畢業(yè)論文--正交頻分復(fù)用（ofdm）系統(tǒng)性能的仿真

1、<p>　　2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　設(shè)計(jì)（論文）題目 正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)性能的仿真 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　所 屬 系 </p><p

2、>　　專業(yè)年級 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2012 年 5 月</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　OFDM (正交頻分復(fù)用)的基本原理是將高速的數(shù)據(jù)流分解成許多低速率的子數(shù)據(jù)流，利用相互正交且重疊的多個(gè)子載波

3、同時(shí)傳輸。它的主要優(yōu)點(diǎn)是多徑失真低，抗符號間干擾(ISI)能力強(qiáng)，頻帶利用率很高。本設(shè)計(jì)針對OFDM系統(tǒng)的性能在計(jì)算機(jī)上用仿真工具M(jìn)atlab進(jìn)行了仿真和分析。本設(shè)計(jì)主要由四部分構(gòu)成:OFDM的歷史及其發(fā)展過程、OFDM的原理及應(yīng)用、Matlab仿真系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)的性能仿真及分析。在OFDM的歷史及其發(fā)展過程部分，介紹了OFDM的提出、發(fā)展、應(yīng)用以及優(yōu)缺點(diǎn)。在OFDM的原理及應(yīng)用部分，首先簡單描述了一下無線多徑信道的特性，然后詳細(xì)講

4、述了OFDM的原理包括系統(tǒng)模型和傳輸特性，其中系統(tǒng)模型部分又分為連續(xù)系統(tǒng)模型和離散系統(tǒng)模型。第三部分主要是對Matlab這種仿真軟件的功能進(jìn)行了簡單的介紹。最后一部分，是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，首先對OFDM系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真，繪制仿真流程圖，根據(jù)流程圖進(jìn)行編程。在此基礎(chǔ)上對其結(jié)果數(shù)據(jù)加以分析得出結(jié)論。</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計(jì)完成了對一個(gè)OFDM系統(tǒng)性能的仿真。同時(shí)為該系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)提供了大量有用的數(shù)據(jù)，為O

5、FDM通信系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:正交頻分復(fù)用、矩陣實(shí)驗(yàn)室、通信性能仿真、流程圖</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This thesis is the OFDM system performance is simulated and analyzed by Matl

6、ab which is a simulated tool on a computer. The thesis mainly consists of four parts: OFDM' s history and developing process , theory and application of OFDM, the simulated system Matlab and the simulation and analys

7、is for the OFDM system performance .In the OFDM' s history and developing process part, introduced OFDM raise development, application and advantage. In the OFDM theory and application part, briefly descr</p>

8、<p>　　Finally part is a textual point, at first an OFDM system simulated, drew a simulated flow chart, and according to the flow chart to program .On this foundation, I analyzed the result data and obtain conclusi

9、on.</p><p>　　In conclusion, an OFDM system's performance is simulated. In the same time it provides lots of useful data for realizing the system and for advanced research.</p><p>　　Key Word:

10、 OFDM、Matlab、Telecom system simulation、Flow chart</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b&

11、gt;</p><p><b>　　1.1移動(dòng)通信1</b></p><p>　　1.2 OFDM系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3本設(shè)計(jì)主要工作6</p><p>　　第二章 OFDM的原理及應(yīng)用7</p><p>　　2.1 無線多徑信道的特性8</p>&l

12、t;p>　　2.1.1 無線多徑信道的建模8</p><p>　　2.1.2 無線多徑信道的參數(shù)9</p><p>　　2.1.3 多徑效應(yīng)產(chǎn)生的衰落10</p><p>　　2.2 系統(tǒng)模型10</p><p>　　2.2.1 連續(xù)系統(tǒng)模型10</p><p>　　2.2.2 離散系統(tǒng)模型15<

13、;/p><p>　　2.3 傳輸技術(shù)17</p><p>　　2.3.1 接收機(jī)17</p><p>　　2.3.2 接收機(jī)19</p><p>　　2.4 本章小結(jié)20</p><p>　　第3章 MATLAB仿真系統(tǒng)21</p><p>　　3.1 MATLAB的功能21</p

14、><p>　　3.2 MATLAB的語言特點(diǎn)21</p><p>　　3.3 MATLAB的工作環(huán)境22</p><p>　　第4章 OFDM系統(tǒng)的性能仿真23</p><p>　　4.1 計(jì)算機(jī)仿真23</p><p>　　4.1.1 計(jì)算機(jī)仿真平臺23</p><p>　　4.1.2

15、仿真流程23</p><p>　　4.2 代碼實(shí)現(xiàn)24</p><p>　　4.3 仿真結(jié)果分析26</p><p><b>　　第5章 總結(jié)28</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)29</b></p><p><b>　　致謝30</b

16、></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　自1897年馬可尼第一次展示了無線電使英格蘭海峽里行駛的船只保持連續(xù)不斷的通信能力以來，移動(dòng)通信就一直是人們心目中最完美的夢想。隨著貝爾實(shí)驗(yàn)室蜂窩概念的提出和高可靠的、小型化的、晶體射頻電路的發(fā)展，移動(dòng)通信的時(shí)代終于來臨了。在最近短短的幾十年里，在科技飛速發(fā)展的推動(dòng)下和市場需求的巨大刺激下

17、，無線移動(dòng)通信經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信、從FDMA到CDMA的巨大發(fā)展。移動(dòng)通信所能提供的業(yè)務(wù)也從剛開始的，單一的語音業(yè)務(wù)到現(xiàn)在的各種豐富多彩的新業(yè)務(wù)?，F(xiàn)在走在大街上，幾乎人手一部手機(jī)，我們正在享受著移動(dòng)通信帶給我們的種種便利和快捷。</p><p><b>　　1.1移動(dòng)通信</b></p><p>　　移動(dòng)通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。顧名思義，移動(dòng)通

18、信就是指通信雙方至少有一方在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中進(jìn)行信息傳輸。例如移動(dòng)臺（由車輛、船舶、飛機(jī)或者行人攜帶）與固定點(diǎn)之間或者移動(dòng)臺之間的通信都屬于移動(dòng)通信的范疇。另外，還有一種可移動(dòng)的概念，即通信用戶的位置是可變的，但在通信過程中用戶不處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這類通信也可稱為移動(dòng)通信，但與嚴(yán)格意義的移動(dòng)通信相比，兩者的無線信道特性有較大的差別。</p><p>　　移動(dòng)通信不但集中了無線通信和有線通信的最新技術(shù)成就，而且集中了網(wǎng)絡(luò)接收

19、和計(jì)算機(jī)技術(shù)的許多成果。目前，移動(dòng)通信已從模擬通信發(fā)展到了數(shù)字通信階段，并且正朝著個(gè)人通信這一更高級階段發(fā)展。未來移動(dòng)通信的目標(biāo)是，能在任何時(shí)間任何地點(diǎn)，向任何人提供快速可靠的通信服務(wù)?？梢哉f移動(dòng)通信從無線電通信發(fā)明之日就產(chǎn)生了。1897年，M.G.馬可尼所完成的無線通信實(shí)驗(yàn)就是在固定點(diǎn)與一艘拖船之間進(jìn)行的，當(dāng)時(shí)的距離為18海里（約33公里）?，F(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)20年代，但是一直到20世紀(jì)70年代中期，才迎來了移動(dòng)通信的

