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1、 摘要本文介绍了 OFDM 的基本原理及应用然后用 MATLAB 软件对 OFDM技术进行仿真分析。首先简单介绍了 OFDM 的基本原理、引用领域及发展现状、趋势。为之后的仿真平台构建奠定基础。其次，对 OFDM 系统进行系统平台构建、写出系统流程图。通过阅读相关书籍和文献资料写出 MATLAB 语言的仿真程序，并进行调试和修改。通过软件仿真出 OFDM 系统在 QPSK 调制下和没有插入保护间隔的波形图。最后，通过对 QPSK 调制和解调方式原理的学习，配合 MATLAB 的仿真图对仿真结果进行比较分析得出其对误码率的影响。关键词关键词 正交频分复用；MATLAB；仿真；误码率Abstrac
2、tThis paper introduces the basic principles of OFDM and its application software and then analysis OFDM technology using the MATLAB simulation. First of all, it introduced the basic principles of OFDM briefly, citing the development of the area and the status, trends. And it will do help for the fou
3、ndation platform in future. Secondly, we build the system of the OFDM system platform to write the system flow chart. Reading relevant books and literature, its the way to write, debug and modify the simulation program. By simulating software of OFDM system in the QPSK modulation,we can drew the wav
4、eform which is not to insert the guard interval.Finally, we analyze MATLAB simulation diagram of the simulation results to get the impact of the error rate by learning the way of QPSK modulation and demodulation principles.Keywords OFDM; MATLAB; Simulation; BER目 录摘要 .I Abstract.II 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背
5、景.1 1.2 OFDM 系统的概述1 1.2.1 OFDM 历史1 1.2.2 OFDM 现状2 1.2.3 OFDM 技术的应用3 1.2.4 OFDM 技术的优势和不足6 1.3 本论文的主要任务.8 第 2 章 OFDM 基本原理9 2.1 多载波调制理论简介.9 2.2 OFDM 系统的基本模型11 2.3 OFDM 系统调制解调的 FFT 实现.12 2.4 OFDM 系统正交性原理13 2.5 保护间隔和循环前缀.15 2.5.1 保护间隔插入的原理.15 2.5.2 插入保护间隔后的 OFDM 系统分析.15 2.6 傅立叶变换的过采样.18 2.7 OFDM 信号的频谱特性
6、.192.8 OFDM 系统的关键技术20 2.9 本章小结.22 第 3 章 OFDM 系统的仿真与分析23 3.1 OFDMD 的系统仿真.23 3.1.1 MATLAB 的简介.23 3.1.2 OFDM 模型的参数选择25 3.1.3 MATLAB 仿真步骤.26 3.1.4 结果分析.263.2 本章小结.27 结论.29 参考文献.30 致谢.32 附录 133 附录 238 附录 342 附录 446第 1 章 绪论1.1 课题背景在当今的人类社会，信息和通信两个词汇越来越多的出现在人们的生活当中。信息是一种希望传送、交换、存储的，具有一定意义的抽象内容，而通信则是信息的存储、传
7、递和交换。在 20 世纪 90 年代，随着互联网技术的迅猛发展，对多媒体业务需求的增加，为了满足人们对信息需求日益增长而出现的第二代移动通信，数字信号处理技术其最基本的技术特征，它提供了更高的频谱效率和更先进的漫游技术。进入新的世纪，通信技术有了突飞猛进的发展，伴随着人们对宽带业务和多媒体业务需求的增加，第三代移动通信成为了研究的重点。虽然第三代移动的传输速率相比第二代有了很大的提高但其数据传输速率也仅有2Mbit/s，第四代移动通信是以正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)为核心技术7,8。较之第三代移动通信系统，采用
8、多种新技术的 OFDM 具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好的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的传送出去。1.2 OFDM 系统的概述1.2.1 OFDM 历史正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。选择 OFDM 的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。正交频分复用(OFDM)最早起源于 20 世纪 50 年代中期，在 60 年代就已经形成了使用并行数据传输和频分复用的概念。1970 年 1 月首次公开发
