《寬帶無線接入技術(shù)》實驗報告-OFDM系統(tǒng)的Matlab仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上Cc大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院綜合性設(shè)計性實驗報告專 業(yè)： 學(xué) 號： 姓 名： 實驗所屬課程： 寬帶無線接入技術(shù) 實驗室(中心)： 軟件與通信實驗中心 指 導(dǎo) 教 師 ： 2013年3月教師評閱意見：簽名： 年 月 日實驗成績：一、題目：OFDM系統(tǒng)的Matlab仿真；二、仿真要求：<一>要求一（對于OFDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時，應(yīng)該）：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)隨機(jī)產(chǎn)生；調(diào)制方式采用16QAM；必須加信道的衰落；必須加高斯白噪聲；接收端要對信道進(jìn)行均衡。<二>要求二（對BER的性能仿真時）：設(shè)計仿真方案，得到在數(shù)據(jù)傳輸過程中不同信噪比的BER性能結(jié)論，要求得到的BE

2、R曲線較為平滑。三、仿真方案詳細(xì)設(shè)計：<一>OFDM 基本原理 :OFDM （ Orthogonal Frequency Division Multiplexing ）正交頻分復(fù)用，它是由多載波調(diào)制技術(shù)發(fā)展而來 。其基本思想是把一路高速的數(shù)據(jù)流串并變換為 N 路的低速數(shù)據(jù)流再并行傳輸，因此數(shù)據(jù)流速度降為原來的 1/N，具有很強(qiáng)的抗多徑衰落和抗脈沖干擾的能力 ，特別適合高速無線數(shù)據(jù)傳輸。OFDM 是一種子載波相混疊的多載波技術(shù)，但由于 OFDM 選擇時域相互正交的子載波 ， 他們在頻域雖然相互混疊 ，卻能在接收端被分離出來 。OFDM 信號頻譜實際滿足奈奎斯特準(zhǔn)則即多個子載波之間不存

3、在相互干擾。OFDM信號的基帶形式Ts=Tsym/N由于OFDM子載波之間滿足正交性，因此可以采用離散傅立葉變換(DFT)表示信號。直接進(jìn)行IDFT/DFT變換，算法復(fù)雜度為 O(N2) ，計算量非常大，但如果采用IFFT/FFT來實現(xiàn)，則算法復(fù)雜度降低為O(N/2) (基2算法)，極大降低了OFDM系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。從頻域的角度來理解，每個OFDM符號在其周期內(nèi)包括多個非零的子載波，因此，其頻譜可以看做是周期為T的矩形模型頻譜與各個子載波頻率上 的 函數(shù)的 卷積。 同時，為了消除碼間干擾，需要在OFDM的每個符號中插入保護(hù)時間，只要保護(hù)時間大于多徑時延擴(kuò)展，則一個符號的多徑分量不會干擾相鄰符號

4、。保護(hù)時間內(nèi)可以完全不發(fā)送信號。但此時由于多徑效應(yīng)的影響，子載波可能不能保持相互正交，從而引入了子載波間干擾。保護(hù)時間內(nèi)發(fā)送全零信號時，由于多徑效應(yīng)，從而會造成的子載波間干擾(ICI)。為了減小ICI，OFDM符號可以在保護(hù)時間內(nèi)發(fā)送循環(huán)擴(kuò)展信號，稱為循環(huán)前綴(CP)。循環(huán)前綴是將OFDM符號尾部的信號搬移到頭部構(gòu)成的。這樣可以保證有時延的OFDM信號在FFT積分周期內(nèi)總是具有整倍數(shù)周期。因此只要多徑延時小于保護(hù)時間，就不會造成載波間干擾還有，OFDM系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵參數(shù) ：1、保護(hù)間隔 2、符號周期 3、子載波的數(shù)目 4、載波間隔 參數(shù)確定如下：1. 確定保護(hù)間隔：根據(jù)經(jīng)驗，一般選擇保護(hù)間隔時間

5、長度為時延擴(kuò)展均方根值的2到4倍。2. 選擇符號周期：考慮到保護(hù)間隔所帶來的信息傳輸效率的損失和系統(tǒng)的實現(xiàn)復(fù)雜度以及系統(tǒng)的峰值平均功率比等因素，在實際系統(tǒng)中，一般選擇符號周期長度至少是保護(hù)間隔長度的5倍。3、確定子載波的數(shù)量：子載波的數(shù)量可以直接利用-3dB帶寬除以子載波間隔得到；或者可以利用所要求的比特速率除以每個子信道中的比特速率來確定子載波的數(shù)量；每個子信道中傳輸?shù)谋忍厮俾视姓{(diào)制類型、編碼速率以及符號速度來確定。<二>、系統(tǒng)框圖：1、總括框圖： （實驗總圖框架）2、發(fā)射機(jī)與接收機(jī)：<三>、 仿真設(shè)計：（1） 發(fā)送部分 對產(chǎn)生的 0 、1 比特流進(jìn)行 16QAM 調(diào)

