OFDM技术及仿真

摘要】本文主要分析OFDM系统的基本原理，并介绍系统各项特点。用SystemView和Simulink工具搭建OFDM系统仿真模型。仿真不同信噪比和不同信道条件等基本条件对OFDM性能的影响。 ThisarticleofthebasicprinciplesofOFDMsystem,andintroducedthesystemfeatures.WithSystemViewandSimulinktoolstructuresOFDMsystemsimulationmodel.Simulationofdifferentsignaltonoiseratioanddifferentchannelconditions,andotherbasicconditionsontheperformanceofOFDM.【关键词】OFDM SystemView仿真 Simulink仿真（一）引言OFDM的英文全称为OrthogonalFre-quencyDivisionMultiplexing，中文含义为正交频分复用技术。正交频分复用是一种高效并行多载波传输技术，将所传送的高速串行数据分解并调制到多个并行的正交子信道中，从而使每个子信道的码元宽度大于信道时延扩展，再通过加入循环前缀，保证系统不受多径干扰引起的码间干扰（ISI）的影响，它还可以有效对抗多径传播。(二)OFDM基本原理：（1）频谱效率计算：子载波间正交可以使载波间交叠而彼此间又不会因交叠失真。因此用正交子载波技术可以节省宝贵的频率资源。对于一个典型的单载波系统起符号带宽与符号周期之间具有如下的关系：，而数据传输速率为，式中的为调制字符集大小。由此可得到单载波系统的频谱效率为：对于OFDM系统，其信号带宽与周期之间的关系为：数据传输速率仍为 由此可得到OFDM系统的频谱效率为（  较大时）所以当子信道数较大时，OFDM系统的频谱效率是单载波系统的两倍。（2）OFDM基本原理一个OFDM符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到键控（PSK）的或者正交幅度调制（QAM）符号的调制。如果表示子信道的个数，表示OFDM符号的宽度，是分配给每个子信道的数据符号，是第0个子载波的载波频率，则从开始的OFDM符号可表示为: （1.1）通常采用复等效基带信号来描述OFDM的输出信号，见式。其中实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的sin分量和cos分量相乘，构成终得子信道信号和合成的OFDM符号。图给出了OFDM系统基本模型的框图，其中。                                             　　图1.1OFDM系统基本框图图1.2给出了一个OFDM符号内包括４个子载波的实例。其中所有的子载波都具有相同的幅值和相位，但在实际应用中，可根据数据符号的调制方式，每个子载波的幅值和相位都可能不同的。从图1.2可以看到，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各相邻子载波之间相差1个周期。这一特性可以用来解释子载波间的正交性，即：例如对式1.2中的第个子载波进行解调，然后在时间长度内进行积分，即：根据上式可以得，对第个子载波进行解调可以恢复出期望符号。而对于其它载波来说，由于积分间隔内，频率差别可以产生整数倍个周期，所以积分为零。图1.2OFDM符号内包括4个子载波的实例这种正交性还可以从频域来解释。根据式(1.1)，每个OFDM符号在其周期内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期是的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的函数的。矩形脉冲的频谱幅值为函数，这种函数的零点出现在频率为整数倍的位置上。这种现象可以参见图(1.3)，其中给出相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符号的函数频谱。在每一子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱制恰好为零。由于在对OFDM符号解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取每个子信道符号而不会收到其他子信道的干扰。图1.3OFDM系统中，子信道符号的频谱从图(1.3)可以看出，OFDM符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰，到这是出现在频域中的。因此这种一个子信道频谱的最大值对应于其他子信道频谱的零点可以避免子信道间的干扰（ICI）的出现。（3）基于DFT的OFDM实现前面分析的都是OFDM在连续时间域的实现。在离散域实现OFDM系统，利用了下列等效理论：假设分别是带宽为的基带模拟信号，，记则当且仅当时成立。对于OFDM信号，其基带宽度为若要满足上述等效理论的条件，必须满足。对于N比较大的系统来说，式（2.2）中的OFDM等效基带信号可以用离散傅里叶逆变换（IDFT）方法来实现。令式（1.2）中的，并且忽略矩形函数，对信号S(t)以的速率进行抽样，即令，可以得到：  可以看到等效为对进行IDFT运算。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号，可以对进行逆变换，即DFT得到：根据上述分析可以看到，OFDM系统的调制与解调可以分别由IDFT/DFT来代替。通过Ｎ点IDFT运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频载波调制之后，发送到无线信道中。其中每一个IDFT输出数据符号都是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。