9、表了有关 OFDM的专利12,15。在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为 N 个相互不重叠的频率子信道。每个子信道传输独立的调制符号，然后再将 N 个子信道进行频率复用。这种避免信道频谱重叠看起来有利于消除信道间的干扰，但是这样又不能有效利用宝贵的频谱资源。为了解决这种低效利用频谱资源的问题，在 20 世纪 60 年代提出一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的并行数据传输信号，其中每个子信道内承载的信号传输速率为 b，而且要求各个子信道在频域距离也是 b，从而可以避免使用高速均衡，并且可以对抗窄带脉冲噪声和多径衰落，而且还可以充分利用可用的频谱资源。1971 年，Weinstein
10、和 Ebert 把离散傅里叶变换(DFT)应用到并行传输系统中，作为调制和解调过程的一部分。这样就不再利用带通滤波器，而是经过基带处理就可以实现 FDM。而且，这样在完成 FDM 的过程中，不再要求使用子载波振荡器组以及相干解调器，可以完全依靠执行快速傅里叶变换(FFT)的硬件来实施2。早在 20 世纪 60 年代，OFDM 技术就已经被应用到多种高频军事系统中，其中包括 KINEPLEX、ANDEFT 以及 KNTHRYN 等。以KNTHRYN 为例，其中可变速率的数据调制解调器可以最多使用 34 个并行低速调相子信道，每个子信道之间的间隔为 82Hz。但是直到 20 世纪80 年代中期，随
11、着欧洲在数字音频广播(DAB)方案中采用 OFDM，该方法才开始受到关注并且得到广泛的应用3。1.2.2 OFDM 现状自从 20 世纪 80 年代以来，OFDM 已经在数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、基于 IEEE802.11 标准的无线本地局域网(WLAN)以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术(例如ADSL)中得到了应用。其中大都利用了 OFDM 可以有效地消除信号多径传播所造成的符号间干扰(151)这一特征。DAB 是在 AM 和 FM 等模拟广播基础上发展起来的，其中可以提供与CD 相媲美的音质，以及其他的新型数据业务。1995 年，由欧洲电信
12、标准协会(ETSI)制定了 DAB 标准，这是第一个使用 OFDM 的标准。接着在1997 年，基于 OFDM 的 DVB 标准也开始投入使用。在 ADSL 应用中，OFDM 被典型地当作离散多音调制(DMT modulation)，成功地用于有线环境中，可以在 1MHz 带宽内提供高达 8Mbit/s 的数据传输速率。1998 年 7月，经过多次的修改之后，IEEE802.11 标准组决定选择 OFDM 作为WLAN(工作于 5GHz 波段)的物理层接入方案，目标是提供6Mbit/S54Mbit/S 的数据速率，这是 OFDM 第一次被用于分组业务通信当中。而此以后，ETSI、BRAN 以及
13、 MMAC 也纷纷采用 OFDM 作为其物理层的标准4。此外，OFDM 还易于结合空时编码、分集、干扰(包括 151 和 ICI)以及智能天线等技术，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步得到优化。1.2.3 OFDM 技术的应用从技术层面来看，第四代移动通信系统将有望以OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)为核心技术，主要理由是无线电频率使用效益高、抗噪声能力强、适合高速数据传输等。然而OFDM仍有许多问题待解决，不过部分标准的制订工作已经接
14、近尾声且即将商用化(如数字音频广播)，目前，OFDM技术已经广泛应用于无线局域网领域，但若要应用在移动通信领域仍需时日。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线城域网、无线局域网(WLAN)，甚至3G的CDMA也开始引入OFDM技术思想以提升其性能。(1)高清晰度数字电视广播 OFDM在数字广播电视系统中取得了广泛的应用，其中数字音频广播(DAB)标准是第一个正式使用OFDM的标准。另外，当前国际上全数字高清晰度电视传输系
15、统中采用的调制技术中就包括OFDM技术，欧洲HDTV传输系统已经采用COFDM(coded OFDM：编码OFDM)技术。它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。选择OFDM作为数字音频广播和数字视频广播(DVB)的主要原因在于：OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题5。因此不难看出，OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的DAB系统使用的OFDM调制技术其试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。它明显地改善了移动中接收无线广播的效果，用于DAB的成套芯片的开发工作正在一项欧洲发展项目中进行，它将使OFDM接收机的价格大大降低，其市场前
16、景非常看好。(2)无线局域网 大家知道，HiperLAN/2物理层应用了OFDM和链路自适应技术，媒体接入控制(MAC)层采用面向连接、集中资源控制的TDMA/TDD方式和无线ATM技术，最高速率达54Mbps，实际应用最低也能保持在20Mbps左右。另外，IEEE 802.11无线局域网工作于ISM免许可证频段，分别在5.8GHz和2.4GHz两个频段定义了采用OFDM技术的IEEE 802.11a和IEEE 802.11g标准，其最高数据传输速率提高到54Mbps6 。技术的不断发展，引发了融合。一些4G及3.5G的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线局域网中，以提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里(并且能够保障100Mb
