1、OFDM通信系統仿真設計姓名:谷兆祥學號:1301120498專業:電子與通信工程導師:盧小峰學院:通信工程學院MIMO-OFDM課程設計OFDM通信系統仿真設計摘要： OFDM技術具有頻譜利用率高,抗馬健干擾能力強,抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾能力強等特點。本文對OFDM的基本原理進行了說明，同時對OFDM的關鍵技術PARR抑制算法進行了詳細的討論，然后說明了同步算法。在理論研究的基礎上，設計了一個OFDM通信仿真系統，給出了具體的參數，并利用matlab進行了仿真，得出了不同的SNR下的誤碼情況。關鍵詞：OFDM；MATLAB；PARR；同步；IFFT1、引言OFDM的全稱為Orthogon

2、al Frequency-Division Multiplexing，意為正交頻分復用。OFDM把數據分解成為若干個獨立的子比特流，每個子數據流將具有低得多的比特速率，用這樣低比特率形成的低速率多狀態符號去調制相應的子載波，就構成了多個低速率符號并行的傳輸系統。OFDM具有頻譜利用率高，抗碼間干擾能力強，抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾能力強等特點得到廣泛應用。本文首先介紹了OFDM的基本原理，然后對其中關鍵技術同步和見底峰值平均功率比的算法進行了討論，最后設計了OFDM通信系統，并進行了仿真分析。2、OFDM系統的基本原理以QAMOFDM調制進行OFDM的原理進行講解：子載波采用MQAM調制時，產

3、生OFDM基帶信號的原理見圖2.1所示。速率為的二進制數據經過串并轉換成為N路速率的子數據流，每個子數據流通過各自的子載波進行MQAM調制，然后一起發送。若QAM的禁止數是M，則每個子載波上的符號速率是，子載波間隔是。圖2.1 產生QAM-OFDM基帶信號的原理框圖 在0, 時間內，第i個子載波上的已調的QAM信號能夠表示為 （2.1）其中，是發送的QAM符號的星座點，、分別是其同相分量（I路）和正交分量（Q路）；是第i路的載波頻率，i=0，1，N-1；是脈沖成形濾波器的沖激響應，假設它為矩形脈沖。 總的OFDM基帶信號能夠表示為 （2.1）其中， （2.2）是OFDM基帶信號的復包絡。 若令

4、，則式（3.2）能夠表示為 （2.3）因此也能夠先得到復包絡，再通過正交調制來得到OFDM基帶信號見圖3.2所示。圖2.2 調制框圖由上面的基本原理能夠分析獲知要到OFDM基帶信號，首先要把接收到的二進制數據流進行串并變換，把高速串行數據流變換成低速的并行數據流，然后用每一路信號去調制每一路上的子載波，已調信號的疊加和便是OFDM基帶信號。把上述獲得思路進行細化分解能夠知道，上述做法中首先進行串并變換，然后進行星座映射的作法完全能夠顛倒，顛倒后同樣能夠實現上述功能，并且能夠節約N-1個QAM模塊，比上述做法更佳，于是就出現了圖2.2的先進行星座映射，然后進行串并變換的流程。3、OFDM系統的P

5、APR抑制算法設計目前，降低OFDM信號PAPR的方法很多，大體可以分成三大類：信號預畸變、編碼類和概率類技術。這三種方法各有特色和著眼點，但每種方法也有缺陷。本系統設計采用的概率類技術：改進型的Nyquist脈沖整形法（PS）。PS技術的思想是將原始數據序列和成形脈沖矩陣相乘產生新序列，使多載波的各子載波符號間具有一定的相關性，從而改善信號的PAPR特性。成形脈沖pn(t)(n=0,1,2,N-1)必須滿足一下四個條件：等能量：時限：帶限：正交：本系統的改進的Nyquist脈沖的頻率響應和失去信號分別如下式1和2所示:其中參數。上面的Nyquist脈沖是實的對稱信號，且在Nyquist采樣頻

