移动通信OFDM课程设计说明书

1、山东建筑大学信电学院课程设计说明书摘 要在无线信道环境中可靠、高速的传输数据是无线通信技术的目标和要求。OFDM技术能够大幅度的提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并能有效地抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声，有着广阔的应用前景。正交频分复用( OFDM) 作为一种多载波数字通信方案, 是第四代移动通信的核心技术。OFDM主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而

2、可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。本课程设计是在移动通信的基础上，基于OFDM系统的基本原理，并使用Simulink搭建OFDM系统的调制与解调模块，完成Simulink模块设置，确定搭建系统的主要参数，并对主要模块的构建方式进行了说明；利用高斯信道模块来模拟信号传输仿真，用示波器观察各点波形，通过与理论波形的对比，验证电路的正确性。在此基础上，基于Simulink，讨论了如何构建完整的OFDM动态仿真系统。关键词：OFDM； Simulink； 仿真分析； 1前 言1.1 OFDM技术的发展历史20世纪70年代，韦斯坦（Weistei

3、n）和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT）研制了一个完整的多载波传输系统，叫做正交频分复用（OFDM）系统。近些年来，集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展，以及对无线通信高速率要求的日趋迫切，OFDM技术再次受到了重视。80年代后，OFDM的调整技术再一次成为研究热点。例如，在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调整技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。进入90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频和单边带（SSB）信道进行高速数据通信，陆地移动通信，高速数字用户环路(HD

4、SL)，非对称数字用户环路(ADSL)及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统。1999年，IEEE802.11a通过了一个SGHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达54MbPs。这样，可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信组织(ETsl)的宽带射频接入网的局域网标准HiperiLAN2也把OFDM定为它的调制标准技术。1.2 OFDM技术应用领域(1)移动通信领域OFDM技术的数据传输速度相当于GSM(Global Sys

5、tem for MobileCommunication，全球移动通信系统)和CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)技术标准的10倍。从理论上讲，OFDM技术要优越于当前的全球移动运营商所采用的标准技术。(2)数字传输领域OFDM在数字广播领域也有杰出的表现。DAB(Digital Audio Broadcasting，数字语音广播)DMB(Digital Multimedia Broadcasting，数字多媒体广播)具有音质好(CD质量)、可实现多媒体接收、可加密、并可利用卫星大幅度提高广播的覆盖率等优点，是广播事业发展中的一个新的里程碑。采用OFD

6、M技术后，系统发射功率减小、可高速移动接收、频谱利用率高、有很强的抗干扰和在恶劣环境下接收的能力，有效的实现了数据高速可靠的传输。(3)计算机网络领域近年来，Intemet以惊人的速度发展，Internet的用户众多，分布广泛，传统Modem仅能提供56Kbps的速度，ISDN业务最多也只能提供128Kbps的速度，这些都难以满足Intemet飞速发展的需要。1.3 OFDM技术的优缺点(1)抗衰落能力强OFDM使用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，因而对脉冲噪声(impulse noise)和信道快衰落的抵抗力更强。(2)频率

7、利用率高OFDM采用允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，因而提高了频率利用率。(3)适合高速数据传输首先，OFDM的自适应调制机制使不同的子载波可以根据信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式：信道条件好时，采用效率高的调制方式；信道条件差时，采用抗干扰能力强的调制方式。另外，OFDM采用的加载算法使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。(4)抗码间干扰能力强码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。1.4 OFDM技术的研究意义正交频分复用

8、( OFDM) 技术是一种多载波数字调制技术, 适合在无线环境下实现高速传输。OFDM 最大的优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰, 同时拥有很高的频谱利用率。该技术已经为业界公认为新一代无线移动通信系统核心技术,具有很高的研究价值2设计目的与要求学习OFDM系统的传输原理，并使用Simulink搭建OFDM系统的调制与解调模块，利用高斯信道模块来模拟信号传输仿真，用示波器观察各点波形，通过与理论波形的对比，验证电路的正确性。3设计原理3.1 OFDM原理简介在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系

9、统性能。包括以下类型：V-OFDM, W-OFDM, F-OFDM, MIMO-OFDM,多带-OFDM。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。在OFDM传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间

10、干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。在过去的频分复用(FDM)系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点，OFDM采用N个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。OFDM系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调。对于N点的IFFT运算，需要实施N2次复数乘法，而采用常见的基于2的IFFT算法，其复数乘法仅为（N/2）log2N，可显著降低运算复杂度。在OFDM系统的发射端加入保护间隔，主要是为

