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基于Matlab的OFDM系统仿真与性能分析.pdf

基于Matlab的OFDM系统仿真与性能分析.pdf

上传者: zjc263 2012-04-13 评分1 评论0 下载105 收藏0 阅读量375 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于Matlab的OFDM系统仿真与性能分析pdf》,可适用于电信技术领域,主题内容包含ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑:梁书第卷第期(年月)基于Matlab的O符等。

ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑:梁书第卷第期(年月)基于Matlab的OFDM系统仿真与性能分析李波(同济大学电子信息学院上海)摘要:正交频分复用技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)是第四代移动通信技术的关键技术。文章首先简要介绍了OFDM的基本原理和主要结构建立了系统仿真模型对系统的载波同步和信道估计进行了分析。通过训练符号结构和频偏判决函数来完成频偏估计给出了具体的算法并基于所建模型给出了系统的星座图和短训练和长训练相关值曲线。仿真结果表明所建模型能够很好地验证理论分析结果。关键词:正交频分复用载波同步同步算法频偏估计训练符号中图分类号:TP文献标识码:A文章编号:()SimulationandPerformanceAnalysisofOFDMSystemBasedonMATLABLIBo(CollegeofElectronicsandInformation,TongjiUniversity,Shanghai,China)Abstract:OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)isthecoretechniquesofthefourthgenerationmobilecommunicationtechnologyBeginningwithbriefintroductionforthebasicprincipleofOFDM,thispaperestablishesthesystemsimulationmodelandthereafteranalyzesthesynchronizationandchannelestimationBasedonthetrainingsymbolstocompletetheoffsetdecisionfrequencyestimationfunctionthealgorithmisgivenindetailanditisanalyzedbysimulationalgorithmBasedontheestablishedmodel,thescatterplotandshorttrainingandlongtrainingcorrelationarealsogivenThesimulationresultsindicatethatthemodelhaswellprovedtheresultsoftheoreticaltheanalysisKeywords:OFDMcarriersynchronizationsynchronizationalgorithmfrequencyoffsetestimationtrainingsymbolOFDM作为一种多载波调制技术,具有频谱利用率高、抗频率选择性衰落或抗窄带干扰等优点。OFDM技术是G的技术基础与主要特点,对比CDMA技术有着不可比拟的优势,在未来无线通信中占据着重要的地位。本文首先简要介绍OFDM基本原理,在这个基础上建立了OFDM仿真模型,然后通过加载波同步,分析OFDM系统在AWGN信道下的性能,最后给出仿真结果。OFDM基本原理OFDM的基本思想是将高速串行数据流变为低速并行数据流分别调制在多个正交的子载波上并行传输。OFDM可以被看做是一种频分复用方式一个OFDM包括多个经过调制的在载波。假设N表示子载波个数T表示OFDM符号持续时间di(i=,,N)为分配给每个子载波的符号fc为第个子载波的载波频率矩形函数rect(t)=tT则从t=ts开始的一个OFDM符号可以表示为()通常采用复等效基带信号来描述OFDM的输出信号见式()。()令式()中的ts=对于信号s(t)以TN的速率进行抽样即令t=kTN(k=,,,…N)则得到:()可以发现式()与IDFT运算的表达式形式是一致的。同样在接收端恢复出原始的数据符号di的处理就可以通过对sk进行DFT变换得到:()由此可见OFDM系统的调制和解调可以分别通过IDFT和DFT来实现频域数据符号di经过N点IDFT运算变换为时域信号sk所以我们可以用IFFTFFT来实现。收稿日期:作者简介:李波()男山东菏泽人硕士主要研究方向为移动通信中的信号与信息处理。Email:kfyjccccnetcnhttp:wwwdnzsnetcnTel:ISSNComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术Vol,No,February,ppComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑:梁书第卷第期(年月)OFDM系统仿真模型OFDM原理框图如图所示。在仿真模型中待传源文件经过转换变为二进制数据流进行串并变换成并行数据流并行数据调制形成同相(I)、正交(Q)两路信号上图所示的方案采用QAM调制方式。