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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10 阅读量374 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。

Computer Knowledge and Technology 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 7 卷第 6 期 (2011 年 2 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 200092) 摘要:正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)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:TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2011)06-1424-03 Simulation and Performance Analysis of OFDM System Based on MATLAB LI Bo (College of Electronics and Information, Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is the core techniques of the fourth generation mobile communication technology. Beginning with brief introduction for the basic principle of OFDM, this paper establishes the system simulation model and thereafter analyzes the synchronization and channel estimation. Based on the training symbols to complete the offset decision frequency esti- mation function,the algorithm is given in detail,and it is analyzed by simulation algorithm. Based on the established model, the scatter plot and short training and long training correlation are also given. The simulation results indicate that the model has well proved the results of theoretical the analysis. Key words: OFDM; carrier synchronization; synchronization algorithm; frequency offset estimation; training symbol OFDM 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 4G 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。 1 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 [1]。 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=0,1,2,..., N-1 )为分配给每个子载波的符号,fc为第 0 个子载波的载波频率,矩形函数 rect(t)=1.tT/2,则从 t=ts开始的一个 OFDM 符号可 以表示为 (1) 通常采用复等效基带信号来描述 OFDM 的输出信号,见式(2)。 (2) 令式(1.2)中的 ts=0,对于信号 s(t)以 T/N 的速率进行抽样,即令 t=kT/N(k=0,1,2,…N-1),则得到: (3) 可以发现,式(3)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: (4) 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 IFFT/FFT 来实现。 收稿日期:2011-01-25 作者简介:李波(1986-),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。 E-mail: kfyj@cccc.net.cn http://www.dnzs.net.cn Tel:+86-551-5690963 5690964 ISSN 1009-3044 Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术 Vol.7, No.6, February 2011,pp.1425-1426 1424 Computer Knowledge and Technology 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 7 卷第 6 期 (2011 年 2 月) 2 OFDM系统仿真模型 OFDM 原理框图如图 1 所示[2]。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:00->-1-i,01->-1+i,10->1-i,11->1+i 3 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=sn+ωn。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(acquisition mode)和跟踪模式(tracking mode)。 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 [3]。 本程序采用本程序采用训练序 列来实现载波同步。 3.1.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[4]。 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[5]: 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=ftx-frx 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 (5) 频偏的影响体现在,式(5)中的 e-j2πfDTs,这一项上。 因此,可以根据式(5)计算出频率偏差的估计值为 。 3.2.载波同步的时域方法特性 IEEE802.11a 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。 3.3 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 1 图 2 Schmidl 算法训练序列结构图 1425 Computer Knowledge and Technology 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 7 卷第 6 期 (2011 年 2 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 (6) 对于 IEEE802.11a 系统来说,Pm,n为+1 或-1,Np=4,所以式(6)可以简化为 4 仿真结果 图 3 图 4 图 5 图 6 本程序中得到的(图 3 图 4)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,128 个载波有 前后各 32 个载波是 null 载波(如果这前后各 32 各载波是带外频 段,那么理论上它们都应该是零!),中间的 64 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 5)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 6) 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 7)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 8 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 5 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: [1] 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,2004. [2] 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,2007,13(39):3042-3051. [3] 丁龙刚.OFDM 系统设计及其 Matlab 实现[J].通信技术,2008(11). [4] 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,2005(10). [5] 丁玉美.数字信号处理[M].西安电子科技大学出版社,2003. 图 7 图 8 1426

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