MIMO课程设计

OFDM通信系统仿真设计

姓名:谷兆祥

学号:1301120498

专业:电子与通信工程

导师:卢小峰

学院:通信工程学院

OFDM 通信系统仿真设计

摘要：

OFDM 技术具有频谱利用率高,抗马健干扰能力强,抗频率选择性衰落和窄带干扰能力强等特点。本文对OFDM 的基本原理进行了说明，同时对OFDM 的关键技术PARR 抑制算法进行了详细的讨论，然后说明了同步算法。在理论研究的基础上，设计了一个OFDM 通信仿真系统，给出了具体的参数，并利用matlab 进行了仿真，得出了不同的SNR 下的误码情况。

关键词：OFDM ；MATLAB ；PARR ；同步；IFFT

1、引言

OFDM 的全称为Orthogonal Frequency-Division Multiplexing ，意为正交频分复用。OFDM 把数据分解成为若干个独立的子比特流，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的传输系统。OFDM 具有频谱利用率高，抗码间干扰能力强，抗频率选择性衰落和窄带干扰能力强等特点得到广泛应用。本文首先介绍了OFDM 的基本原理，然后对其中关键技术同步和见底峰值平均功率比的算法进行了讨论，最后设计了OFDM 通信系统，并进行了仿真分析。

2、OFDM 系统的基本原理

以QAM —OFDM 调制进行OFDM 的原理进行讲解：

子载波采用MQAM 调制时，产生OFDM 基带信号的原理见图2.1所示。速率为

b R 的二进制数据经过串并转换成为N 路速率b R N 的子数据流，每个

子数据流通过各自的子载波进行MQAM 调制，然后一起发送。若QAM 的禁

止数是M ，则每个子载波上的符号速率是

2log s R

R N M =

，子载波间隔是

1

s s

f R T ?=

=。

图2.1 产生QAM-OFDM 基带信号的原理框图

在[0,

s T ]时间内，第i 个子载波上的已调的QAM 信号能够表示为

(){

}

(){

}

22()()cos(2)()sin(2)

Re Re c s i c

s i c i i i i i j f t

i i j f t i s t A g t f t A g t f t A jA g t e A g t e ππππ=-??=+??=（2.1）

其中，

c s

i i i A A A =+是发送的QAM 符号的星座点，

c

i A 、

s

i A 分别是其同相分量

（I 路）和正交分量（Q 路）；i c c s i

f f i f f T =+?=+

是第i 路的载波频率，i=0，

1，…，N-1；

()

g t 是脉冲成形滤波器的冲激响应，假设它为矩形脉冲。

总的OFDM 基带信号能够表示为

()()

()(){}

10

12202Re Re c c N i i N j f t j i ft i i j f t

s t s t A g t e e a t e πππ-=-?==????

=??

??????=∑∑（2.1）

其中，

()()1

20

N j i ft

i i a t A g t e π-?==∑（2.2）

是OFDM 基带信号的复包络。 若令

()(){}()(){}

Re ,Im I t a t Q t a t ==，则式（3.2）能够表示为 ()()()()()

cos 2sin 2c c s t I t f t Q t f t ππ=-（2.3）

因此也能够先得到复包络()

a t ，再通过I Q 正交调制来得到OFDM 基带

信号见图3.2所示。

图2.2 调制框图

由上面的基本原理能够分析获知要到OFDM 基带信号，首先要把接收到的二进制数据流进行串并变换，把高速串行数据流变换成低速的并行数据流，然后用每一路信号去调制每一路上的子载波，已调信号的叠加和便是OFDM 基带信号。把上述获得思路进行细化分解能够知道，上述做法中首先进行串并变换，然后进行星座映射的作法完全能够颠倒，颠倒后同样能够实现上述功能，并且能够节约N-1个QAM 模块，比上述做法更佳，于是就出现了图2.2的先进行星座映射，然后进行串并变换的流程。

3、OFDM 系统的PAPR 抑制算法设计

目前，降低OFDM 信号PAPR 的方法很多，大体可以分成三大类：信号预畸变、编码类和概率类技术。这三种方法各有特色和着眼点，但每种方法也有缺陷。本系统设计采用的概率类技术：改进型的Nyquist 脉冲整形法（PS ）。PS 技术的思想是将原始数据序列和成形脉冲矩阵相乘产生新序列，使多载波的各子载波符号间具有一定的相关性，从而改善信号的PAPR 特性。成形脉冲p n (t)(n=0,1,2,…,N-1)必须满足一下四个条件： 等能量：2

T

0()n p t dt T =?

时限：()0,22;n p t t T T =->

带限：()0,(1)n p f n T f B B B -=->+

正交：()*

,()()exp 20,T s m n m n T m n p t p t j f f t dt m n

π?=??-=???≠?? 本系统的改进的Nyquist 脉冲的频率响应和失去信号分别如下式1和2所示:

()()()()()

()

1,

111,1()11,0,1B f f B f B B f

e P

f B f B e f B λαλααααα??--?

?

??