11、了消除多径所造成的ISI。其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀，以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI。由于OFDM技术有较强的抗ISI能力以及高频谱效率，2001年开始应用于光通信中，相当多的研究表明了该技术在光通信中的可行性。OFDM 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. 而采用OFDM 技术,一个OFDM 符号之内包括多个

12、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,因而在接受端可以保证无失真恢复,从而大大提高频谱利用率.用N 表示子信道的个数, T 表示OFDM 符号的宽度, di ( i = 0 , 1 , , N - 1) 是分配给每个子信道的数据符号, f c 是第0 个子载波的载波频率,则从t = ts 开始的OFDM 符号可以表示为式中,rect ( t) = 1 , | t| T/ 2. 然而在实际仿真时,通常采用复等效基带信号来描述OFDM 的输出信号式中,实部和虚部分别对应OFDM 符号的同相和正交分量. 3.2 Simulink3.2.1 Sim

13、ulink简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。3.2.2 Simulink功能Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件

14、包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环

15、境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。3.2.3 Simulink特点丰富的可扩充的预定义模块库交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码

16、提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误3.2.4 Simulink 的启动及模块介绍一.Simulink的启动1、在MATL

17、AB命令窗口中输入simulink结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。当然用户也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simulink Library Browser窗口。2、在MATLAB命令窗口中输入simulink3结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的Library :simulink3的Simulink模块库窗口。两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口。二 Simulink模块介绍SIMULI

18、NK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）连续模块（Continuous） continuous.mdlIntegrator：输入信号积分Derivative：输入信号微分State-Space：线性状态空间系统模型Transfer-Fcn：线性传递函数模型Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型Memory：存储上一时刻的状态值

19、Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出离散模块（Discrete） discrete.mdlDiscrete-time Integrator：离散时间积分器Discrete Filter：IIR与FIR滤波器Discrete State-Space：离散状态空间系统模型Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型First-Order Hold：一阶采样和保持器Zero-Order Hold：零阶采样和保持器

20、Unit Delay：一个采样周期的延时Function&Tables（函数和平台模块） function.mdlFcn：用用户自定义的函数（表达式）进行运算MATLAB Fcn：利用matlab的现有函数进行运算S-Function：调用自编的S函数的程序进行运算Look-Up Table：建立输入信号的查询表（线性峰值匹配）Look-Up Table(2-D)：建立两个输入信号的查询表（线性峰值匹配）Math（数学模块） math.mdlSum：加减运算Product：乘运算Dot Product：点乘运算Gain：比例增益运算Math Function：包括指数函数、对数函数、求平方、开

21、根号等常用数学函数Trigonometric Function：三角函数，包括正弦、余弦、正切等MinMax：最值运算Abs：取绝对值Sign：符号函数Logical Operator：逻辑运算Relational Operator：关系运算Complex to Magnitude-Angle：由复数输入转为幅值和相角输出Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角输入合成复数输出Complex to Real-Imag：由复数输入转为实部和虚部输出Real-Imag to Complex：由实部和虚部输入合成复数输出Nonlinear（非线性模块） nonlinear.

22、mdlSaturation：饱和输出，让输出超过某一值时能够饱和。Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化。Switch：开关选择，当第二个输入端大于临界值时，输出由第一个输入端而来，否则输出由第三个输入端而来。Manual Switch：手动选择开关Signal&Systems（信号和系统模块） sigsys.mdlIn1：输入端。Out1：输出端。Mux：将多个单一输入转化为一个复合输出。Demux：将一个复合输入转化为多个单一输出。Ground：连接到没有连接到的输入端。Terminator：连接到没有连接到的输出端。SubSystem：建立新的封装（Mask）功能模块Sink

23、s（接收器模块） sinks.mdlScope：示波器。XY Graph：显示二维图形。To Workspace：将输出写入MATLAB的工作空间。To File(.mat)：将输出写入数据文件。Sources（输入源模块） sources.mdlConstant：常数信号。Clock：时钟信号。From Workspace：来自MATLAB的工作空间。From File(.mat)：来自数据文件。Pulse Generator：脉冲发生器。Repeating Sequence：重复信号。Signal Generator：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波及随意波。Sine Wave：正弦

