COFDM系统仿真及其信道与加噪声分析.doc

cofdm系统仿真及其信道与加噪声分析一、 实验目的掌握cofdm系统组成原理；在matlab软件中simulink平台对cofdm进行建模仿真并分析实验结果；对信道模块进行分析并分析加噪声对信噪的影响以及改进方案。二、 关于cofdmcofdm（coded orthogonal frequency division multiplexing，基于编码正交频分复用），是一种多载波数字调制技术，采用正交的个子载波来并行传输数据，从而使每个子载波上的数据速率降到原来的，因而可以有效地克服多径衰落。虽然 ofdm 的概念已经存在很长时间。但是直到最近随着多媒体业务的发展，它才被人们认识到是一种实现高速双向无线数据通信的优良方法，目前正受到越来越多的关注。cofdm 是将高速串行数据分成成百上千路并行数据，并分别对不同的载频进行调制，这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。同时，在传统的频分复用方法中，各子载波之间的频谱互不重叠，频谱利用率较低。采用 cofdm 技术，一个 cofdm 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，每个子载波在频谱上相互重叠，这些频谱在整个符号周期内满足正交性，因而在接收端可以保证无失真恢复，从而大大提高频谱利用率。用表示子信道的个数，表示 ofdm 符号的宽度，（）是分配给每个子信道的数据符号，是第个子载波的载波频率，则从开始的 cofdm 符号可以表示为式中，。然而在实际仿真时，通常采用复等效基带信号来描述 cofdm 的输出信号一个完整的ofdm系统原理如图1所示。ofdm的基本思想是将串行数据，并行地调制在多个正交的子载波上，这样可以降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号周期，提高系统的抗衰落和干扰能力，同时由于每个子载波的正交性，大大提高了频谱的利用率，所以非常适合移动场合中的高速传输。图a ofdm系统原理图在发送端，输入的高比特流通过调制映射产生调制信号，经过串并转换变成n条并行的低速子数据流，每n个并行数据构成一个ofdm符号。插入导频信号后经快速傅里叶反变换(ifft)对每个ofdm符号的n个数据进行调制，变成时域信号为：接收端将接收的信号进行处理，完成定时同步和载波同步。经ad转换，串并转换后的信号可表示为： ygi(n)=xgi(n)*h(n)+z(n)+w(n)(3)然后，在除去cp后进行fft解调，同时进行信道估计(依据插入的导频信号)，接着将信道估计值和fft解调值一同送入检测器进行相干检测，检测出每个子载波上的信息符号，最后通过反映射及信道译码恢复出原始比特流。除去循环前缀(cp)经fft变换后的信号可表示为：式中：h(m)为信道h(n)的傅里叶转换；z(m)为符号间干扰和载波间干扰z(n)的傅里叶变换；w(m)是加性高斯白噪声w(n)的傅里叶变换。三、 cofdm实现模型我们知道利用离散反傅里叶变换(idft)或快速反傅里叶变换(ifft)实现的ofdm系统，下图所示。从ofdm系统的实现模型可以看出，输入已经过调制的复信号经过串并变换后，进行idft或ifft和并串变换，然后插入保护间隔，再经过数模变换后形成ofdm调制后的信号s(t)。该信号经过信道后，接收到的信号r(t)经过模数变换，去掉保护间隔，以恢复子载波之间的正交性，再经过串并变换和dft或fft后，恢复出ofdm的调制信号，再经过并串变换后还原出输入符号。cofdm是ofdm与信道编码技术的结合，加入可变的信道卷积编码方式得到cofdm的收发流程图如下：调制解调cofdm系统收发链路框图由上图可以看出，整个系统的流程为：产生二进制数据 经过 rs 编码 qpsk调制 cofdm 系统基带信号调制并加入循环前缀 插入保护间隔 并/ 串变换 多径瑞利衰落信道 高斯信道 串/ 并变换 删除保护间隔 cofdm 系统基带信号解调并删除循环前缀 进行信道估计 进行信道补偿 0删除 qpsk解调 rs 译码 误码率计算。为此，可用matlab中simulink对此系统进行建模，其系统模型如下:其各部分组成以及进行实验操作设置参数如下：probability of a zero: 0.5initial seed: 9364248sample time: 16e-5 / 44 / 2sample per frame: 44n: 15k:11output buffer size: 60qpsk mapping 内部结构图input type: bitconstellation ordering: grayphase offset: pi / 4gain: 1 / 0.75training 内部结构图generator polynomial: 1 0 0 0 0 1 1initial states: 0 0 0 0 0 1sample time: 16e-5 / 2 / 31sample per frame: 31m-ary number: 2ofdm modulator 内部结构图indices to output: 1:15,16:30number of input: 3number of input: 2pad signal at: endpad along: columns and rowsspecified number of output rows: 64input type: matrixindex mode: one-basedrows: 16:64,1:15twiddle factor computation: table lookupinput type: matrixindex mode: one-basedrows: 39:64,1:64training insertion 内部结构图select: columnsindices to output: 1,2number of input: 2output signal: frame-basedp/ s 内部结构图initial conditions: 0output: real and imagemaximum doppler shift: 50sample time: 8e-5 / 180delay vector: 0 3e-6gain vector: 0 -8initial seed: 936497248initial seed: 32965mode: signal to noise ratio ( es / no )es / no : 28input signal power: 30 / ( 5.5e5 * 11 / 15 * 2.4 ) * 1.08symbol period: 80e-6s/ p 内部结构图output buffer size: 180output: real and imagetraining separation 内部结构图indices to output: 91:180,1:90number of input: 2ofdm demodulator 内部结构图input type: matrixindex mode: one-basedrows: 27:90twiddle factor computation: table lookupinput type: matrixindex mode: one-basedrows: 50:64,1:16output signal: frame-basedselect: columnsindices to output: 1,2channel estimator内部结构图step time: 16e-5 / 2sample