20、蓬勃發(fā)展。</p><p>　　1978年底，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)（AMPS），建成了蜂窩狀模擬移動(dòng)通信網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)容量。與此同時(shí)，其他發(fā)達(dá)國家也相繼開發(fā)出蜂窩式公共移動(dòng)通信網(wǎng)，這一階段的特點(diǎn)是蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)成為實(shí)用系統(tǒng)，并在世界各地迅速發(fā)展。移動(dòng)通信得到迅猛發(fā)展的原因，除了用戶需求迅速增加這一主要推動(dòng)力之外，還有幾方面技術(shù)發(fā)展所提供的條件。首先，微電子技術(shù)在這一時(shí)期得到迅速發(fā)展，使得通信

21、設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、微型化。其次，貝爾實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)70年代提出的蜂窩網(wǎng)的概念形成了移動(dòng)通信新體制。蜂窩網(wǎng)，即所謂的小區(qū)制，由于實(shí)現(xiàn)了頻率再用，大大提高了系統(tǒng)容量。第三方面進(jìn)展是隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展而出現(xiàn)的微處理器技術(shù)日趨成熟以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為大型通信網(wǎng)的管理與控制提供了技術(shù)手段。這一階段所誕生的移動(dòng)通信系統(tǒng)一般被稱為是第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。</p><p>　　從20世紀(jì)80年代中期開始，數(shù)字移動(dòng)

22、通信系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)展和成熟時(shí)期。模擬蜂窩網(wǎng)的容量已不能滿足日益增長的移動(dòng)用戶的需求。20世紀(jì)80年代中期，歐洲首先推出了全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM，Global System for Mobile）。隨時(shí)后美國和日本也相繼指定了各自的數(shù)字移動(dòng)通信體制。20世紀(jì)90年代初，美國Qualcomm公司推出了窄帶碼分多址（CDMA，Code-Division Multiple Access）蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，這是移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展中的里程碑。從此，碼分

23、多址這種新的無線接入技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域占據(jù)了越來越重要的地位。這些目前正在廣泛應(yīng)用的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)就是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)。</p><p>　　第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是為支持話音和低速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的。但隨著人們對通信業(yè)務(wù)范圍和業(yè)務(wù)速率要求的不斷提高，已有的第二代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將很難滿足新的業(yè)務(wù)需求。為了適應(yīng)新的市場需求，人們正在發(fā)展第三代（3G）移動(dòng)通信系統(tǒng)。但是由于3G系統(tǒng)的核心網(wǎng)還沒有完全脫離第二代移動(dòng)

24、通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所以普遍認(rèn)為3G系統(tǒng)僅僅是一個(gè)從窄帶向未來移動(dòng)通信系統(tǒng)過渡的階段。目前，人們已經(jīng)把目光越來越多地投向超3G(beyond 3G)的移動(dòng)通信系統(tǒng),該系統(tǒng)可以容納龐大的用戶數(shù)、改善現(xiàn)有通信質(zhì)量，達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。從技術(shù)層面來看，3G系統(tǒng)主要是以CDMA為核心技術(shù)，而在3G以后的移動(dòng)通信系統(tǒng)中正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）最受矚目，有不

25、少專家學(xué)者正針對OFDM技術(shù)在無線通信技術(shù)上的應(yīng)用從事研究。</p><p>　　目前世界范圍內(nèi)存在有多種數(shù)字無線通信系統(tǒng)，其中主要包括GSM系統(tǒng)、IS-136TDMA系統(tǒng)以及IS-95CDMA系統(tǒng)。其中GSM系統(tǒng)占據(jù)全球移動(dòng)通信市場份額的58%，可以提供2.4kbit/s～9.6kbit/s以及14.4kbit/s的電路交換語音業(yè)務(wù)，還可以通過GPRS和EDGE分別提供144kbit/s和384kbit/s的分

26、組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。IS-136系統(tǒng)占有全球市場9%的份額，它可以提供9.6kbit/s和14.4kbit/s,還可以通過使用蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)(CDPD, Cellular Digital Packet Data)網(wǎng)絡(luò)來提供19.2kbit/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。顯然，基于支持話音業(yè)務(wù)電路交換模式的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)不能滿足多媒體業(yè)務(wù)的需要。</p><p>　　對于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，單載波時(shí)分多址接入（TDMA，Time

27、Division Multiple Access）系統(tǒng)和窄帶CDMA系統(tǒng)都存在很大的缺陷。由于無線信道存在時(shí)延擴(kuò)展，高速信息流的符號寬度又相對較窄，所以符號之間會(huì)存在較嚴(yán)重的符號間干擾（ISI, Inter-Symbol Interference），這對單載波TDMA系統(tǒng)中使用的均衡器提出了非常高的要求，即抽頭數(shù)量要足夠大，訓(xùn)練符號要足夠多，訓(xùn)練時(shí)間要足夠長，從而均衡算法的復(fù)雜度也會(huì)大大增加。對于窄帶CDMA來說，其主要問題在于擴(kuò)頻增益

28、與高速數(shù)據(jù)流之間的矛盾。在保證相同帶寬的前提下，高速數(shù)據(jù)流所使用的擴(kuò)頻增益就不能太高，這樣就大大限制了CDMA系統(tǒng)抵抗噪聲的優(yōu)點(diǎn)，從而使得系統(tǒng)的軟容量受到一定的影響，如果保持原來的擴(kuò)頻增益，則必須要相應(yīng)地提高帶寬。此外CDMA系統(tǒng)一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是采用閉環(huán)的功率控制，這在電路交換系統(tǒng)中比較容易實(shí)現(xiàn)，但對于分組業(yè)務(wù)來說，對信道進(jìn)行預(yù)測，然后再返回功率控制命令會(huì)導(dǎo)致較大的時(shí)延，因此對于高速的無線分組業(yè)務(wù)來說，這種閉環(huán)的功率控制問題也存在缺

29、陷。</p><p>　　因此，人們開始關(guān)注OFDM系統(tǒng)，希望通過這種方法來解決高速信息流在無線信道中的傳輸問題，從而可以滿足帶寬要求更高的多種多媒體業(yè)務(wù)和更快的網(wǎng)絡(luò)瀏覽速度。</p><p>　　1.2 OFDM系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　OFDM的提出已有近40年的歷史，第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是軍用的無線高頻通信鏈路。但這種多載波傳輸技術(shù)在雙向無線數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用

30、卻是近10年來的新趨勢。經(jīng)過多年的發(fā)展，該技術(shù)在廣播方式下的音頻和視頻領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。近年來，由于數(shù)字信號處理（DSP，Digital Signal Processing）技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM作為一種可以有效對抗ISI的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。OFDM技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于非對稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL，Asymmetric Digital Subscriber Line）、無線本地環(huán)路（WLL，Wireless Local