-+??≤-??-

<<-?-?

≥-?

()()()22

2

4sin 1

sin ()2s s s t t T t p t c T T t λππαλ

πλ-=+

其中参数ln 2

=

B

λα。

上面的Nyquist 脉冲是实的对称信号，且在Nyquist 采样频率处为零，具

有无ISI 的性质。

4、OFDM 系统的同步算法设计

一般在OFDM 系统中，从频域和时域两大方面考虑，同步问题可分为载波频率同步和时间同步，而时间同步又可以进一步分为符号定时同步和采样时钟同步。因此，在OFDM 系统中需要考虑三部分同步：符号定时同步，频率同步和采样时钟同步。

5、OFDM 通信系统设计

5.1发射机设计

本系统设计的发射机的框图如下图5.1所示。

图5.1 OFDM 通信系统发送机框图

信道编码

信道编码采用卷积编码和交织编码进行信道级联编码。卷积编码码率为1/2，仿真时设置k=1，G=[1 01 1011;1111001]，将输入的90个0、1二进制数经过卷积编码后可得到192个0、1二进制数。交织编码采用24行8列的矩阵，按行写入，按列读出，交织编码可以有效的抗突发干扰。 QPSK 调制

在数字信号的调制方式中，使用了QPSK ，这种调制方式具有较高的频谱利用率以及较强的抗干扰性，在电路上实现也较为简单，而且具有较好的PARR 抑制性能。QPSK 调制的映射方式如表所示。

插入导频

导频数据是在进行矩阵变换之前插入有效数据的，在系统设计中我们每8个有效数据插入一个导频，但是数据中间位置不插入导频。96个复数数据插入10个导频之后，一帧数据长度为106。

矩阵变换

矩阵变换模块是为了降低系统的PARR，采用方法的是前面介绍的改进Nyquist脉冲整形法（PS）。这里的矩阵大小为106 x 128，滚降系数α=0.22。通过这种方法，可以显著的改善OFDM通信系统的PARR分布，大大降低了峰值信号出现的概率以及对功率放大器的要求，节约成本。在接收端恢复原始信号只需要在FFT运算之后乘上一个发端矩阵的逆矩阵即可。

IFFT变换

经过矩阵乘模块后，一帧数据长度为128，由于子载波个数为256，所以需要在数据后面补128个零之后，考虑到频谱利用率的问题需要对数据进行搬移（索引为1~64的数据搬移到数据最后）。

加循环前缀与升采样

用IFFT输出的数据的钱32点作为循环后缀后32点作为循环前缀。假定射频的采样时钟为2.56MHZ，所以需要数据速率匹配，对基带信号进行升采样。升采样过程由两部分组成。第一部分对交了循环前后缀之后的数据进行2倍的升采样，所采取的方式是在每个数据中间插入1个0，第二部分用上变频模块的CIC内插滤波器对信号进行20倍升采样。

数字上变频

数字上变频完成的功能是将基带信号进行线性频谱搬移，实质上就是将基带成形信号（I、Q两个支路）乘以一个载波信号，再把两个支路相加即可。但为了抑制已调信号的带外辐射，在同相和正交支路上还分别增加一个具有线性相位特性的低通成形滤波器FIR。另外，为了使产生的基带信号与后面的采样速率想匹配，在进行正交调制前还必须通过CIC内插滤波器将基带信号进行20倍升采样处理，整个实现过程如图5.2所示，数字上变频模块中包含了寄到成形滤波器、梳状内插滤波器和数控滤波器。

图5.2数字上变频实现结构

5.2接收机设计

本系统设计的接收机的框图如图5.3所示。

图5.3 OFDM系统接收机框图

接收机很多通信处理模块都是与发射机的想过模块功能相似，这里不再重复，只说同步模块。

系统同步

系统将基带性能好送到帧检测模块，这一步的目的是系统需要知道时候有信号到达和信号来后粗定时的位置，当检测到信号来之后同步启动粗定时模块、频偏捕获模块。符号粗定时与粗频偏捕获利用的是前导序列中的短符号来实现的，而细频偏估计采用的是前导序列中的长训练序列实现的。利用签到序列中的T1m和T2m进行本地互相关，得到相关峰值，通过分制所确定的位置确定精确的FFT开窗位置，并通过OFDM数据帧中的循环前后缀的循环特性进行频率跟踪，在频域中，再利用解调出的导频信息进行相位补偿。

6、系统仿真

系统仿真参数

根据前面介绍的的OFDM通信系统的设计，表给出了仿真系统的主要参数。

表6.1 OFDM通信系统仿真参数

译码Viterbi译码

OFDM符号长度320

保护间隔循环前后缀各32点

子载波数128

IFFT/FFT点数256

载波频率320kHz

信道加性高斯白噪声

系统性能仿真

根据前面介绍的OFDM通信系统的设计，可以仿真得到设计系统的性能

如图6.1所示。

随着信噪比的提高,误码率会变得越来越好,说明系统设计的参数可以接受。

10

1010

信噪比/dB

误码率