6、制 ，映射到星座圖上 ，即將數(shù)據(jù)變?yōu)閺?fù)平面內(nèi)的數(shù)據(jù)； 將變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換進(jìn)行 IFFT 變換后在進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。為了避免多徑造傳播成 的 IS I 干擾，要對每一 個 OFD M 符號加循環(huán)前綴（ CP ）。為了避免碼間干擾，CP 中的信號與對應(yīng) OFDM 符號尾部寬度為Tg 的部分相同，Tg 為人為設(shè)定。本實驗中為 OFDM 符號長度的 1/4 。 加保護(hù)間隔。為了最大限度的消除碼間干擾，該保護(hù)間隔一般大于多徑信道的最大時延，這樣一個符號的多徑干擾就不會對下一個符號造成干擾。將產(chǎn)生的 OFDM 符號組成一個串行序列，即組幀。（2）信道部分：采用多徑信道，加高斯白噪聲。詳細(xì)設(shè)計為后附代碼

7、。（3） 接收部分： 解幀，將接收的序列分解為一個個獨(dú)立的 OFDM 符號。 去掉保護(hù)間隔，將加在每個符號前的保護(hù)間隔去掉。 將去掉保護(hù)間隔的 OFDM 符號進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換 ， 為下一步快速傅里葉變換做準(zhǔn)備。 將并行的信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到對應(yīng)的時域信號。 進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行 QAM 解調(diào)，解調(diào)之前要進(jìn)行均衡處理。解調(diào)之后得到之前生成的 0 、 1 比特流。四、實驗仿真結(jié)果及結(jié)論：<一>實驗仿真結(jié)果（得到的誤碼率曲線 ）：<二>實驗結(jié)論：由上圖可以看出，隨著信噪比的不斷增大，誤碼率在不斷地減小 ，而且輸入信號的信噪比越大，影響越明顯。究其原因，主要是隨著信噪比的增加

8、，噪聲功率有所下降，因而誤碼率也隨之下降。從而可以知道：OFDM的帶外衰減是比較慢的。隨著載波數(shù)目增大，OFDM信號的帶外衰減也增加了；使OFDM信號的帶外衰減更快，可以采用對單個OFDM符號加窗的辦法。OFDM的窗函數(shù)可以使信號的幅度在符號邊界更平滑的過渡到0。通過實驗過程可以知道：接收機(jī)正常工作以前，OFDM系統(tǒng)至少要完成兩類同步任務(wù)：1、時域同步，要求OFDM系統(tǒng)確定符號邊界，并且 提取出最佳的采樣時鐘，從而減小載波干擾(ICI)和碼間干擾(ISI)造成的影響。 2、頻域同步，要求系統(tǒng)估計和校正接收信號的載波偏移。五、總結(jié)與體會：<一>實驗總結(jié)：通過將近五次左右的實驗課程，使

9、得我又加深了對于OFDM的理解，讓我學(xué)會了許多新的知識，比如如何增加碼元時間同步誤差、比如頻率同步誤差造成的OFDM系統(tǒng)產(chǎn)生子載波間干擾的問題以及如何增加頻率同步誤差的問題等。從而，這幾次實驗在我們學(xué)習(xí)了理論知識的基礎(chǔ)上，在建立 OFDM 仿真模型時，運(yùn)用我們所學(xué)過的 matlab基礎(chǔ)知識 編寫了一個完成基本功能的 OFDM 系統(tǒng)，在仿真的基礎(chǔ)上對子載波采用 16QAM 調(diào)制并對其在不同的噪聲信道下的性能進(jìn)行了分析。 通過實驗的仿真結(jié)果分析，最終我得出結(jié)論：隨著信噪比的不斷增大，誤碼率卻在不斷地減小，而且輸入信號的信噪比越大，影響越明顯。究其原因，主要是隨著信噪比的增加，噪聲功率有所下降 ，而

10、誤碼率也隨之下降，對于這種結(jié)果，也基本上市符合我所學(xué)過的理論知識。而且，本實驗在對 OFDM 技術(shù)實現(xiàn)原理進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，運(yùn)用仿真結(jié)果也間接證明了在相同的條件下， OFDM 傳輸系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單載波傳輸系統(tǒng)，更適于在存在多徑干擾的信道中進(jìn)行傳輸。而對于以前我可以說是從未接觸過的OFDM 技術(shù)，經(jīng)過我通過圖書館、上網(wǎng)查資料等，我發(fā)現(xiàn)由于其獨(dú)特的優(yōu)點便利的使用方法及途徑，它在無線接入和寬帶移動通信等各種前沿領(lǐng)域中都具有廣闊的應(yīng)用前景和幾乎無限的發(fā)展空間。我想：經(jīng)過我的努力，我定要把它學(xué)好！ <二>實驗體會：通過本次實驗，使得我加深了對于OFDM 系統(tǒng)的理解，更加鞏固了老師在