31、 Loop）、數(shù)字音頻廣播(DAB，Digital Audio Broadcasting)、高清晰度電視(HDTV，High-definition Television)、無線局域網(wǎng)(WLAN，Wireless Local Area Network)等系統(tǒng)中，它可以有效地消除信號多徑傳播所造成的ISI現(xiàn)象，因此在移動(dòng)通信中的運(yùn)用也是大勢所趨。1999年IEEE802.11a通過了一個(gè)5GHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中采用了OFDM調(diào)制技術(shù)并

32、將</p><p>　　1999年12月，包括Ericsson、Nokia和Wi-LAN在內(nèi)的7家公司發(fā)起了國際OFDM論壇，致力于策劃一個(gè)基于OFDM技術(shù)的全球性統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在OFDM論壇的成員已增加到46個(gè)會(huì)員，其中15個(gè)為主要會(huì)員。我國的信息產(chǎn)業(yè)部也已參加了OFDM論壇，可見OFDM在無線通信的應(yīng)用已引起國內(nèi)通信界的重視。2000年11月，OFDM論壇的固定無線接入工作組向IEEE802.16.3城域網(wǎng)的物

33、理層（PHY）標(biāo)準(zhǔn)。隨著IEEE802.11a和BRANHyperlan/2兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在局域網(wǎng)的普及應(yīng)用,OFDM技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步在無線數(shù)據(jù)本地環(huán)路的廣域網(wǎng)領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn).OFDM由于其頻譜利用率高、成本低等原因越來越受到人們的關(guān)注。隨著人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個(gè)人化和移動(dòng)化的需求，OFDM技術(shù)在綜合無線接入領(lǐng)域?qū)⒃絹碓降玫綇V泛的應(yīng)用。隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，傅里葉變換/反變換、6/128/256QAM的高速M(fèi)odem技術(shù)、格狀編碼技

34、術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)、插入保護(hù)時(shí)段、減少均衡計(jì)算量等成熟技術(shù)的逐步引入，人們開始集中精力開發(fā)OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)計(jì)3G以后移動(dòng)通信的主流技術(shù)將</p><p>　　DAB是在AM和FM等模擬廣播基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可以提供與CD相媲美的音質(zhì)以及其他的新型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。1995年，由ETSI制定了DAB標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個(gè)使用OFDM的標(biāo)準(zhǔn)。接著在1997年，基于OFDM的DVB標(biāo)準(zhǔn)也開始采用。在A

35、DSL應(yīng)用中，OFDM被當(dāng)作典型的離散多音頻調(diào)制（DMT Modulation技術(shù)），成功地用于有線環(huán)境中，可以在1MHz帶寬內(nèi)提供高達(dá)8Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。1998年7月，經(jīng)過多次的修改之后，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)組決定選擇OFDM作為WLAN（工作于5GHz頻段）的物理層標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是提供6Mbit/s到54Mbti/s數(shù)據(jù)速率，這是OFDM第一次被應(yīng)用于分組業(yè)務(wù)通信系統(tǒng)中。此后，ETSI，BARN以及MMAC也紛紛采用OF

36、DM作為其物理層的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　此外，OFDM還易于結(jié)合時(shí)空編碼、分集、干擾抑制以及智能天線等技術(shù)，最在程度地提高物理層信息傳輸?shù)目煽啃?。如果再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制，自適應(yīng)編碼以及動(dòng)態(tài)子載波分配，動(dòng)態(tài)比特分配等技術(shù)，其性能可以進(jìn)一步得到提高。</p><p>　　正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是FDM的一

37、種，是一種多個(gè)窄帶載波調(diào)制技術(shù)。它有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1） 把高速率數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，從而有效地減少由于無線信道的時(shí)間彌散所帶來的ISI，減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，有時(shí)甚至可以不采用均衡器，而僅僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法消除ISI的不利影響。</p><p>　　2） 傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶分為若干個(gè)不相交的子頻帶來并

38、行傳輸數(shù)據(jù)流，各個(gè)子信道之間要保留足夠的保護(hù)頻帶。而OFDM系統(tǒng)由于各個(gè)子載波之間存在正交性，允許子信道的頻繁譜相互重疊，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí)，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。</p><p>　　3） 各個(gè)子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可以通過采用離散傅里葉反變換（IDFT，Inverse Discrete Fourier Transform）和

39、離散傅里葉變換（DFT，Discrete Fourier Transform）的方法來實(shí)現(xiàn)。在子載波數(shù)很大的系統(tǒng)中，可以通過采用快速傅里葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）來實(shí)現(xiàn)。而隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與DSP技術(shù)的發(fā)展，快速傅里葉反變換（IFFT，Inverse Fast Fourier Transform）與FFT都是非常容易實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　4） 無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般存在

40、非對稱性，即下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量要大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，這就要求物理層支持非對稱高速率數(shù)據(jù)傳輸，OFDM系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)量的子信道來實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。</p><p>　　5） OFDM易于和其他多種接入方法結(jié)合使用，構(gòu)成OFDMA系統(tǒng)，其中包括多載波碼分多址MC-CDMA、跳頻OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多個(gè)用戶可以同時(shí)利用OFDM技術(shù)進(jìn)行信息的傳輸。</p&g

41、t;<p>　　但是OFDM系統(tǒng)由于存在多個(gè)正交的子載波，而且其輸出信號是多個(gè)子信道的疊加，因此與單載波系統(tǒng)相比，存在如下缺點(diǎn)：</p><p>　　1） 易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求。由于無線信道的時(shí)變性，在傳輸過程中出現(xiàn)的無線信號頻譜偏移或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致子信道間

42、干擾（ICI，Inter-Channel Interference），這種對頻率偏差的敏感性是OFDM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。</p><p>　　2） 存在較高的峰值平均功率比。多載波系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號的疊加，因此如果多個(gè)信號的相位一致時(shí)，所得到的疊加信號的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比如PAPR（Peak-to-Average power Ratio）。這就對發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的

43、線性度提出了很高的要求，因此可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個(gè)子信道間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)的性能惡化。</p><p>　　1.3本設(shè)計(jì)主要工作</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要是對正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真并加以分析。</p><p>　　第一章為緒論。介紹了OFDM技術(shù)的歷史、發(fā)展過程以及其優(yōu)缺點(diǎn)；</p>&l

44、t;p>　　第二章為OFDM的原理及應(yīng)用。詳細(xì)地講述了OFDM技術(shù)的基本原理。首先介紹了無線多徑信道的特性，然后詳細(xì)分析了OFDM的系統(tǒng)模型包括連續(xù)系統(tǒng)模型和離散系統(tǒng)模型，又從發(fā)送機(jī)和接收機(jī)兩方面闡述了OFDM系統(tǒng)的傳輸特性。</p><p>　　第三章為MATLAB仿真系統(tǒng)。主要介紹了MATLAB仿真軟件的功能及其作用。</p><p>　　第四章為OFDM系統(tǒng)的性能仿真。這是本設(shè)