在OFDM系统的实际应用中，可以采用更加快捷的快速傅里叶变换（FFT/IFFT）。点IDFT运算需要实施次次的复数乘法，而IFFT可以显著的降低运算复杂度。利用IFFT和ＦＦＴ实现ＯＦＤＭ的调制与解调（4）保护间隔和循环前缀应用OFDM的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的Ｎ倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道的最大时延扩展。这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。这种效应可见图(1.4)由于每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现ＯＦＤＭ符号的时延符号，图(1.4)给出了第一子载波和第二子载波的时延信号图(1.4)由于多径的影响，空闲保护间隔对子载波之间造成的干扰频率选择性衰落还可以多径时延扩散来表佂。OFDM系统通过并行分割，可以使高速数据传输时的符号持续时间Ts远大于信道个时延扩散。客观上具备了抗符号干扰的特性。但是信道多径扩散会破坏OFDM符号内部子载波之间的正交性，产生子载波间干扰(ICI)。解决办法是在每个OFDM符号之间加入保护间隔，进一步消除残留的(ISI）。在OFDM技术发展过程中，加入循环前缀是一种很好的思想，循环前缀是直接将符号的末尾部分复制到开始部分。它主要有两个作用：其一是作为保护间隔，消除或至少是大大减少ISI；其二是由于保持了个子信道间的正交性，大大减少了ICI。循环前缀必须足够长（不小于多径扩展），但循环前缀的引入也到来了信噪比的损失，即:循环前缀越长，信噪比损失越大。 (5)OFDM系统基本框图 (三）OFDM系统实现中的关键技术概述；（1）同步技术在OFDM系统中，N个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。OFDM中的同步通常包括3方面的内容：①帧 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 ，②载波频率偏差及校正，③采样偏差及校正。(2)功率峰值与均值比（PARP）的解决OFDM包络的不恒定性可以用峰均比（PAPR）来表示。在OFDM系统中，PAPR（PeaktoAveragePowerRatio）定义为一个符号周期内瞬时功率峰值功率与信号功率的平均之比，用 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 表示为：式中为OFDM信号的等效低通信号。PAPR越大，系统的包络的不恒定性越大。因此要改善系统性能，就是要设法减小PAPR。由于OFDM信号为多个正弦波的叠加，当子载波个数多到一定程度时，由中心极限定理，OFDM符号波形将是一个高斯随机过程，其包络是不恒定的。这种现象在非线性限带信道中是不希望出现的，经非线性放大器后，包络中的起伏虽然可以减弱或消除，但与此同时却使信号频谱扩展，其旁瓣将会干扰临近频道的信号。这在OFDM系统中将引起相邻信道之间的干扰，破坏其正交性。一般而言，发射机中的高频放大器HPA具有很强的非线性特征。为了不使频谱扩展得太厉害，HPA必须工作在有很大回退量（Backoff）的状态，这样会浪费很大功率。因此如果没有改善OFDM对非线性的敏感性的措施，OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统，如手机等移动设备。一般通过以下几种技术解决：（a）限幅（Clipping）技术（b）编码技术（c）扰码技术。（四）OFDM技术的优缺点和其前景及应用OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：(1)频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。(2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再通过采用加循环前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。(3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道，每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。(4)基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调，易用DSP实现当然OFDM也存在一些缺点：(1)OFDM对系统定时和频率偏移敏感如果定时的偏移量与最大时延扩展的长度之和大于循环前缀的长度，这时一部分数据信息丢失了，而且最为严重的是子载波之间的正交性破坏了，由此带来了ISI和ICI，这是影响系统性能的关键问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一。(2)存在较高的峰值平均功率比多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号相位一致时，所得的叠加信号的瞬时功率会远远高于信号的平均功率，所示。因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，子信道间正交性遭到破坏，产生干扰。 较高的峰值平均功率比OFDM技术的发展现状较早采用OFDM技术包括DAB(数字广播)和DVB(数字电视)。随后，宽带无线接入系统IEEE802.11g/a、802.16d/e、802.20(可能基于Flash-OFDM)也以OFDM/OFDMA技术为基础。同时，目前正在研发的3GPPLTE(长期演进)技术也很可能选用OFDM及其改进型(下行OFDM、上行DFT-S-OFDM)作为基本多址技术。