调制符号通过IFFT处理被调制到各个子载波上从而形成OFDM符号。串并变换后加循环前缀然后将待传输的信号经过数模转换器(DAC)变为连续波形就可以送往发射机的射频端进行高频载波的调制形成发射过程。接收过程是基本上是发射过程的逆过程首先要使接收机与发射机系统的时钟同步还要考虑估计接收信号载波频率偏移为了实现同步处理系统会在数据帧头中加入训练序列,利用长训练字的特性进行相关运算进行小数倍的频偏估计进行FFT之后根据短训练子的相关运算进行整数倍频偏的估计然后通过信道估计补偿这部分的频差。信号经过同步处理和信道补偿后就可以进行QAM解调得到原始信息。QAM调制映射表:>i,>i,>i,>i分组检测和载波同步算法分组检测是寻找数据分组的近似估算在本次仿真中我用的是接受信号能量检测算法。检测接受信号能量是一种最简单的分组检测算法。当没有数据分组到来时接收信号rn中只有噪声即rn=ωn有数据分组到时接收信号rn中加入了信号rn=snωn。因此可以根据接收信号能量值的变化进行分组检测。这种窗口能量检测的方法虽然比较简单但是它也是有缺陷的那就是判断接收信号能量的关键值要由接收信号的能量值决定。当接收机搜索数据分组的时候只有噪声而噪声的功率一般是不可知的当接收机系统出现较大的频率干扰波动时都会使这个值发生变化。而且信号的能量强度随着在信道的传播也是有衰落的能量值不确定种种不确定的因素导致了判别信号能量值的不确定容易出现误差。载波同步过程分为捕获模式(acquisitionmode)和跟踪模式(trackingmode)。捕获模式又可以分为整数倍频偏估计和小数倍频偏估计整数倍频偏估计可以估计出几十倍的频偏小数倍频偏估计可以是频偏进一步减小。跟踪模式下系统能估计出很小的频偏。我们知道小数倍频偏会造成子载波间干扰(ICI)破坏子载波的正交性使系统的误码率变高而整数倍频偏不会导致子载波的正交性但会使相位转移。所以要先小数倍频偏估计消除小数倍频偏引起的子载波间干扰FFT后进行整数倍频偏估计(在这里进行小数倍和整数倍频偏估计我用的是基于训练序列的时域算法)。最后进行信道估计对频偏进行补偿。本程序采用本程序采用训练序列来实现载波同步。.基于训练序列的时域算法该估计算法是一种最大似然估计算法(即ML估计算法)。Schimdl等人提出了这种算法该算法可以在做符号同步的同时做频偏估计。该算法利用OFDM符号中插入的训练序列设发送信号为xn则通带信号yn的复基带模型为:其中ftx为发送载波频率Tx为采样周期。在接收端忽略瞬时噪声接受到的复基带信号rn为其中f=ftxfrx为发送和接受载波的频差。定义两个连续重复符号之间的延时为D个采样点OFDM符号长度为L则周期重复信号的延时相关和为()频偏的影响体现在,式()中的ejπfDTs这一项上。因此可以根据式()计算出频率偏差的估计值为。载波同步的时域方法特性IEEEa标准的规定振荡器是有最大相对误差的假设发送和接受时钟为允许的最大频率误差频率那么总误差值的范围会落在短训练符号的估算范围内但在长训练符号的估算范围内。因此如果仅采用长训练符号的话估算是不可靠的。通常我们采用短训练符号进行粗估算和长训练符号进行细估计相结合的方法。实现过程上来看首先用短训练符号粗略估计频率误差然后采用该估算对于长训练符号进行修正修正后再采用长训练符号对估算进行改进长训练序列进行精确的同步原理与方法和短训练类似不在展开叙述。剩余相位跟踪原理在接收端根据接收到的导频信号来完成剩余相位的跟踪。设Rm,n表示接收到的第m个OFDM符号的第n个导频pn为发送端的导频在第m个接收符号DFT处理后导频子载波Rm,n等于频域信道响应Hn和已知导频符号Pm,n的乘积与残余导频误差旋转作图图Schmidl算法训练序列结构图ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑:梁书第卷第期(年月)用以后的结果:其中f为经载波频偏校正后残留的频率偏差。假设频域信道响应估计值H赞n是可以得到的并且是精确可靠的则可忽略频域信道响应的影响即()对于IEEEa系统来说Pm,n为或Np=所以式()可以简化为仿真结果图图图图本程序中得到的(图图)中我们可以看到接收端信号由于信道的影响已经发生了畸变接收端OFDM信号的频谱波形是与其发端信号的排步有关的。在发端的载波安排上个载波有前后各个载波是载波(如果这前后各各载波是带外频段那么理论上它们都应该是零!)中间的个载波是数据载波。这样的排步很明显就是一个两边低中间高的频谱形式。所以收端也应该是这个轮廓。(图)是所有OFDM符号的星座图可以看出其实误差还是挺大的这是因为采用的分组检测算法有很大的局限性造成的。由(图)可以看到短训练子相关值和能量的计算可以得到OFDM符号的起始位置和小数倍频偏估计。在短训练子能量的平稳值处我们认为找到了符号的起始位置。通过(图)对长训练子的相关计算可以得到整数倍频偏和信道估计。从图中我们知道小数倍频偏可以造成相位的偏移从此图中可以看出小品片造成的相位偏移量结束语本文通过介绍OFDM的基本原理给出了系统的仿真模型。在仿真模型的基础上用MATLAB语言编写出OFDM系统的发送和接收程序重点介绍了程序用到的基于训练训时域的载波同步算法并对仿真系统的结果进行了分析结果很好地证明仿真模型的正确性。参考文献:尹长川,罗涛,乐光新多载波宽带无线通信技术M北京:北京邮电大学出版社,李平,赵志辉,张振仁OFDM系统建模仿真及同步偏差分析J系统仿真学报,,():丁龙刚OFDM系统设计及其Matlab实现J通信技术,()吕爱琴,田玉敏,朱明华基于Matlab的OFDM系统仿真及性能分析J计算机仿真,()丁玉美数字信号处理M西安电子科技大学出版社,图图

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