45、計(jì)的重點(diǎn)部分，在這一章里我們用MATLAB仿真軟件對OFDM系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真并在此基礎(chǔ)上對其結(jié)果加以分析、研究。</p><p>　　第五章為總結(jié)?？偨Y(jié)本設(shè)計(jì)，列出OFDM系統(tǒng)性能仿真結(jié)果，聯(lián)系OFDM的發(fā)展現(xiàn)狀定出以后的研究目標(biāo)。</p><p>　　第二章 OFDM的原理及應(yīng)用</p><p>　　OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻率響應(yīng)曲

46、線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率

47、。OFDM增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或者干擾可能導(dǎo)致整個(gè)鏈路不可用，但在多載波的OFDM系統(tǒng)中，只會(huì)有一小部分載波受影響。此外，糾錯(cuò)碼的使用還可以幫助其恢復(fù)一些載波上的信息。通過合理地挑選子載波位置，可以使OFDM的頻譜波形保持平坦，同時(shí)保證了各載波之間的正交。OFDM盡管還是一種頻分復(fù)用（FDM），但已完全不同于過去的FDM。OFDM的接收機(jī)實(shí)際上是通過FFT實(shí)現(xiàn)的一組解調(diào)器。它將不同載波搬移至

48、零頻，然后在一個(gè)碼元周期內(nèi)積分，其他載波信號由于與所積分的信</p><p>　　2.1 無線多徑信道的特性</p><p>　　在無線信道中，同一個(gè)傳輸信號沿兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)，這就是多徑波，無線信道的多徑性導(dǎo)致小尺度衰落效應(yīng)的產(chǎn)生。它主要體現(xiàn)在經(jīng)過短距或短時(shí)傳播后信號強(qiáng)度的急速變化;在不同的多徑信號上，存在著時(shí)變的多普勒頻移(Doppler Shifts)引起

49、的隨機(jī)頻率調(diào)制:多徑傳播時(shí)延引起的擴(kuò)展(回音)。由于信號的多徑性而產(chǎn)生的干擾我們稱它為多徑衰落或者多徑效應(yīng)。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，人們需要的移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸速率變得越來越高，為了有效的對抗無線通信中的多徑衰落，人們提出了OFDM(正交頻分復(fù)用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)調(diào)制。在早期的OFDM系統(tǒng)中，發(fā)信機(jī)和相關(guān)接收機(jī)所需的副載波陣列是由正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的，系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。1971年

50、Weinstein和Ebert提出了使用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)中的全部調(diào)制和解調(diào)功能的建議，簡化了振蕩器陣列以及相關(guān)接收機(jī)中本地載波之間嚴(yán)格同步的問題，為實(shí)現(xiàn)OFDM的全數(shù)字化方案作了理論上的準(zhǔn)備。80年代后，OFDM技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到了各國學(xué)者的廣泛研究，現(xiàn)在OFDM己經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了</p><p>　　2.1.1 無線多徑信道的建模</p><p>　　為了定量的分析無線多

51、徑信道，研究它的新能。人們需要對無線多徑信道進(jìn)行建模。通常人們把無線多徑信道建模為一個(gè)線性時(shí)變系統(tǒng)。多徑信道的接收信號由許多被減弱、有時(shí)延、有相移的傳輸信號組成，其基帶沖激響應(yīng)模型可表示為:</p><p><b>　　= (2.1.1)</b></p><p>　　其中,,分別為在t時(shí)刻第個(gè)多徑分量的實(shí)際幅度和附加時(shí)延。表示第個(gè)多徑分量在自由空間傳播造成的相移，再加

52、上在信道中的附加相移。一般來說，相移僅用一個(gè)變量來表示，該變量包含了在i個(gè)附加時(shí)延內(nèi)一個(gè)多徑分量所有的相移。注意，因?yàn)榭梢詾?，所以在某些時(shí)刻t和時(shí)延，附加時(shí)延段可能沒有多徑情況。N是多徑分量可能取值的總數(shù)。δ(.)是單位沖激函數(shù)，它決定在時(shí)刻t與附加時(shí)延:有分量存在的多徑段數(shù)。</p><p>　　2.1.2 無線多徑信道的參數(shù)</p><p>　　為了比較不同多徑信道以及研究無線系統(tǒng)設(shè)

53、計(jì)的方法，采用了量化多徑信道的一些參數(shù)，其中有平均附加時(shí)延，時(shí)延擴(kuò)展。這些參數(shù)可由功率延遲分布得到。平均附加時(shí)延是功率延遲分布的一階矩，定義為:</p><p><b>　　(2.1.2)</b></p><p>　　時(shí)延擴(kuò)展是功率延遲分布的二階矩的平方根，定義為:</p><p><b>　　(2.1.3)</b><

54、;/p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　(2.1.4)</b></p><p>　　時(shí)延擴(kuò)展是由反射及散射傳播路徑引起的現(xiàn)象，而相干帶寬是從時(shí)延擴(kuò)展得出一個(gè)確定關(guān)系值。相干帶寬是一定范圍內(nèi)的頻率的統(tǒng)計(jì)測量值，是建立在信道是平坦(即在該信道上，所有譜分量均以幾乎相同的增益及線性相位通過)的基礎(chǔ)上。

55、換句話說，相干帶寬就是指在一定的頻率范圍內(nèi)，兩個(gè)頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。頻率間隔大于的兩個(gè)正弦信號受信道影響大不相同。如果相干帶寬定義為頻率相關(guān)函數(shù)大于0.9的某特定帶寬，則相關(guān)帶寬近似為：</p><p>　　≈ （2.1.5）</p><p>　　如果將定義放寬至相關(guān)函數(shù)值大于0.5。則相干帶寬近似為：</p><p

56、>　　≈ （2.1.6）</p><p>　　2.1.3 多徑效應(yīng)產(chǎn)生的衰落</p><p>　　多徑效應(yīng)引起的時(shí)間色散，導(dǎo)致發(fā)送的信號產(chǎn)生平坦衰落或者頻率選擇性衰落。如果移動(dòng)無線信道帶寬大于發(fā)送信號的帶寬，且在帶寬范圍內(nèi)有恒定增益及線性相位，則接收信號就會(huì)經(jīng)歷平坦衰落過程。經(jīng)歷平坦衰落的條件可概括為:</p><p

57、>　　其中是帶寬的倒數(shù)（如信號周期)，是帶寬，和分別是時(shí)延擴(kuò)展和相干帶寬。信號在平坦衰落的情況下，信道的多徑結(jié)構(gòu)使發(fā)送信號的頻譜特性在接收機(jī)內(nèi)能保持不變，然而由于多徑導(dǎo)致信道增益的起伏，使接收信號的強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間變化。典型的平坦衰落信道會(huì)引起深度衰落。</p><p>　　如果信道具有恒定增益和線性相位的帶寬范圍小于發(fā)送信號帶寬，則該信道特性會(huì)導(dǎo)致接收信號產(chǎn)生選擇性衰落。在這種情況下，信道沖激響應(yīng)具有多徑時(shí)

58、延擴(kuò)展，其值大于發(fā)送信號波形帶寬的倒數(shù)。概括的說信號產(chǎn)生頻率選擇性衰落的條件為:</p><p>　　頻率選擇性衰落是由信道中發(fā)送信號的時(shí)間色散引起的，它會(huì)引起符號間干擾(ISI)，頻率選擇性衰落信道也稱為寬帶信道，通常若, 該信道就可以認(rèn)為是頻率先擇性的。</p><p><b>　　2.2 系統(tǒng)模型</b></p><p>　　2.2.1