另外,近距离通信IEEE802.15.3aUWB技术的两个备选 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 之一也采用了MB(多载波)-OFDM。预计未来的B3G技术也将基于OFDM。（五）建立OFDM系统仿真模型，并在不同条件下进行仿真.（1）基于SystemView的仿真 Token0和Token产生64Hz的伪随机序列，经Token2，Token3采样器以64Hz采样送入Token6，即OFDM调制模块。经过调制后的同相分量信号经过高斯白噪声干扰的Rice信道（Token12）和正交分量信号经过高斯白噪声干扰的多径衰落信道（Token13），两路信号分别进入OFDM解调模块的同相分量通道和正交分量通道。系统时钟NO.ofSamples256SampleRate64Hz 图符编号 库/图符名称 参数 Token0，Token1 Source:PNSeq Amp=1vRate=64HzLevels=2Token2，Token3 Operator:SamplerInterpolating Rate=64HzToken4，Token5 Operator:DelayNon-Interpolating Delay=2sec=128.0smpToken6 Comm:OFDMMod SamplesPerBlock=64SymbolTime=1secToken7 Comm:OFDMdMod SamplesPerBlock=64SymbolTime=1secToken8，Token9 Source:GaussNoise StdDev=1e-3vMean=0vToken13 Comm:MpathChnl ContinuousNo.Paths=3MaxDelay=100e-3secToken12 Comm:RiceChnl CorrTime=1secK-Factor=1Token14，Token15 Adder NonParametricToken20 Operator:Gain Gain=1GainUnits=LinearToken16，17，18，19 Sink:Analysis   （2）基于MatalabSimulink的仿真  OFDM系统仿真参数设置：参数选择的第一步是确定信道的多径扩散长度，由于实际信道的时变性，多径扩散长度具有时变性和不可预测性，因此只能用统计的方式来确定一般选多径扩散长度的最大值为其统计平均值的4至5倍。第二步，循环前缀的地长度要满足大于多径扩展长度的最大值，循环前缀的引入必然带来信噪比的损失，为了节省信号功率，一般要求次信噪比损失低于1dB.比特速率：320kbps 子载波数：64 循环前缀的长度16信源：采用通信工具箱中的伯努力随机二进制发生器1. 信号映射：信号映射采用QPSK调制方式。2. OFDM调制、解调模块由数字信号处理工具箱中的IFFT模块和FFT模块及Selector组成，完成调制、解调和添加、去除循环前缀的功能。3. 信道：为ＡＷＧＮ信道4. 误码率统计模块：由误码率计数模块实现，它将发送端的信息码元经过一定的延迟后与接收端重构的码元进行比较，若二者不同则判为错误。误码率则由误码个数除以总的传输码元个数得到。5. 观测模块：包括Discrete-TimeScatterPlotScope和SpectrumScope。前者用于观看星座图，后者用来观看信号频谱。首先由信源产生服从伯努力分布、0和1等概、长度为128×1的一帧数据，然后经过相偏为pi/4，服从Gray编码的QPSK映射，数据长度变为64×1。最后经过OFDM调制和添加循环前缀，其中IFFT的长度为64，添加循环前缀后长度变为80×1，进入信道。接收过程的处理是发射端的逆过程。                                        发射信号频谱                       发射端ＱＰＳＫ调制的星座图        接收端的星座图，由于加入噪音，映射的星座点发散：                                              OFDM在ＡＷＧＮ信道下的性能随信噪比增加，误码率降低                                                   QPSK在ＡＷＧＮ信道下的性能                     （六)总结：本文所阐述的主要工作如下：１学习理解OFDM基本原理，并对OFDM的关键技术作初步的了解。２在充分理解OFDM的基础上，利用SystemView仿真在Rice信道和多径衰落信道对OFDM系统造成的影响。3利用Simulink搭建OFDM的发送和接收模型，在ＡＷＧＮ信道条件下不同信噪比对误码率的影响。存在的不足和展望：为了方便分析和调试，本文的仿真都是在基带完成的，掌握信号的基带传输原理十分重要，能帮助我们进一步加深对这些抽象概念的理解，并加深感性认识，但与实际的射频传输有一定差别。对OFDM的细节的理解还需再深入，在搭建OFDM系统的初期对利用IFFT模块实现OFDM的调制曾存在误解，后经老师和研究生指导才明白。本文的仿真只是在理想高斯白噪声信道条件下进行的，未在更接近实际条件下仿真。同时对OFDM的关键技术仅仅是了解。OFDM的热点和关键问题还很多，由于时间有限，并未作详细了解，这还需要在以后的学习中深入研究【参考文献】[1]佟学俭，罗涛等.OFDM移动通信技术与应用.北京：人民邮电出版社，2003.[2]王文博，郑侃.宽带无线通信OFDM技术[M].北京:人民邮电出版社，2003.[3]张海滨.正交频分复用的基本原理与关键技术.北京：国防工业出版社2006.[4]刘颖，何忠秋.OFDM系统的仿真与性能分析.应用科技.2008.1,第35卷第1期.     ［5］王巍.OFDM系统仿真与性能分析.硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ，南京：南京理工大学，2005