24、波信号。Step：阶跃波信号。Ramp: 斜坡信号。3.3 OFDM正交调制解调原理3.3.1 OFDM 调制基本原理如图OFDM调制的过程就是将待发送的多个数据分别与多路子载波相乘合成基带复信号s(t)的过程，而OFDM解调的过程就是由复信号s(t)求解傅立叶系数的过程。复信号s(t)是时域信号，而傅立叶系数就是频域的数据。需要明确的是：对于OFDM调制来讲，输入的数据是频域数据，而输出是S(t)就是时域数据；对于OFDM解调来讲，输入的s(t)是时域信号，而输出的数据就是频域数据。当使用IDFT/DFT实现OFDM调制/解调的时候，IDFT的输入是频域数据，输出是时域数据；DFT的输入是时

25、域数据，输出是频域数据。基于快速离散傅里叶变换的产生和接收OFDM信号原理：在发射端，输入速率为Rb的二进制数据序列先进行串并变换，将串行数据转化成N个并行的数据并分配给N个不同的子信道，此时子信道信号传输速率为Rb/N。N路数据经过编码映射成N个复数子符号Xk。(一个复数子符号对应速率为Rb的一路数据)随后编码映射输出信号被送入一个进行快速傅里叶逆变换IFFT的模块，此模块将频域内N个复数子符号Xk变换成时域中2N个实数样值Xk。（两个实数样值对应1个复数子符号，即对应速率为Rb的一路数据）由此原始数据就被OFDM按照频域数据进行处理。计算出的IFFT变换之样值，被一个循环前缀加到样值前，形

26、成一个循环扩展的OFDM信息码字。此码字在此通过并串变换，然后按照串行方式通过D/A和低通滤波器输出基带信号，最后经过上变频输出OFDM信号。3.3.2 OFDM 解调基本原理解调是调制的 逆过程。调制方式不同，解调方法也不一样。与调制的分类相对应，解调可分为正弦波解调（有时也称为连续波解调）和脉冲波解调。正弦波解调还可再分为幅度解 调、频率解调和相位解调，此外还有一些变种如单边带信号解调、残留边带信号解调等。同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和 脉冲编码解调等。对于多重调制需要配以多重解调。解调过程大体上包含两个主要环节：首先把位于载波附近携带有用信息的频谱搬移

27、到基带中，然后用相应的滤波器滤出基带信号，完成解调任务。脉冲调制信号的解调比较简单。例如脉幅调制和脉宽调制信号都含有很大的调制信号分量，可以用低通滤波器直接从脉冲已 调波中将它们滤出，实现解调；有的脉冲已调波（如脉位调制、脉码调制等）中的调制信号分量较小，通常先把它们变为脉幅或脉宽调制信号，再用滤波器把有用信 号滤出。正弦波已调信号中不包含调制信号分量。解调时应先进行频率变换，把孕含在边带中的有用信号频谱搬移到适当的频带之内，再用滤波器或适当器件，把有用信号检出。解调的方式有正弦波幅度解调、正弦波角度解调（1） 正弦波幅度解调从携带消息的调幅信号中恢复消息的过程。这种方式应用得最早，现代仍广泛

28、地用于广播、通信和其他电子设备。早期的键控电报是一种典型的调幅信号。对这类信号的解调，通常可用拍频振荡器(BFO) 产生的正弦振荡信号在一非线性器件中与该信号相乘（差拍）来实现。差拍输出经过低通滤波即得到一断续的音频信号。这种解调方式有时称为外差接收。标准调幅信号的解调可以不用拍频振荡器。调幅信号中的载波实际上起了拍频振荡波的作用，利用非线性元件实现频率变换，经低通滤波即得到与调幅信号包络成对应关系的输出。这种方法属于非相干解调。单边带信号的解调需要一个频率和相位与被抑制载波完全一致的正弦振荡波。使这个由接收机复原的载波和单边带信号相乘，即可实现解调。这种方式称为同步检波，也称为相干解调。（2

29、） 正弦波角度解调从带有消息的调角波中恢复消息的过程。与频率调制相逆的称为频率解调，与相位调制相逆的称为相位解调。频率解调通常由鉴频器完成。当输入信号的瞬时频率fi正好为f0(载波频率),即fi=f0时，鉴频器输出为零;当fif0时,鉴频器输出为正，fif0时则为负。传统的方法是把调频波变为调幅-调频波,然后用检波器来解调。为了防止调频信号的寄生调幅在解调过程中产生干扰，可在鉴频之前对信号进行限幅，使其幅度保持恒定。相位解调需要有一个作为参考相位的相干信号，所以相位解调属于相干解调。相位解调电路通常称为鉴相器。脉冲调制信号的解调，脉冲幅度调制和脉冲宽度调制信号的解调都比较简单。这些信号的频谱中