59、連續(xù)系統(tǒng)模型</p><p>　　實(shí)際上，第一個(gè)OFDM系統(tǒng)并非采用數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的。只是隨著集成芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢越來越明顯，為了方便計(jì)算芯片處理數(shù)據(jù)，才有了離散系統(tǒng)。因此，本設(shè)計(jì)首先將詳細(xì)介紹連續(xù)系統(tǒng)模型，然后再介紹數(shù)字化的OFDM系統(tǒng)。一個(gè)OFDM系統(tǒng)的基帶模型如圖2.2.1所示。本設(shè)計(jì)將按信號的流向，一步步介紹系統(tǒng)模型的原理.</p><p>　　圖2.2.1基帶

60、OFDM系統(tǒng)模型</p><p><b>　　（1）發(fā)送端</b></p><p>　　假設(shè)系統(tǒng)有N個(gè)子信道;帶寬 W Hz;一個(gè)OFDM符號長度為T秒，其中秒為循環(huán)前綴的長度;符號采用矩形脈沖成型。表達(dá)式如下:</p><p><b>　?。?.2.1） </b></p><p>　　式中:。當(dāng)

61、t在循環(huán)前綴[0，]內(nèi)時(shí)，。有了上面的假設(shè)，就可以得到第個(gè)OFDM符號的基帶信號是:</p><p><b>　　(2.2.2)</b></p><p>　　其中, , … ，是一組復(fù)信號，這一組復(fù)信號是二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過QAM (Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調(diào)制)星座圖映射而來，這在后面會(huì)詳細(xì)分析。連續(xù)的OFDM信號就組成發(fā)

62、送端的輸出信號，所以輸出信號的表達(dá)式如下:</p><p><b>　?。?.2.3）</b></p><p><b>　?。?）物理信道</b></p><p>　　信道是信息傳輸系統(tǒng)中必不可少的組成部分。當(dāng)信號通過時(shí)，必然受到其內(nèi)外的干擾和噪聲的影響，因此，需要對信道進(jìn)行建模。本設(shè)計(jì)假設(shè)信道為AWGN (Additiv

63、e White Gaussian Noise，加性高斯白噪聲)信道。信道的脈沖響應(yīng)時(shí)間長度只在 [0，]范圍內(nèi)。也就是說，信道的脈沖響應(yīng)時(shí)間比循環(huán)前綴的時(shí)間短。接收到的信號可表達(dá)為:</p><p><b>　　(2.2.4)</b></p><p>　　其中為加性、白色、復(fù)高斯信道噪聲。</p><p><b>　?。?）接收端&l

64、t;/b></p><p>　　接受端首先要去掉循環(huán)前綴。這是通過一個(gè)與發(fā)送信號的后半部分[，T] 匹配的濾波器實(shí)現(xiàn)的。濾波器的輸出信號為:</p><p><b>　　(2.2.5)</b></p><p>　　去掉循環(huán)前綴的同時(shí)，也就去掉了前面符號對當(dāng)前符號的碼間干擾(ISI)。因此在這里，可以先只考慮單個(gè)(第K個(gè))濾波器的情況。也就

65、是先不考慮下標(biāo)？因?yàn)樾诺赖难訒r(shí)短于循環(huán)前綴的長度，循環(huán)前綴包含了所有的前面的符號造成的ISI干擾。這樣，濾波器的輸出就是沒有干擾的符號。綜合式2.2.3, 2.2.4, 2.2.5可得： (2.2.6)</p><p>　　假設(shè)信道在兩個(gè)OFDM符號間隔持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變，因此，可以簡化為，（2.2.6）可變換為:</p><p><b>　　(2.2.7)</b&

66、gt;</p><p>　　其中；。所以。括號內(nèi)的積分可進(jìn)一步改寫為:</p><p><b>　　(2.2.8)</b></p><p>　　由上式可以看出，積分部分就是信道在頻率這一點(diǎn)的抽樣頻率響應(yīng)。這個(gè)頻率也就是第個(gè)子信道的頻率。</p><p>　　令 </p><

67、p><b>　　(2.2.9)</b></p><p>　　其中是的傅里葉變換。由上面的分析可知，接收端濾波器的輸出可以進(jìn)一步簡化為:</p><p><b>　　(2.2.10)</b></p><p>　　其中，根據(jù)函數(shù)的正交性可得：</p><p><b>　?。?.2.11）

68、</b></p><p>　　因此2.2.10式可在簡化后得到:</p><p><b>　?。?.2.12）</b></p><p>　　式中是加性高斯白噪聲(AWGN)。</p><p>　　循環(huán)前綴的作用體現(xiàn)在了兩方面:它可以同時(shí)避免ISI(其保護(hù)間隔的作用) 和ICI(起保持子信道間正交性的作用)。這

69、時(shí)在引人下標(biāo)，從圖2.2.2可以看出OFDM系統(tǒng)是一個(gè)并行的高斯信道。</p><p>　　圖2.2.2 OFDM并行模型</p><p>　　不過有一點(diǎn)需要考慮的是:當(dāng)接收到的有用信號(式2.2.12)保持不變時(shí)，發(fā)送所消耗的能量隨著循環(huán)前綴長度的增加而增加。單個(gè)子信道每個(gè)OFDM符號所消耗的能量是:。接受端由于截去了循環(huán)前綴部分，所以必然造成信噪比損失SNR Loss。其表達(dá)式如下&l

70、t;/p><p><b>　　（2.2.13）</b></p><p>　　其中，表示循環(huán)前綴的相對長度。循環(huán)前綴越長，SNR loss越大。通常，循環(huán)前綴相對長度比較小，主要是ICI，ISI產(chǎn)生的SNR loss.(小于1dB當(dāng)<0.2)。</p><p>　　該系統(tǒng)的頻域分析如下。圖2.2.3表示了在傳輸一個(gè)OFDM符號時(shí)，N個(gè)子信道獨(dú)立

71、的頻譜疊放在一個(gè)圖中的效果圖.</p><p>　　發(fā)送端的矩形窗對發(fā)送的脈沖的作用導(dǎo)致了每個(gè)子信道形狀如抽樣函數(shù)的頻率響應(yīng)。因此，OFDM系統(tǒng)的功率譜以衰減。在某些情況下，這樣的衰減速度是不夠的。所以人們提出了另外的一些譜成型的方法。在文獻(xiàn)[9]中，提出了一種采用升余弦脈沖成型的方法。升余弦窗的示意圖如圖（2.2.4）所示。</p><p><b>　　頻率</b>

72、</p><p>　　圖2.2.3 OFDM的頻譜</p><p><b>　　時(shí)間</b></p><p>　　圖2.2.4 升余弦窗頻譜</p><p>　　圖2.2.5 矩形脈沖（實(shí)線）與升余弦脈沖（虛線）的頻譜比較</p><p>　　使用升余弦脈沖時(shí)，滾降區(qū)域可以起到保護(hù)間隔的作用;平坦