time: 16e-5 / 2generator polynomial: 1 0 0 0 0 1 1initial states: 0 0 0 0 0 1sample time: 16e-5 / 2 / 31sample per frame: 31m-ary number: 2function: reciprocaloutput data type mode: same as first inputround integer calculations toward: flooroutput signal: frame-basednumber of input: 2output signal: frame-basedfunction: reciprocaloutput data type mode: same as first inputround integer calculations toward: flooroutput signal: frame-basedchannel compensation 内部结构图input type: matrixindex mode: one-basedrows: 1:15,17:31number of input: 2output signal: frame-basedremove zero 内部结构图input type: matrixindex mode: one-basedrows: 1:15,17:31qpsk demapping 内部结构图gain: 0.75input type: bitconstellation ordering: grayphase offset: pi / 4function: roundn: 15k:11ser calculation内部结构图input type: bitconstellation ordering: grayphase offset: pi / 4receive delay:22 before rs encoder30 after rs encoderbuffer size: 90buffer overlap: 0window type: hannfft length: 1024number of spectral averages: 16frequency range: -fs / 2 fs / 2samples per symbol: 1point displayed: 100new point per display: 50cofdm 系统各模块结构及参数设置四、 cofdm仿真结果：采用上述系统仿真，设置仿真时间为0.01999s（1）得到第500帧（frame）时的 cofdm基带信号波形图：图（5） 发射器输出的 cofdm基带信号波形图（6） 接收器输出的cofdm基带信号波形（图形上方是实部波形，下方是虚部波形）（2）cofdm发射机和接收机功率谱密度如下：发射机功率谱密度 接收机功率谱密度由于 cofdm 符号的功率谱密度为个子载波上信号的功率谱密度之和对上式分析发现，当增大时，内幅频特性会更加平坦，边缘会更加陡峭，因此能逼近理想的低通滤波器。（3）cofdm 系统在qpsk 调制下的星座图：发射器输出信号星座图 接收器输出信号星座图可见经过cofdm 系统传输处理过的信号星座图较发射器输出信号的星座图而言更加均匀和清晰。（4）编码前后误码率比较： 编码前误码率 编码后误码率由图可知，未经过rs编码器、解码器的信号误码率为0.6827%；经过rs编码器、解码器的信号误码率为0.03651%。编码后，误码率大大减低。由此可见，加入 rs编码对系统的性能有着极大地改善。五、 cofdm信道分析以及加噪声比较分析 cofdm信道模块如下:（1）瑞利衰落信道模块上图multipath rayleigh fading为瑞利衰落信道模块，瑞利衰落信道（rayleigh fading channel）是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。瑞利分布是一个均值为0，方差为2的平稳窄带高斯过程，其包络的一维分布是瑞利分布。其表达式及概率密度如下所示： 瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接受包络统计时变特性的一种分布类型。两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。此模块便是用来实现对瑞利衰落模拟。 其参数设置如下（2）加性高斯白噪声信道模块 awgn channel为加性高斯白噪声信道模块，加性高斯白噪声 awgn(additive white gaussian noise) 是最基本的噪声与干扰模型。在通信上指的是一种通道模型（channel model），此通道模型唯一的信号减损是来自于宽带（wideband）的线性加成或是稳定谱密度（以每赫兹瓦特的带宽表示）与高斯分布振幅的白噪声。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。白噪声：噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。 其参数设置如下： 以上模块是用来模拟仿真实际工作状况下信道的基本特征，系统中的信号通过这种信道克近似看成正常通信环境中的信号传输处理。下面，我们对此信道、加入高斯噪声、瑞利噪声以及莱斯噪声检验此系统在不同信噪比情况下对不同加性噪声环境中抗干扰的能力。（三）加噪模块：通过选择连接不同噪声模块加入人为噪声，并分别设置各噪声模块具有相同参数，调节信噪比为在0,27中取数观察并记录显示模块实验结果误码数显示结果如下表：frame=500帧加高斯白噪声信噪比/db036912误码率38.42%26.41%16.32%9.40%5.54%信噪比/db1518212427误码率3.15%2.08%1.29%0.74%0.42%frame=500帧加瑞利噪声信噪比/db036912误码率38.59%26.16%16.47%9.61%5.51%信噪比/db1518212427误码率3.24%2.18%1.37%0.83%0.44%frame=500帧加莱斯噪声信噪比/db036912误码率38.88%26.17%16.72%9.81%5.78%信噪比/db1518212427误码率3.39%2.30%1.69%1.15%0.75%编制matlab程序如下：clear;clc;%实验数据f = 1 1.585 2.512 3.981 6.310 10.00 15.85 25.12 39.81 63.10 100.0 158.5 251.2 398.1 631.0 1000;fdb = 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27;no add=guassian = 38.42 26.41 16.32 9.4 5.54 3.15 2.08 1.29 0.74 0.42;rician = 38.59 26.16 16.47 9.61 5.51 3.24 2.18 1.37 0.83 0.44;ralyeigh = 38.88 26.17 16.72 9.81 5.78 3.39 2.30 1.69 1.15 0.75;figure(1);plot(fdb,guassian, -sb);hold onplot(fdb,rician, -g);hold onplot(fdb,ralyeigh, -dm);legend(guassian,rician,ralyeigh,2);grid onxlabel(信噪比/db); ylabel(误码率 /%);title(加入三种噪声误码率比