30、均含有较大的调制信号的频谱分量，对已调制信号直接进行低通滤波即可恢复其中所携带的消息。脉冲宽度调制信号中也含有较大的调制信号分量，可以用同样的方法实现解调。脉冲相位解调的方法是：先将脉冲调相波转变成脉冲调幅波或调宽波，然后再按脉冲幅度或脉冲宽度解调的方法恢复消息。数字信号的解调方法，基本上与模拟信号解调相似，但有其固有的特点。解调方法对通信与各种电子设备的抗干扰性能有很大关系，其中以相干解调的抗干扰性能为最佳。对于宽带调频信号，采用频率负反馈的解调方法也可以提高接收调频信号的抗干扰性。解调过程除了用于通信、广播、雷达等系统外还广泛用于各种测量和控制设备。例如，在锁相环和自动频率控制电路中采用鉴

31、相器或鉴频器来检测相位或频率的变化，产生控制电压，然后利用负反馈电路实现相位或频率的自动控制。图3.1 给出了OFDM 系统基本模型.图3.1 OFDM系统基本模型图3.2 给出了OFDM 正交调制框图图3.2 OFDM正交调制框图4设计内容及步骤4.1 使用MATLABSIMULINK进行通信系统设计根据设计原理图4.1给出的OFDM仿真系统图需建立一个完整的OFDM 系统. 我们采用Simulink 搭建一个OFDM 链路层系统模型，如图三所示。由于多径衰落下的OFDM 信道多出现突发错误,而RS 编码特别实用于纠正突发错误,因此采用RS 编解码. 同时,发射端采用QPSK 调制方式,接受

32、端采用相干解调. 考虑到Rayleigh 衰落和高斯信道对信号的畸变,采用信道估计和信道补偿策略。整个系统的流程为:产生二进制数据经过RS 编码QPSK调制OFDM 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OFDM 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进行0 删除QPSK解调RS 译码进行误码率计算.图4.1 OFDM仿真系统图4.2 各模块及参数设计伯努利信号发生器模块：随机产生0，l信号，出现机率均为50。RS编码模块：采用(15，11)编码。PSK调制时，伯努利信号发生器频率降低，由于仍为(15，11)编码，

33、理论上每帧二进制数为1l的倍数即可，但由于此模块(图中Binary hlput RSEncodcr模块)具有内部结构在(15，11)编码的情况下，每帧频率必须为44的倍数才能使仿真程序正常运行并得到正确的结果。二进制转换模块：4位二进制转换为一位十六进制QPSK模块：将星座图设为方形或圆形。平均功率选择1W。选择方形时，直接在Simulink调制模块中选择即可。导频产生模块：导频由PN序列发生器产生，经过单级_双极转换，产生只包含1和-1的伪随机序列。如图4.2所示4.2 导频产生模块内部结构图OFDM信号模块：64个子载波，选取CP=T4，即CP=16。仿真模型中IFFT与FFT均为64点，

34、为方便比较，在IFFT与FFT之前均未进行归一化。如需归一化只需分别乘以和除以8。如图4.3所示图4.3 OFDM信号模块内部结构图瑞利衰落信道模块：将多普勒频移设为200Hz，2径，时延分别为0，3S。延迟寻找模块：显示输入输出信号间的延迟，为正确建模提供参考。信道估计模块：采用LS算法，先比较导频进过传输前后的幅度及相位变化，得到信道响应，取信道响应的倒数，与接收信号相乘，得到估计值。如图4.4所示图4.4 信道估计模块内部结构图仿真参数设计仿真参数名每帧OFDM符号数短前置码个数长前置码个数每个OFDM符号子载波数编码方式调制方式多径信道参数信道最大时延最大多普勒频移参数取值1610264RS（15，11）QPSK310Ls200HZ4.3 仿真结果及分析采用上述系统进行仿真,可以得到如图4.5图4.6所示的OFDM 基带信号波形图4.5 发射器输出的OFDM基带信号波形4.6 接收器输出OFDM基带信号波形为了验证仿真结果的正确性,同时给出了OFDM 信号的归一化功率谱图,如图4.7图4.8 所示.图4.7发射器输出信号功率谱图4.8接收器输出信号