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1、本科毕业论文（设计）题 目OFDM关键技术的研究及其通信系统仿真设计西南大学本科毕业论文OFDM关键技术的研究及其通信系统仿真设计摘 要：OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex）意为正交频分复用技术，是多载波（MCM,Multi-Carrier Modulation）调制技术之一。其主要思想是：利用相互正交的多个子载波进行数据的并行传输，调制与解调由快速傅里叶变化（FFT）实现。与普通的通信系统相比，OFDM通信系统的优点表现为频带利用率高和抗多径干扰能力强等，因此在很多无线环境下应用广泛，例如WLAN（无线局域网）、DVB（数字视频广播）、H
2、DTV（高清晰度电视）。文章首先介绍了OFDM技术的发展过程、应用及其关键技术原理，接着提出了一个基于MATLAB的OFDM通信系统实现方案，最后利用MATLAB软件对OFDM传输性能进行仿真并与16QAM（正交振幅调制，一种传统的单载波调制方式）的性能进行了比较，仿真结果表明OFDM技术的抗多径干扰能较强。关键词：正交频分复用（OFDM）；MATLAB；快速傅里叶变换；仿真 -I-Study On Key Technologies and Design and Simulation of OFDM Communication SystemWang Yang School of Electro
3、nics and Information Engineering, Southwest University, Chongqing 400175, ChinaAbstract:Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) is a multi-carrier modulation technology.Its principal thought is that transmitting data simultaneously over multiple equally spaced carrier frequencies and using
4、Fast Fourier Transform processing for modulation and demodulation.The main advantages of OFDM versus other types of modulation are better use of the available bandwidth and better performance in multi-path environments,so it has been widely used in high-data-rate wireless communication systems,such
5、as wireless local-area networks and digital video broadcasting and high distinction television.This paper firstly introduces the development and applications and the theory of OFDM key technologies,then presents a implementation scheme of OFDM communication system based on MATLAB.Finally,I make use
6、of MATLAB to simulate the transmission performance of OFDM.In order to compare OFDM to a traditional single carrier communication syetem,a Quadrature Amplitude Modulation (16QAM) simulation has also been performed,the result shows that OFDM has better performance in multi-path environments .Key word
7、s: OFDM；MATLAB；FFT；Simulation目 录一、绪论1二、OFDM系统的基本原理22.1 正交调制解调22.2系统组成52.2.1 串并转换52.2.2信道编码62.2.3子载波调制62.2.4保护间隔62.3 OFDM技术的优点72.3.1抗干扰能力强72.3.2 频谱利用率高72.3.3系统结构简单72.4 OFDM技术的缺点72.4.1 PAPR（峰均功率比）值较高72.4.2对载波相位噪声和频率偏移敏感82.5 OFDM的关键技术82.5.1 时域和频域同步82.5.2信道估计82.5.3降低峰均功率比8三、OFDM系统的PAPR抑制算法设计93.1 OFDM信号的
8、PAPR概述93.2降低峰均功率比（PAPR）常用的方法93.2.1 信号预畸变技术103.2.2 编码类技术103.2.3 概率类技术113.3 SLM、PTS算法抑制PAPR分析113.3.1 选择映射（SLM）113.3.2 部分传输序列（PTS）133.3.3 PTS与SLM算法仿真结果对比与分析14四、OFDM系统的同步算法设计154.1 OFDM系统中的同步问题及其影响154.2 OFDM系统的同步算法概述154.3 一种基于OFDM循环前缀同步算法的分析16五、OFDM系统的信道估计195.1 信道估计概述195.2基于导频信息的信道估计算法195.2.1 LS信道估计算法205