73、的區(qū)域用于傳輸包括循環(huán)前綴在內(nèi)的QFDM符號。ICI與ISI同樣可以避免。更重要的是升余弦脈沖的旁瓣衰減速度快。它的頻譜如圖2.2.5所示:從圖上可以看出，升余弦的滾降保護(hù)間隔帶來了很好效果，頻譜的旁瓣衰減的很快。</p><p>　　2.2.2 離散系統(tǒng)模型</p><p>　　作為一種無需均衡、能有效對抗突發(fā)噪聲以及能充分利用帶寬的系統(tǒng)，人們早在60年代就對子信道重疊的頻分復(fù)用的數(shù)據(jù)傳

74、輸系統(tǒng)產(chǎn)生了興趣，并作了許多的研究（文獻(xiàn)[11]和[12]）。多載波系統(tǒng)開始被應(yīng)用。文獻(xiàn)[13]和[14]都對這種系統(tǒng)良好的效果作了研究及證明。然而，當(dāng)子信道非常多時(shí)，并行數(shù)據(jù)系統(tǒng)所需的大量的正弦信號發(fā)生器以及相關(guān)信號解調(diào)器使得系統(tǒng)變得非常昂貴和復(fù)雜。文獻(xiàn)[10]因此提出了一個(gè)新的觀點(diǎn):數(shù)據(jù)的調(diào)制實(shí)際上是對原來串行的數(shù)據(jù)的一個(gè)傅立葉變換;相關(guān)解調(diào)實(shí)際上就是一個(gè)傅立葉反變換。這種觀點(diǎn)提出了一種基于快速傅立葉變換(FFT)專用芯片的數(shù)字調(diào)制

75、解調(diào)的技術(shù)。以后，[9]中，又對利用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。早期的數(shù)字處理芯片的處理能力有限，使這些技術(shù)的應(yīng)用有許多的限制。</p><p>　　近年來，隨著高速數(shù)字處理芯片的快速發(fā)展，F(xiàn)FT使得調(diào)制解調(diào)變得簡單，因此這種技術(shù)、被廣泛應(yīng)用和深入研究?，F(xiàn)在，基于IFFT的OFDM技術(shù)作為一種先進(jìn)的技術(shù)在高速、寬帶通信網(wǎng)中的應(yīng)用成為了研究的熱點(diǎn)，并在進(jìn)一步發(fā)展。結(jié)合最新的研究成果，

76、以下是本設(shè)計(jì)采用的離散OFDM系統(tǒng)的模型，也是計(jì)算機(jī)仿真時(shí)的模型。</p><p>　　根據(jù)上面的所敘的連續(xù)系統(tǒng)模型和系統(tǒng)離散化的理論基礎(chǔ)，可以得到了離散系統(tǒng)模型。</p><p>　　一個(gè)完整的離散系統(tǒng)模型如圖2.2.6所示。</p><p>　　圖2.2.6 基帶離散OFDM系統(tǒng)模型</p><p>　　與連續(xù)的系統(tǒng)模型相比，調(diào)制和解調(diào)分

77、別被反離散傅立葉變換IDFT和DFT所代替，信道是一個(gè)離散的卷積。循環(huán)前綴在本系統(tǒng)中起相同的作用，并以相同的方式加循環(huán)前綴(CP)和去循環(huán)前綴。計(jì)算方法上，與上一方案本質(zhì)上是相同的，只是用求和替換了積分。從接收端的角度來看，整個(gè)OFDM系統(tǒng)可以表示為:</p><p><b>　　（2.2.14）</b></p><p>　　其中:代表卷積包含N個(gè)接收到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，是被

78、發(fā)送出的N個(gè)由星座圖映射而來的點(diǎn)，廣告表示信道的脈沖響應(yīng)(當(dāng)長度不足N時(shí)，在尾部補(bǔ)零直到長度為N)，代表信道噪聲。因?yàn)榧僭O(shè)信道是加性白高斯信道(AWGC)，所以代表不相關(guān)的高斯噪聲。此外，從上式還可以看出，對兩個(gè)數(shù)的卷積的結(jié)果進(jìn)行DFT與分別對它們進(jìn)行DFT后的結(jié)果的乘積相等。因此2.2.14可以改寫為:</p><p>　　式中是信道的頻率響應(yīng)。這樣就得到了與連續(xù)系統(tǒng)模型相同的并</p><

79、p>　　行高斯信道模型。唯一的不同是信道的脈沖響應(yīng)是由離散時(shí)間信道的N點(diǎn)DFT而來，而不是如式2.2.9表示的抽樣頻率響應(yīng)。</p><p><b>　　2.3 傳輸技術(shù)</b></p><p><b>　　2.3.1 接收機(jī)</b></p><p>　　一個(gè)OFDM信號由頻率間隔為的N個(gè)子載波構(gòu)成。因此，系統(tǒng)總帶寬

80、B被分成N個(gè)等距離的子信道。所有的子載波在一個(gè)間隔長度為=1/ 內(nèi)的時(shí)間內(nèi)相互正交。第k個(gè)子載波信號用函數(shù)，k=1，…，N-1來描述。</p><p>　　= （2.2.15）</p><p>　　既然系統(tǒng)帶寬B被分為N個(gè)窄帶子信道，所以O(shè)FDM組的持續(xù)時(shí)間就是相同帶寬的單載波傳輸系統(tǒng)的N倍。對一個(gè)給定的系統(tǒng)帶寬，子載波個(gè)數(shù)的選取要滿足符號持續(xù)時(shí)間大于信道的最大

81、延遲。子載波信號加上一個(gè)長度為的循環(huán)前綴（稱為保護(hù)間隔）得到下面的信號：</p><p><b>　　(2.2.16) </b></p><p>　　保護(hù)間隔的作用是避免多徑信道上產(chǎn)生的ISI，如圖2.2.7所示。在接收機(jī)，刪去保護(hù)間隔而只估計(jì)時(shí)間間隔[0，Ts]。從這點(diǎn)看，保護(hù)間隔是純粹的系統(tǒng)開銷。整個(gè)OFDM組的持續(xù)時(shí)間是T=。</p><p&

82、gt;　　OFDM傳輸技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)勢是可以明顯降低由多徑信道引起的ISI。如果保護(hù)間隔比無線信道最大延遲還大，那么就既不產(chǎn)生ISI也不影響子載波的正交性，如圖2.2.7所示，僅在保護(hù)間隔內(nèi)才出現(xiàn)與先前已傳信息的干擾，但在估算的時(shí)間間隔內(nèi)，多徑信道僅僅改變子載波信號的幅度和相位。</p><p>　　每個(gè)子載波可以由復(fù)調(diào)制符號獨(dú)立調(diào)制，這里下標(biāo)n表示時(shí)間間隔，而k表示子載波在該OFDM組的序號。因而在符號持續(xù)時(shí)

83、間T內(nèi)，第n個(gè)OFDM組可表示為：</p><p><b>　?。?.2.17）</b></p><p>　　圖2.2.7 多徑信道上發(fā)送的OFDM子載波信號</p><p>　　由所有OFDM組構(gòu)成的時(shí)間連續(xù)信號是：</p><p><b>　?。?.2.18）</b></p>&l

