .52.1.1 OFDM 的快速傅里叶变换调制解调 .62.1.2 子载波调制 .72.1.3 保护间隔,循环前缀 .82.2 关于下一代 OFDM 系统的关键技术 .122.2.1 时域与频域的同步 .122.2.2 信道的估计 .122
2、.2.3 编码信道和交织 .122.2.4 降低峰值平均功率比 .122.2.5 均衡 .13第三章 OFDM 系统在 MATLAB 上应用 simulink 的仿真 .143.1 MATLAB 与 SIMULINK 的简介 .143.2 OFDM 系统在 SIMULINK 的简介 .153.2.1 基本的参数选择 .153.2.2 信源的仿真 .163.2.3 信道的仿真 .163.3 OFDM 仿真模型框图及参数的选择 .173.4 针对 ODFM 系统峰均值比高的改进 .183.4.1 峰均比（PAR）的定义及分布 .183.4.2 降低 OFDM 系统 PAPR 值相关技术概述 .21
3、3.4.3 SLM 方法的仿真实现 .23第四章 Simulink 仿真结果 .27- II -4.1 仿真结果图及结果分析 .274.1.1 不同信道信噪比下的仿真结果 .274.1.2 有保护间隔与无保护间隔误码率比较 .304.1.3 不同保护间隔长度下的对误码率的影响 .324.2 OFDM 峰均比结果图 .32总 结 .34参考文献 .35致 谢 .36- III -基于 Matlab 的 OFDM 系统设计与仿真摘 要正交频分复用（OFDM ）是第四代移动通信核心技术之一，是一种相当有潜力的技术，因其能够有效地对抗符号间干扰（ISI）和跨载波干扰（ICI） ，得到了通信界的广泛关注
4、。目前是移动通信领域的关键技术之一，它具有很多其它无线传输技术所未有的特点，适合于高速的无线数据传输系统，具有广阔的市场前景，被广泛应用于无线局域网、DAB、DVB 以及 HDTV 等系统中，但 OFDM 存在着一些固有的缺点需要克服，这些缺点的存在将使 OFDM 的优点无法充分体现出来，本论文首先介绍 OFDM 的历史背景及应用情况，然后再介绍其基本原理和优劣势，并结合 OFDM 基本通信模型，以利用 Matlab 的 Simulink 模块完成在理想同步情况下，处于加性高斯白噪声信道中的OFDM 系统的仿真。进而再在原始 OFDM 系统模型的基础上，加入保护间隔（CP）以完成 OFDM 系
5、统在不同长度保护间隔下和无保护间隔的条件下误码性能的比较仿真，并且针对 OFDM 峰均值比高的缺陷在基本模型的基础上采用选择性映射法（SLM）进行改进。最后对仿真结果进行简单的说明分析。关键词：正交频分复用；峰均功率比；选择性映射- IV -Design and Simulation of OFDM System Based on MatlabAbstractOrthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is the fourth generation mobile communications core technology, is a
6、very promising technology, because it can effectively combat inter-symbol interference (ISI) and inter-carrier interference (ICI), are widespread concern in the communications sector. The field of mobile communications is currently one of the key technologies, it has a lot of other wireless transmis
7、sion technology that features not suitable for high-speed wireless data transmission system, has broad market prospects, are widely used in wireless local area network, DAB, DVB and HDTV and other systems, but OFDM has some inherent disadvantages to overcome these shortcomings of the existing advant
8、ages of OFDM will not be fully reflected, the paper first describes the historical background of OFDM and application, and then introduces the basic principles and priorities disadvantage, combined with OFDM basic communication model, to take advantage of Matlabs Simulink modules to complete synchro