9、.2.2 LMMSE信道估计方法20六、OFDM通信系统设计226.1 发射机设计226.1.1 信道编码226.1.2 QPSK调制226.1.3 插导频226.1.4 矩阵变换236.1.5 IFFT变换236.1.6 加循环前后缀与升采样236.1.7 数字上变频236.2 接收机设计246.3 系统仿真参数246.4系统性能仿真25七、总 结26参考文献27致 谢28附 录：程序源代码29-63-一、绪论随着通信技术上的飞跃发展和要求的不断增长，当今通信技术领域的主要趋势便是宽带化、高速化。在大部分实际信道中，例如移动信道，多径衰落现象经常发生，带来极为严重的符号干扰（Inter-sy
10、mbol Interference,ISI）,致使传输速率的提高受到限制。我们可以采用自适应均衡技术来解决，但是这种方法较为传统，自适应均衡器的制作、调试的复杂度和成本随着传输带宽的不断增加而增加。正是因为这样，OFDM技术以其卓越的性能在第四代移动通信技术以及无线宽带接入中成为继CDMA之后的又一核心技术。OFDM的全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，意为正交频分复用。20世纪60年代，OFDM的思想首先被提出，人们针对多载波调制做了大量的理论工作，证明了多载波调制技术对于优化通信系统的传输性能起着很大的作用；进入19世纪80年代，OF
11、DM的研究工作取得了更深一步的进展，这时人们首次公开发表了有关OFDM技术方面的专利，Weinstein和Ebert两位科学家提出了利用DFT实现多载波调制的方法。20世纪90年代，由于大规模集成电路技术的进步和DSP技术的迅猛发展，OFDM技术在高速数据传输方面巨大的价值开始引人注目。时至今日，OFDM技术发展已经非常成熟，广泛应用于DAB（数字音频广播）、ADSL（非对称数字用户环路）、DVB（数字视频广播）、WLAN（无线局域网）、HDTV（高清晰度电视）等系统中。1999年，获准通过的5GHz无线局域网标准IEEE 802.11a一开始就采用OFDM调制技术作为它的物理层标准。今天高速
12、发展的4G通信技术也把OFDM调制技术定义为它的核心技术。 二、OFDM系统的基本原理多载波传输的主要目的是先把高速数据流分为若干个独立的低速子数据流，然后用这些速率低得多的多状态符号去调制相应的子载波，这样便形成了多个低速率符号并行发送。OFDM技术作为多载波传输方案的最重要的实现方式，调制通过快速傅里叶逆变换（IFFT，Inverse Fast Fourier Transform）来实现，相应地快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transform）可以实现解调功能，这种多载波传输方式实现起来复杂度最低，因此应用范围最广。2.1 正交调制解调OFDM主要思想是：用N个子载波把
13、整个信道分割成N个子信道，即将频率上等间隔的N个子载波信号调制并相加后同时发送，实现N个子信道并行传输信息。这样每个符号的频谱只占用信道带宽的1/N，且使各子载波在OFDM符号周期T内保持频谱的正交性。如图2.1（a）所示为4个子载波包含在一个OFDM符号内的实例。理论上认为，所这些子载波的幅度和相位是相同的，然而在实际应用中，由于数据符号调制方式的差别，每个子载波具有不同的幅值和相位。从图2.1（a）中不难发现，在一个OFDM符号周期内，每个子载波都包含整数倍个周期，同时相邻的子载波之间相差的周期数为1 。子载波间的正交性可以利用这一特性解释，即满足： （式2.1） 此外，从频域角度来看，我
14、们也不难解释这种正交性。由于在OFDM符号周期T内，多个非零的子载波均包括在每个OFDM符号内，则其频谱便可被认为是一组函数（这些函数位于各个子载波上）与周期为T的矩形的傅里叶变换的卷积。图2.1（b）绘出了符号sinc函数频谱，它由在相互覆盖的各个子信道内经过矩形波成形得到。如图所示，在一个子载波频率所对应的最大值时，所有其他子信道的频谱值恰好为零。因此，在系统的接收端需要对OFDM符号进行解调，这时这些点上所对应的每个子载波频率的最大值需要计算，所以在保证不会受到其他子信道的干扰的情况下，可以从多个互相重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号。因此这种频谱特点可以避免ICI的出现。图2.1（
15、a） 4个子载波包括在OFDM符号内的情况Fig 2.1（a） The situation of OFDM character containing four sub-carriers图2.1（b） OFDM子载波频谱Fig 2.1（b） Spectrum of sub-carrier in OFDM system在发送端，串行码元序列经过数字基带调制、串并转换，将整个信道分成N个子信道。N个子信道码元分别调制在N个子载波频率上，设为最低频率，相邻频率相差1/N，则，角频率为，。在发送端，待发送的OFDM信号D(t)为： （式2.2） 在接收端，将接收到的信号进行解调，如下所示： （式2.3） 由于OFDM符号周期T内各子载波是正交的，正交关系如式2.1所示。所以，当n=m时，调制载波与解调载波为同频载波，满足相干解调的条件，恢复了原