84、t;p>　　因此，每個(gè)子載波都采用矩形脈沖成形。由于采用矩形脈沖成形，子載波的頻譜是sinc函數(shù)，例如，對于第k個(gè)子載波：</p><p><b>　?。?.2.19）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　（2.2.20）</b></p>

85、<p>　　子載波雖然有頻譜交疊，但是信號相互正交，調(diào)制符號可以通過相關(guān)技術(shù)恢復(fù)：</p><p><b>　?。?.2.21）</b></p><p><b>　?。?.2.22）</b></p><p>　　其中，是的共軛。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射機(jī)的數(shù)字信號處理部分首先產(chǎn)生離散的OFDM信號。因?yàn)镺FDM系統(tǒng)的帶

86、寬是，所以信號必須在抽樣時(shí)間間隔抽樣。信號的抽樣寫做，i=0,1,…，N-1，而且可以進(jìn)行如下計(jì)算： （2.2.23）</p><p>　　上面等式嚴(yán)格描述了離散傅里葉逆變換（IDFT），一般用IFFT實(shí)現(xiàn)。在IFFT后，應(yīng)用進(jìn)一步的信號處理來避免帶外輻射。如果功率放大器限制了OFDM信號的幅度峰值，則可能引起子載波頻譜的帶外輻射和子載波頻譜的副瓣。最后，信號進(jìn)行數(shù)模

87、轉(zhuǎn)換并發(fā)送出去。</p><p><b>　　2.3.2 接收機(jī)</b></p><p>　　假定保護(hù)間隔長度的值大于信道最大多徑延遲，并且首先考慮一個(gè)時(shí)不變信道。這樣，在接收機(jī)估計(jì)的時(shí)間間隔內(nèi)，對所有傳播路徑的接收信號的貢獻(xiàn)乘以各自的復(fù)信道傳輸因子，加到原始的被調(diào)制的子載波信號上。圖3.1描述了單載波的情況。這樣，子載波的正交性在無線信道的輸出端得到了保證。對于一個(gè)

88、時(shí)變信道，在相干時(shí)間比符號持續(xù)時(shí)間T大時(shí)，上述假設(shè)也是一個(gè)很好的近似。因此，采用（2.2.17）式的相關(guān)技術(shù)可以把接收信號分解為正交的子載波信號：</p><p><b>　?。?.2.24）</b></p><p>　　接收機(jī)的相關(guān)可以等效地用離散傅里葉變換（DFT）或FFT實(shí)現(xiàn)，分別為：</p><p><b>　?。?.2.25

89、）</b></p><p>　　其中，是接收信號的第i個(gè)抽樣值，是接收到的第k個(gè)子載波的復(fù)調(diào)制符號。FFT和IFFT算法可以非常高效地實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　如果選取的符號連續(xù)時(shí)間T比信道的相干時(shí)間小得多，那么在每個(gè)調(diào)制符號的持續(xù)時(shí)間內(nèi)無線信道的傳輸函數(shù)可以認(rèn)為是恒定的。無線信道的作用僅僅是將每個(gè)子載波信號乘上一個(gè)復(fù)傳輸因子。結(jié)果，接收的調(diào)制符號在FFT變換之后為：<

90、;/p><p><b>　　(2.2.26)</b></p><p>　　這里是信道的加性噪聲。這個(gè)等式顯示了應(yīng)用OFDM傳輸技術(shù)最大的優(yōu)越性：即使在最大延遲大到單載波系統(tǒng)里足以導(dǎo)致非常嚴(yán)重的ISI的情況下，我們?nèi)钥梢员ＷC每個(gè)被傳輸?shù)恼{(diào)制符號僅被一個(gè)復(fù)傳輸因子和加性噪聲所影響，根本不存在ISI。</p><p>　　式(2.2.26)假定接收機(jī)實(shí)現(xiàn)

91、了理想的同步，同步在OFDM系統(tǒng)中是一個(gè)重要的問題，因?yàn)闀r(shí)間和頻率同步誤差將影響子載波的正交性從而大大降低信噪比。式?jīng)]有考慮的另一個(gè)問題是放大器非線性引起的信號失真。遺憾的是，OFDM信號有很高的功率峰均比，為了避免帶外的干擾，功率放大器的輸入需要很大的回退。例如，如果相鄰頻帶的干擾比OFDM頻帶的能量譜密度低40dB以上，那么輸入回退需要大于7.5dB。然而，可以用編碼或信號處理的辦法減少OFDM信號的幅度變化范圍，從而降低需要的輸入

92、回退量。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章詳細(xì)講述了OFDM的原理及應(yīng)用。首先介紹了無線多徑信道，在此基礎(chǔ)上分兩方面講述了OFDM的原理即OFDM系統(tǒng)的理論模型，包括連續(xù)的系統(tǒng)模型與離散的系統(tǒng)模型；以及OFDM系統(tǒng)的傳輸特性。</p><p>　　第3章 MATLAB仿真系統(tǒng)</p>

93、<p>　　3.1 MATLAB的功能</p><p>　　MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件，主要適用于矩陣運(yùn)算及控制和信息處理領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)，它使用方便，輸入簡捷，運(yùn)算高效，內(nèi)容豐富，并且很容易由用戶自行擴(kuò)展，因此，當(dāng)前已成為美國和其他發(fā)達(dá)國家大學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究中最常用而必不可少的工具。</p><p>　　MATLAB是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”（MATrix LABoratory）的縮

94、寫，這旨一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，專門針對科學(xué)、工程計(jì)算及繪圖的需求。與其他計(jì)算機(jī)語言相比，其特點(diǎn)是簡潔和智能化。適應(yīng)科技專業(yè)人員的思維方式和書寫習(xí)慣，使得編程和調(diào)試效率大大提高。它用解釋方式工作，鍵入程序立即得出結(jié)果，人機(jī)交互性能好，深得科技人員喜愛。特別是它可適應(yīng)多種平臺，并且，隨計(jì)算機(jī)硬軟件的更新及時(shí)升級。因此，MATLAB語言在國外的大學(xué)工學(xué)院中，特別是數(shù)值計(jì)算用的最頻繁的電子信息類學(xué)科中，已成為每個(gè)學(xué)生都掌握的工具

95、了。它大大提高了課程教學(xué)、解題作業(yè)、分析研究的效率。</p><p>　　3.2 MATLAB的語言特點(diǎn)</p><p>　　MATLAB語言有以下特點(diǎn)：</p><p><b>　?。?）起點(diǎn)高</b></p><p>　?、倜總€(gè)變量代表一個(gè)矩陣，從MATLAB名字的來源可知，它以矩陣運(yùn)算見長，在當(dāng)前的科學(xué)計(jì)算中，幾乎

96、無處不用矩陣運(yùn)算，這使它的優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn)。在MATLAB中，每個(gè)變量代表一個(gè)矩陣，它可以有n×m個(gè)元素。</p><p>　?、诿總€(gè)元素都看作復(fù)數(shù)，這個(gè)特點(diǎn)在其他語言中也是不多見的。</p><p>　　③所有的運(yùn)算都對矩陣和復(fù)數(shù)有效，包括加、減、乘、除、函數(shù)運(yùn)算等。</p><p>　?。?）人機(jī)界面適合科技人員</p><p&

