基于matlabofdm系统设计与仿真

内江师范学院本科毕业设计 i 目目 录录 1 绪论.1 1.1 课题研究背景及意义.1 1.2 无线通信1 1.2.1 无线通信概述.1 1.2.2 无线信道特性.2 1.3 OFDM 概述及应用.3 1.3.1 OFDM 的发展.3 1.3.2 OFDM 的关键技术3 1.3.3 OFDM 的优缺点4 2 OFDM 基本原理.6 2.1 原理及数学描述6 2.1.1 OFDM 基本原理6 2.1.2 串并转换.6 2.1.3 子载波调制7 2.1.4 DFT 变换10 2.1.5 保护间隔、循环前缀和子载波数选择.11 2.1.6 OFDM 基本参数的选择14 2.1.7 QPSK 调制.15 2.1.8 QPSK 信号的产生.18 3 OFDM 的系统仿真20 3.1 MATLAB 特点与功能.20 3.2 OFDM 系统收发机.20 3.3 OFDM 系统仿真.22 3.3.1 串行数据的产生.22 3.3.2 串并转换23 3.3.3 QPSK 调制.25 3.3.4 QPSK 调制星座图.29 3.3.5 IFFT/FFT 运算30 3.3.6 保护间隔和循环前缀.32 内江师范学院本科毕业设计 ii 3.3.7 并串转换34 3.3.8 加入高斯噪声35 3.3.9 QPSK 解调.37 3.3.10 接收信号38 3.4 系统误码率的分析.38 3.5 BER 性能曲线40 3.6 本章小结41 参考文献.42 附录43 致谢错误！未定义书签。错误！未定义书签。 内江师范学院本科毕业设计 iii 摘 要 随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM 技术在综合无线接 入领域得到广泛应用，它将是第四代移动通信的核心技术之一。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种特殊的多载波传输方案，它将数字调制、数 字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，是目前已知的频谱利用率最高的一种 通信系统，具有传输速率快、抗多径干扰能力强的优点。目前，OFDM 技术在数字音频广 播(DAB)、地面数字视频广播(DVBT)、无线局域网等领域得到广泛的应用。 本文简述了无线信道的特点，概述了OFDM技术的发展状况、原理、数学表示、部分 关键技术，采用Matlab仿真的方法，并且对由于高斯噪声而引起码间干扰等问题进行了 仿真和讨论,并对QPSK调制技术进行了较为全面的仿真和分析， 并且通过仿真得出了在一 定信噪比范围内的BER性能曲线。 关键词关键词：正交频分复用；调制； 解调 内江师范学院本科毕业设计 iv Abstract As people on the needs of data communication, broadband, individuals and mobile, OFDM technology accesses a wide range of applications in the field of integrated wireless , it will be one of the core technology of 4 G mobile communications. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is a special multi-carrier transmission scheme , it combines some technologies such as figure modulation, digital signal processing, multi-carrier transmission .It is the maximum utilization of the spectrum communication system ,with the advantages of faster transfer rates ,anti-multipath interference. Currently known at present, OFDM technology is widely used in the digital audio broadcasting (DAB), terrestrial digital video broadcasting (DVB-T) and wireless LAN. The paper analyzes the features of wireless channel, and briefly summarizes the development, principles, mathematics denotation, some key technology of the OFDM. At the same time, imitate and discuss deeply about some problems, such as ISI and QPSK modulation by using the method of matlab simulation. This paper simulates the scope of BER performance curve within a certain signal to noise ratio. Key words: OFDM; Modulation; Demodulation 内江师范学院本科毕业设计 1 1 绪论 1.1 课题研究背景及意义 进入21世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。随着用户对各种 实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以预计，未来的无线通信及技 术将会有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利，其网络结构也将发生根本的变 化。为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代的无线通信中必须 采用频谱效率更高、抗符号间干扰能力更强的新型传输技术。 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信技术是多载波传输技术的典 型代表。多载波传输把数据流分解为若干个独立的比特流，每个子数据流将具有低得多 的比特速率，用这样低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，就构成了 多个低速率符号并行发送的传输系统。OFDM是多载波传输方案的实现方式之一，具有 抗多径能力强、频谱利用率高，利用快速傅里叶逆变换和快速傅里叶变换来分别实现调 制和解调，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。 