9、nization in the ideal case, in the additive white Gaussian noise channel, the OFDM system simulation. And then again in the original OFDM system model based on adding guard interval (CP) to complete the OFDM system with different guard interval length and unprotected under the conditions of the inte
10、rval comparison of BER performance simulation, and for the defect than the high peaks of the OFDM In the basic model based on the use of selective mapping method (SLM) to improve it. Finally, a simple description of the simulation results analysis.Keywords：OFDM,PAPR,SLM- 5 -第一章 绪论1.1 OFDM 系统的概述OFDM(
11、Orthogona1Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用，是一种多载波数字调制技术，早在 20 世纪 60 年代就已经被提出，OFDM 技术的特点是降低了均衡器的复杂性,而且也易于实现信道均衡，但是由于 OFDM 技术要求大量的复杂计算和高速存储设备，当时的技术条件达不到，所以仅在一些军用系统中有过应用。OFDM是一种无线环境下高速传输技术。无线信道的频率响应大多是非平坦的。正交频分复用也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。而 OF
12、DM 技术的最为主要的思想就是在频域内将所给予的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，也就是具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，可以大大消除信号波形间的干扰，又由于各子信道的载波间相互正交，以至于它们的频谱是相互重叠的，这样既减小了子载波间的相互干扰，同时也提高了频谱利用率。OFDM 技术具有较强的抗信道频率选择性衰落的性能，是抗信道多径的有效方法。随着 DSP 芯片技术的发展，傅立叶变换/反变换、高速 Modem 采用的64/128/256QAM 技术
13、、栅格编码技术、信道自适应技术、插入保护时段等成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发 OFDM 技术在移动通信领域的应用。OFDM 的技术由于使用频谱效率较高，正交重叠的频谱。另外还具有抗多径时延、硬件实现简单等优点，目前已基本被公认为 Beyond3G 的核心技术，尤其是 OFDM、多载波作为一项核心技术和其他先进的发送和接收技术的结合，更是今后广泛研究的重点。1.2 OFDM 发展状况1971 年，Weinstein 和 Ebert 提出了采用离散傅立叶变换来等效多个调制解调器的功能，从而简化了系统结构，这使得 OFDM 技术更趋于实用化。近年来，由于数字信号处理技术和大规模集
14、成电路技术(VLSI) 的发展，制约 OFDM 技术发展的障碍已不- 6 -存在。1995 年欧洲电信标准委员会(ETSI) 将 OFDM 作为数字音频广播(DAB)的调制方式，这也是第一个以 OFDM 作为传输技术的标准。1997 年欧洲数字视频广播联盟采用 OFDM 作为其地面广播(DVB-T)调制标准。1999 年 IEEE 通过了将 OFDM 作为其无线局域网标准 IEEE802.lla 的物理层的调制标准。OFDM 和 CDMA 的结合也被用于宽带 CDMA 中。目前 OFDM 技术己经被广泛应用于视频领域和民用通信系统和广播式的音频中，主要的应用包括：ETSI 标准的数字音频广播(
15、DAB) 、非对称的数字用户环路(ADSL)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网 (WLAN)等。2001 年，IEEE802.16 通过了无线城域网标准，该标准根据使用频段的不同，具体可分为视距和非视距两种。其中，使用许可和免许可频段，由于在该频段波长较长，非常适合非视距传播，此时系统会存在较强的多径效应，而在免许可频段还存在干扰问题，所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM 调制，多址方式为 OFDMA。而后，IEEE802.16 的标准每年都在发展。2004 年 11 月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP
16、 通过被称为 Long Term Evolution(LTE)即“3G 长期演进” 的立项工作。项目以制定 3G 演进型系统技术规范作为目标。3GPP 经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在 2005 年 12 月选定了 LTE 的基本传输技术，即下行 OFDM，上行 SC。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和功率消耗，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。B3G/4G 的目标是在高速移动环境下支持高达 100Mb/S 的下行数据传输速率，在室内和
17、静止环境下支持高达 1Gb/S 的下行数据传输速率 2。2006 年 2 月，IEEE802.16e( 移动宽带无线城域网接入空中接口标准 )形成了最终的出版物。当然，采用的调制方式仍然是 OFDM。2010 年全球首个 TD-LTE-A 的规模实验网将在上海世博会向媒体开放。 4G 是基于 OFDM 加 MIMO 的技术组合，但整体结构不一样，基于 OFDM 和 MIMO 的有两套标准，一个是 IEEE802-16M，另一个是 LTE-Advanced,而 OFDM 技术是关键核心技术之一。- 7 -1.3 OFDM 优缺点近年来，OFDM 系统已经越来越得到人们的关注，其主要原因在于 OF
18、DM 系统存在如下的主要优点 1： (1)带宽利用率很高。在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到子信道中，各个子信道频带间严格分离，接收端通过带通滤波器虑除带外的信号来接收每个子信道上的数据，频谱利用率较低。而 OFDM 系统中由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互混叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM 系统可以最大限度的利用频谱资源。当子载波个数很大时，系统的频谱利用率就会趋近于 2 Band/Hz。(2)把高速数据流通过串并转换，调制到每个子载波上进行并发传输，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，有效地减小由于无线信道的时间弥散所带来的ISI。此外，OFD
19、M 采用了循环前缀技术，即将 OFDM 符号的后几个样值复制到OFDM 符号的前面，这样就有效的抵抗多径衰落的影响。从而减小了接收机内均衡的复杂度，甚至可以不采用均衡器。(3)各个子信道的正交调制和解调可以通过离散傅立叶反变换(IDFT，Inverse Discrete Fourier Transform)和离散傅立叶变换(DFT ，Discrete Fourier Transform)的方法来实现。在子载波数很大的情况下，可以通过采用快速傅立叶变换(FFT)来实现。近年来，随着大规模集成电路和 DSP 技术的发展，以至于 FFT 和 IFFT 技术都非常容易实现，从而进一步推动了 OFDM
20、技术的发展。(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量。在另一方面，移动终端功率一般比较小，传输速率较低，而基站恰恰相反。因此无论从用户数据业务的使用要求，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。但由于 OFDM 系统采用了正交多载波技术，因此与单载波系统相比存在如下得缺点：(1)会对同步误差十分敏感，OFDM 子信道的频谱相互混叠，信号的解调是通过FFT 变换实现的，要求各个子载波之间保持正交，才能解调得到每一路数据。但是无
21、线信道具有多径时变特性，在传输过程中出现的无线信号频谱偏移或发射机与接收机- 8 -本地振荡器之间存在的频率偏差，都会破坏子载波间的正交性，引起严重的子信道间干扰(ICI，Inter-channel Interference)，而每个子载波上的数据都将受到其余多个子载波上数据的千扰，解调性能迅速恶化。(2)峰值平均功率比(PAPR)较高。OFDM 系统的输出是多个子信道信号的叠加，输出信号的包络起伏很大，当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。当峰值平均功率比较大时，系统则会要求发射机内放大器具有很大的线性动态范围。如果放大器
22、的动态范围不能满足信号的变化，则会引起信号畸变，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，使得系统性能恶化。提出通过预编码的方法，从而使各子载波间的传输信息相互关联，以达到降低以 PAPR 的目的。- 9 -第二章 OFDM 的基本原理2.1 OFDM 系统模型与系统框图OFDM 作为一种特殊的多载波调制方案，其基本原理 3 , 4是：将信道分解成若干正交子信道，并且通过串/并转换将高速数据流转换为多个并行的低速子数据流，并调制到每个子信道到上进行传输。在接收端采用相关技术可以将正交信号分开，因此可以减少子信道之间的相互干扰（ICI） 。并且高速数据流被分为多个低速数据流在子载波上传输，使子载波上的符号速率减低，符号持续时间加长，并且通过在符号前加保护间隔，这样基本就可以消除由于时延扩展所造成的符号间干扰（ISI ） 。而且又由于每个子信道的带宽只占原信道带宽的一小部分，以至信道均衡变得相对容易。图 2.1 OFDM 系统框图