97、gt;　?、僬Z言規(guī)則與筆算式相似：MATLAB的程序與科技人員的書寫習(xí)慣相近，因此，易寫易讀，易于在科技人員之間交流。</p><p>　　②矩陣行數(shù)列數(shù)無需定義：要輸入一個(gè)矩陣，用其他語言時(shí)必須先定義矩陣的階數(shù)，而MATLAB則不必有階數(shù)定義語句。輸入數(shù)據(jù)的行列數(shù)就決定了它的階數(shù)。</p><p>　?、坻I入算式立即得結(jié)果，無需編譯：MATLAB是以解釋方式工作的，即它對每條語句解釋后立

98、即執(zhí)行，若有錯(cuò)誤也立即做出反應(yīng)。便于編程者馬上改正。這些都大大減輕了編程和調(diào)試的工作量。</p><p>　?。?）強(qiáng)大而簡易的做圖功能</p><p>　　①能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)確定坐標(biāo)繪圖。</p><p>　?、诙ǘ喾N坐標(biāo)系（極坐標(biāo)，對數(shù)坐標(biāo)等）。</p><p>　?、勰芾L制三維坐標(biāo)中的曲線和曲面。</p><p&g

99、t;　?、芸稍O(shè)置不同顏色、線型和視角等。</p><p>　　如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需一條命令即可出圖。</p><p><b>　　（4）智能化程度高</b></p><p>　?、倮L圖時(shí)自動(dòng)選擇最佳坐標(biāo)；</p><p>　　②做數(shù)值積分時(shí)，自動(dòng)按精度選擇步長；</p><p>　?、圩詣?dòng)檢測和

100、顯示程序錯(cuò)誤的能力強(qiáng)，易于調(diào)試。</p><p>　?。?）功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)</p><p>　　MATLAB軟件包括基本部分和專業(yè)擴(kuò)展兩大部分?；静糠职ǎ壕仃嚨倪\(yùn)算和各種變換；代數(shù)和超越方程的求解，數(shù)據(jù)處理和傅里葉變換，數(shù)值積分，等等，可以充分滿足大學(xué)理工科本科的計(jì)算需要。</p><p>　　擴(kuò)展部分稱為工具箱。它實(shí)際上是用MATLAB的基本語句編成的各

101、種子程序集，用于解決某一方面的專門問題，或?qū)崿F(xiàn)某一類的新算法?，F(xiàn)在已經(jīng)有控制系統(tǒng)、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、模糊集合、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和小波分析等數(shù)十個(gè)工具箱，并且還在繼續(xù)發(fā)展中。</p><p>　　MATLAB的核心內(nèi)容是它的基本部分，所有的工具箱子程序都是用它的基本語句編寫的。</p><p>　　3.3 MATLAB的工作環(huán)境</p><p>　　不同版本的M

102、ATLAB要安裝在不同的操作系統(tǒng)下。MATLAB 4.0以后的版本都是以Windows操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)。MATLAB的工作環(huán)境主要由命令窗（Command Window），圖形窗（Figure Window），文本編輯窗（File Editor）組成。MATLAB 6.x又增加了幾個(gè)輔助視窗組成其“桌面系統(tǒng)”。 </p><p>　　第4章 OFDM系統(tǒng)的性能仿真</p><p><b

103、>　　4.1 計(jì)算機(jī)仿真</b></p><p>　　4.1.1 計(jì)算機(jī)仿真平臺</p><p><b>　　1）硬件</b></p><p>　　CPU: Pentium III 600MHz</p><p>　　內(nèi)存:128M SDRAM</p><p><b>　

104、　2）軟件</b></p><p>　　操作系統(tǒng):Microsoft Windows 2000版本5.0</p><p>　　仿真軟件:The Math Works Inc.Matlab版本6.0</p><p>　　包括Matlab 6.0的simulink 4.0仿真系統(tǒng)以及M文件仿真系統(tǒng)。</p><p>　　4.1.2 仿

105、真流程</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)的仿真流程如下圖4.1.1所示.</p><p>　　如圖4.1.1所示，OFDM的過程首先從隨機(jī)數(shù)據(jù)產(chǎn)生器開始，發(fā)送出來的(0 1)等概數(shù)據(jù)經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換之后，形成分路，分路數(shù)也就是載波數(shù)目，載波的頻點(diǎn)間隔是串/并轉(zhuǎn)換后碼元寬度的倒數(shù)，因?yàn)橹挥羞@樣子信道的每個(gè)已調(diào)信號的功率譜才能正交重疊。這一點(diǎn)是關(guān)鍵的，基帶信號經(jīng)過DPSK(差分PSK)調(diào)制后，會(huì)將碼

106、元映射到一個(gè)復(fù)信號上，這是DSP處理的過程，而后這些復(fù)信號對應(yīng)到各頻點(diǎn)上后，做N點(diǎn)的IFFT變換，N可以通過選擇，但不是隨便的，如果N太少，IFFT處理會(huì)出錯(cuò)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中，中頻的選取和N的大小是有關(guān)系的，N太小，中頻取太小，那么頻帶根本無法分割。N太大是不顯示的，因?yàn)閭鬏數(shù)男盘栆矔?huì)增多。一般N是2的冪次，并且是選取中頻的4倍。經(jīng)過IFFT以后，再并/串處理，將信號輸出，并且在此中插入保護(hù)間隔。插入保換間隔就是為了防止信道中相關(guān)時(shí)間

107、比OFDM碼元大，從而引起頻率選擇性衰落。這樣OFDM碼元輸出進(jìn)入信道，在信道中受到高斯噪聲和多徑濾波的影響。在接收器處，首先去除保護(hù)間隔;然后通過串/并轉(zhuǎn)換，再輸入FFT中解調(diào)，這時(shí)將得到需要解調(diào)的信號，讓這個(gè)信道通過檢波就可以將源信息恢復(fù)，再做分路，完成</p><p>　　圖 4.1.1 OFMD系統(tǒng)仿真示意圖</p><p><b>　　4.2 代碼實(shí)現(xiàn)</b&g

108、t;</p><p><b>　　N=128;</b></p><p><b>　　N1=2000;</b></p><p><b>　　snr=12;</b></p><p>　　ssnr=10^(snr/10);</p><p><b>　

109、　n=0;</b></p><p>　　for j=1:N1</p><p>　　x=rand(1,N);</p><p><b>　　for m=1:N</b></p><p>　　if x(m)>0.5</p><p><b>　　x(m)=1; </b>

110、;</p><p><b>　　else </b></p><p><b>　　x(m)=-1;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　N2=randn(

111、2,N)/sqrt(2);</p><p>　　NN=N2(1,N)+i*N2(2,N);</p><p>　　h=randn(1,6)/sqrt(6);</p><p><b>　　for k=1:N</b></p><p>　　H=(h(1)+i*h(2))+(h(3)+i*h(4))*exp(-i*2*pi*(k-