1.2 无线通信 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是目前已知的频谱利用率最高 的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起， 使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力， 是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一 1。 1.2.1 无线通信概述 (1)1G阶段 主要采用频分复用，语音信号为模拟调制。由于受到网络容量限制，只能传输语音。 其主要缺点是，频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、设备成本高、终端体 积大、质量大、不能提供自动漫游等。 (2)2G阶段 内江师范学院本科毕业设计 2 主要采用了时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术。主要体制有GSM、 DAMPS、IS-95。GSM发源于欧洲， GSM标准体制较为完善，技术相对成熟，其不足之 处是相对于模拟系统容量增加不多，无法和模拟系统兼容，不能提供分组数据业务等。 (3)3G阶段 第三代移动通信主要体制有WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA。提供了更大的 系统容量和高质量的传输，提高了无线频率利用效率。实现了卫星在内的全球覆盖并实 现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接。 (4)4G阶段 第四代移动通通信可以在不同的固定、 无线平台和不同频带的网络中提供无线服务。 可以在任何地方宽带接入互联网，能够提供信息通信之外的定位、定时数据采集、远程 控制等综合功能。被4G看好的高速调制技术就是多载波正交频分复用（OFDM）调制技 术。 1.2.2 无线信道特性 无线信道包括了电波的多径衰落，时延扩展，以及多普勒效应，在移动通信中，必 须要充分考虑这些特性，并提出相关的解决方案。 (1)时延扩展 各路径长度不同使得信号到达时间不同，基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不 仅含有该信号，还包含有它的各个时延信号。这种由于多径效应使接收信号脉冲宽度扩 展的现象，称为时延扩展。 (2)多径衰落 由于接收者所处地理环境复杂，因此到达接收者的电波不仅有直射波的主径信号， 还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，而且他们到达时的信号强度、 到达时间及到达时的载波相位都不一样，所接收的信号是上述各路信号的矢量和，从而 会引起信号衰落及失真，称为多径衰落。 (3)多普勒效应 由于移动通信中移动台的移动性，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源 远离观察者时接收频率变低。这就是由多普勒效应效应引起的。 内江师范学院本科毕业设计 3 1.3 OFDM 概述及应用 1.3.1 OFDM 的发展 OFDM 由多载波调制(MCM)发展而来。1971 年，Weistein 和 Ebert 在 IEEE 杂志上发 表了用离散傅立叶变换(DFT)来实现多载波调制的方法；20 世纪 80 年代，人们对多载波 调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究，但是由 于当时技术条件的限制，多载波调制没有得到广泛的应用；进入 20 世纪 90 年代，由于 数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步，OFDM 技术在高速数据传输领域受到 了人们的广泛关注。现在 OFDM 已经在欧洲的数字音视频广播、欧洲和北美的高速无线 局域网系统、高比特率数字用户线以及电力线载波通信中得到广泛的使用。 1.3.2 OFDM 的关键技术 1. 时域和频域同步 OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中与FDMA、TDMA和CDMA 等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与其他数字通信系统一样，同 步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播发送同步信号， 所以下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须 同步到达基站才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波所携带信 息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。 具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时域和频域同时进行同步。 2. 信道估计 在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择，由于 信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的发送；二 是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。在实际设计中，导频信息的选 择和最佳估计器的设计通常又是互相关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式 有关。 3. 信道编码和交织. 为了提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落信道 衰落中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织技 术。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在OFDM 内江师范学院本科毕业设计 4 系统中，如果信道衰落不是太严重，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能 的，因为OFDM系统自身已经具有利用信道分集特性的能力。但是，OFDM系统的结构 却为子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM方式。编码可以采用各种码，例如分组 码、卷积码等，其中卷积码的效果要比分组码好。 4.降低峰值平均功率比 由于OFDM信号在时域上表现为N个正交子载