11、課堂上所教的知識。而且，隨著實驗的進(jìn)程，我發(fā)現(xiàn)了一些新的知識和問題，但所幸的是，這些小問題都在通過我和同學(xué)們的討論下得以破解。也是通過這么幾次的OFDM 系統(tǒng)實驗，使得我對用matlab對OFDM系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的流程又有了更加深刻的了解和體會，從而，對于本次實驗的內(nèi)容，也有了初步的理解和掌握；知道了以后在對OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的時候知道該如何去操作matlab軟件，但是所不足的是，對理論性知識掌握程度不夠。也是通過這次實驗，使我了解了基于matlab對OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的方法，也讓我明白了對于OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的方法以及效果等有很多，但這次試驗只弄出了其中很少的一部分。從而，通過此次實

12、驗，讓我了解了OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的原理和算法，熟悉了matlab的應(yīng)用有助于對OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計方法的學(xué)習(xí)和掌握。但是。在實驗的過程中，我還是遇到了許許多多的問題，比如說在剛開始學(xué)的時候始終搞不明白它的原理、對正交子載波的正交性不理解、對多徑信道不理解等；最后經(jīng)過與老師討論、與同學(xué)切磋和去圖書館查資料，再加上自己反復(fù)的研究，最后終于解決了 這些絆腳石 。同時，在解決這些各種各樣的問題的過程中，也讓我對 matlab 仿真有了一個新的認(rèn)識，在仿真過程中會出現(xiàn)很多意想不到的錯誤，它需要我耐心的去調(diào)試、改正等等。總而言之，言而總之，通過這次實驗，使得我基本上掌握了對OFDM 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計操作

13、的基本方法，了解了其設(shè)計的一些基礎(chǔ)算法；我會在以后的學(xué)習(xí)中，更加努力，既注重理論性的學(xué)習(xí)，又要對OFDM 系統(tǒng)設(shè)計做一些更加具體、更加有針對性的、精確性的操作，也希望在下次試驗中不再范同樣的錯誤。增強(qiáng)使用MATLAB的能力?？偠灾?，一切都要以實踐為前提，實驗是必不可少的！實力是必要的根本。六、實驗主要仿真代碼：%OFDM_decode.mclear all;clc;% 參數(shù)設(shè)置 P_pdB=0 -8 -17 -21 -25;% 信道抽頭功率，單位： dBC_Delay=0 3 5 6 8;% 信道延時 'sample'Power=10.(P_pdB/10);% 信道抽頭Cha

14、nneltap_L=leTgth(P_pdB); % 信道抽頭長度Channel_L=max(C_Delay)+1;% 信道長度M=16; % 16QAM 調(diào)制參數(shù)FFT_L=128; %FFT 長度Tg=FFT_L/4; % 循環(huán)前綴的長度，長度為單個 OFDM 符號長度的 1/4SYM_L=FFT_L+Tg; % 加了循環(huán)前綴的單個 OFDM 符號的長度EbN0=0:5:30; % 信噪比N_iter=1000; % 每個信噪比的迭代次數(shù)signal_p=0;% 信號功率初始化，初始值為 0% 不同信噪比下進(jìn)行 OFDM 實驗 for k=0:length(EbN0)randn('

15、state',0);rand('state',0);Neb=0; % 初始錯誤的碼元個數(shù)for m=1:N_iterX=randint(1,FFT_L,M);Xmod=qammod(X,M); % 16QAM 調(diào)制% iFFT 變換 kk1=FFT_L/2+1:FFT_L; kk2=1:FFT_L/2;X_shift=Xmod(kk1) Xmod(kk2);x=ifft(X_shift); % 逆傅里葉變換x_g=x(FFT_L-Tg+1:FFT_L),x;% 加入保護(hù)間隔% 多徑信道衰落 channel=(randn(1,Channeltap_L)+randn(1,C

16、hanneltap_L)*1i).*sqrt(Power/2);% 瑞利衰落h=zeros(1,Channel_L);h(C_Delay+1)=channel;% 信道脈沖響應(yīng)y=conv(x_g,h); % 通過信道，時域卷積% 只加高斯白噪聲 if k=0y1=y(1:SYM_L);signal_p=signal_p+y1*y1'continue;end% 加高斯白噪聲snr=EbN0(k);noise_mag=sqrt(10.(-snr/10);% 噪聲大小awgn=noise_mag*(randn(size(y)+randn(size(y)*1i);y_g=y+awgn;% 信道的頻率響應(yīng)H=fft(h,zeros(1,FFT_L-Channel_L);H_shift(1:FFT_L)=H(kk1),H(kk2);y_r=y_g(Tg+1:SYM_L);% 去掉循環(huán)前綴Y=fft(y_r);Y_shift=Y(kk1) Y(kk2);% 信道均衡Xmode_r(1:FFT_L)=Y_shift./H_shift;X_r=qamdemod(Xmode_r*sqrt(10