6、率處為零，具有無ISI的性質。4、OFDM系統的同步算法設計一般在OFDM系統中，從頻域和時域兩大方面考慮，同步問題可分為載波頻率同步和時間同步，而時間同步又可以進一步分為符號定時同步和采樣時鐘同步。因此，在OFDM系統中需要考慮三部分同步：符號定時同步，頻率同步和采樣時鐘同步。5、OFDM通信系統設計5.1發射機設計本系統設計的發射機的框圖如下圖5.1所示。圖5.1 OFDM通信系統發送機框圖信道編碼信道編碼采用卷積編碼和交織編碼進行信道級聯編碼。卷積編碼碼率為1/2，仿真時設置k=1，G=1 01 1011;1111001，將輸入的90個0、1二進制數經過卷積編碼后可得到192個0、1二進

7、制數。交織編碼采用24行8列的矩陣，按行寫入，按列讀出，交織編碼可以有效的抗突發干擾。QPSK調制在數字信號的調制方式中，使用了QPSK，這種調制方式具有較高的頻譜利用率以及較強的抗干擾性，在電路上實現也較為簡單，而且具有較好的PARR抑制性能。QPSK調制的映射方式如表所示。表5.1 QPSK調制數據插入方式調制后數據1,11+i1,-11-i-1,1-1+i-1,-1-1-i插入導頻導頻數據是在進行矩陣變換之前插入有效數據的，在系統設計中我們每8個有效數據插入一個導頻，但是數據中間位置不插入導頻。96個復數數據插入10個導頻之后，一幀數據長度為106。矩陣變換矩陣變換模塊是為了降低系統的P

8、ARR，采用方法的是前面介紹的改進Nyquist脈沖整形法（PS）。這里的矩陣大小為106 x 128，滾降系數=0.22。通過這種方法，可以顯著的改善OFDM通信系統的PARR分布，大大降低了峰值信號出現的概率以及對功率放大器的要求，節約成本。在接收端恢復原始信號只需要在FFT運算之后乘上一個發端矩陣的逆矩陣即可。IFFT變換經過矩陣乘模塊后，一幀數據長度為128，由于子載波個數為256，所以需要在數據后面補128個零之后，考慮到頻譜利用率的問題需要對數據進行搬移（索引為164的數據搬移到數據最后）。加循環前綴與升采樣用IFFT輸出的數據的錢32點作為循環后綴后32點作為循環前綴。假定射頻的

9、采樣時鐘為2.56MHZ，所以需要數據速率匹配，對基帶信號進行升采樣。升采樣過程由兩部分組成。第一部分對交了循環前后綴之后的數據進行2倍的升采樣，所采取的方式是在每個數據中間插入1個0，第二部分用上變頻模塊的CIC內插濾波器對信號進行20倍升采樣。數字上變頻數字上變頻完成的功能是將基帶信號進行線性頻譜搬移，實質上就是將基帶成形信號（I、Q兩個支路）乘以一個載波信號，再把兩個支路相加即可。但為了抑制已調信號的帶外輻射，在同相和正交支路上還分別增加一個具有線性相位特性的低通成形濾波器FIR。另外，為了使產生的基帶信號與后面的采樣速率想匹配，在進行正交調制前還必須通過CIC內插濾波器將基帶信號進行2

10、0倍升采樣處理，整個實現過程如圖5.2所示，數字上變頻模塊中包含了寄到成形濾波器、梳狀內插濾波器和數控濾波器。圖5.2 數字上變頻實現結構5.2接收機設計本系統設計的接收機的框圖如圖5.3所示。圖5.3 OFDM系統接收機框圖接收機很多通信處理模塊都是與發射機的想過模塊功能相似，這里不再重復，只說同步模塊。系統同步系統將基帶性能好送到幀檢測模塊，這一步的目的是系統需要知道時候有信號到達和信號來后粗定時的位置，當檢測到信號來之后同步啟動粗定時模塊、頻偏捕獲模塊。符號粗定時與粗頻偏捕獲利用的是前導序列中的短符號來實現的，而細頻偏估計采用的是前導序列中的長訓練序列實現的。利用簽到序列中的T1m和T2m進行本地互相關，得到相關峰值，通過分制所確定的位置確定精確的FFT開窗位置，并通過OFDM數據幀中的循環前后綴的循環特性進行頻率跟蹤，在頻域中，再利用解調出的導頻信息進行相位補償。6、系統仿真系統仿真參數根據前面介紹的的OFDM通信系統的設計，表給出了仿真系統的主要參數。表6.1 OFDM通信系統仿真參數數據傳輸速率19.2Kbps調制方式QPSK