OFDM系统设计及基带系统仿真

OFDM 原理与应用课程设计 OFDM 系统设计及基带系统仿真 学号S315080037 专业信息与通信工程 学生姓名段京京 任课教师张薇副教授 2016 年 4 月 第 1 章 绪论 1.1 引言 计算机技术、 Internet 网络的发展与普及改变了人类生活方式， 这是人类科 技的一次革命性的进步。随着人们对信息量的需求越来越多，无线移动通信进入 了一个快速发展时期。进入 21 世纪以来，国内外移动通信技术有着更快速的发 展，特别是无线通信网络和 Internet 的结合，使网络资源发挥了更大的作用， 更加促进了 Internet 的发展和无线移动网络的完善，人们的生活方式更加便捷 和多样化，世界发展更快、更加精彩、更加辉煌。无线移动通信技术迎来了又一 次伟大的变革。其中，正交频分复用（OFDM）技术是其关键技术。 在现代移动通信系统的无线信道中， 随着传输数据率的提高，多径衰落和由 之引起的码间串扰会严重影响系统性能。 克服这种影响的一种方法是采用信道均 衡技术，但是随着数据传输速率的提高，其代价可能变得无法接受。正交频分复 用 （OFDM）传输技术提供了让数据以较高的速率在较大延迟的信道上传输的另一 种途径。OFDM 技术是一种多载波调制技术，它将串行高速信息数据流变换成为 若干路并行低速数据流， 每路低速数据流被调制在彼此正交的子载波上构成发送 信号。由于 OFDM 具有较高的频谱利用率及抗多径干扰能力强的优点，且能够通 过 IFFT/FFT 等高效算法实现，因此目前它已成为应用最为广泛的多载波调制方 式。 1.2 OFDM 系统的发展 上个世纪 70 年代， Weinstein 和 Ebert 等人应用离散傅里叶变换和快速傅 里叶变换创造了一个完整的多载波传输系统，叫做正交频分复用（OFDM）系统。 正交频分复用是一种特殊的多载波传输方式[1]。正交频分复用技术应用离散 傅里叶变换及反变换解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信 号的问题。 这就解决了多载波传输系统发送和传输的问题。应用快速傅里叶变换 将大大降低多载波传输系统的复杂度。从此以后 OFDM 技术开始走向实用。 由于科学技术的快速发展，在二十世纪 90 年代，OFDM 广泛用干各种数字传 输和通信中，如非对称的数字用户环路 ADSL, ETSI 标准的音频广播 DAB、 数字视频广播 DVB等[4]。1999 年，IEEE802.ll a 通过了一个 5GHz 的无线局域 网标准， 其中， OFDM 调制技术被用作物理层标准 OETSI 的宽带射频接入网BRAN 的局域网标准，同时也把OFDM 技术定为它的调制标准技，使传输速率可达 54MbPs。现在 OFDM 论坛的成员已达 46 个会员，其中 15 个为主要会员，我国的 信息产业部也加入 OFDM 论坛[5]。 2001 年，IEEE802.16 通过了无线城域网标准。伴随着IEEE802.l la 和 BRAN Hyper LAN/2 两个标准在局域网的应用，OFDM 技术将会进一步在无线数据传输 领域做出重大贡献。 OFDM 技术目前拥有两个不同的联盟一个是 OFDM 论坛， 主要协调各会员递交 给 IEEE 联盟的与 OFDM 技术有关的建议;另一个是宽带无线互连网论坛，其开发 了一个 VOFDM 标准。OFDM 论坛已经在 IEEE 802.16 无线 MAN 会议上向 802.16.3 分会递交了物理层建议，在这个会议上除了 CDMA 外， 还有许多 OFDM 的建议被提 出。 今后，OFDM 的主要发展方向是增加传输距离、进一步提高传输速率，并且与 现有的网络设备兼容。随着数字信号处理和大规模集成电路技术的快速发展， OFDM 调制技术已经渐渐被应用到无线通信、高清晰度广播电视等领域[6]。 OFDM 调制技术的高速率性能是通过提高系统复杂性为代价得到的。 该技术的 最大困难是如何使各个子信道精确同步。OFDM 技术的基础是各个子载波必须满 足频率正交性，如果正交性存在缺陷，整个系统的性能会严重下降。随着数字信 号处理和锁相环（PLL）技术的飞速发展，现在可以精确跟踪信道冲激响应的实 时变化，均衡码间干扰的影响。 1.3 OFDM 系统的发展前景 无线通信与个人通信在短短的几十年间，经历了从模拟通信到数字通信，从 频分多址FDMA到码分多址CDMA的巨大发展，目前又有新技术的出现，此技术 即为正交频分复用（OFDM）。比以码分多址（ CDMA）为核心的第三代移动通信技 术应用更加完善，技术更加先进，我们将之称为“第四代移动通信技术”。 OFDM 技术在宽带领域的应用具有很大的潜力。与第三代移动通信系统相比，采用多种 新技术的 OFDM 系统具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，并且提高 了频带利用率，它不仅可以增加系统容量，而且更好地满足多媒体通信要求，将 包括语音、 数据、 影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去。 另外，OFDM 技术的实现简单，成本低廉。随着 DSP 技术的飞速发展，并利用快 速傅里叶变换产生大量相互正交的子载波， 为实现高速宽带通信系统提供了极大 的方便。OFDM 将成为实现未来宽带移动通信的主流方式，因而引起越来越多的 人们的关注和研究[8]。 第 2 章 OFDM 基本原理 2.1 利用 IFFT 生成 OFDM 信号 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， 如图 2.1 所示。 OFDM {Sn}串/并 交换 IDFT 或 IFFT 并/串 交换 插入 保护 间隔 数 / 模 转换 St 反 OFDM 多径 传播 {R n} 并/串 交换 DFT 或 FFT 串/并 交换 去除 保护 间隔 模/数 转换 ＋ rtnt 图 2.1OFDM 系统实现框图 从上图 OFDM 系统的实现模型可以看出， 输入经过调制的复信号经过串／并变 换后， 进行 IDFT 或 IFFT， 将数据的频谱表达式变到时域上， 再经过并／串变换， 然后插入保护间隔，防止码间干扰，再经过数／模变换后形成 OFDM 调制后的信 号 st。该信号经过信道后，接收到的信号 rt经过模／数变换，然后去掉保 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 使数据的 时域表达式变到频域上后，恢复出 OFDM 的调制信号，再经过并／串变换后还原 出输入符号。 2.2保护间隔和循环前缀作用 2.2.1保护间隔GI 无线多径信道会使通过它的信号出现多径时延，此种多径时延如果扩展到下 一个符号，就会造成符号问串扰，严重影响数字信号的传输质量。而采用 OFDM 技术的主要原因之一是它可以有效地防止多径时延扩展。 通过把输入的数据经过 串／并变换后分配到 N 个并行的子信道上， 使每个用于去调制子载波的数据符号 周期可以扩大为原输入数据符号周期的 N 倍， 因此时延扩展与符号周期的比值也 同样可降低为 1／N。在OFDM 系统中，为了能够最大限度地消除符号间干扰，可 在每个 O