实验四OFDM仿真.docVIP

实验四：OFDM仿真 【实验目的】 1. 理解OFDM调制解调的原理； 2. 学会创建衰落信道模型； 3. 掌握System View软件的使用； 【实验内容】 1. 利用SystemView创建多径信道和莱斯信道模型； 2. 搭建OFDM调制解调系统； 【实验仪器】 1. 计算机； 2. SystemView仿真软件； 【实验原理及相关知识】 1.OFDM原理 OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。正交频分复用是一种高效并行多载波传输技术，将所传送的高速串行数据分解并调制到多个并行的正交子信道中，从而使每个子信道的码元宽度大于信道时延扩展，再通过加入循环前缀，保证系统不受多径干扰引起的码间干扰（ISI）的影响，它还可以有效对抗多径传播。 （1）频谱效率计算： 子载波间正交可以使载波间交叠而彼此间又不会因交叠失真。因此用正交子载波技术可以节省宝贵的频率资源。对于一个典型的单载波系统其符号带宽W与符号周期Ts之间具有如下的关系：W=2/Ts ，而数据传输速率为 （bit/s），式中的M为调制字符集大小,由此可得到单载波系统的频谱效率为： (bit/s/Hz)。 对于OFDM系统，其信号带宽W与周期Ts之间的关系为， 数据传输速率仍为（bit/s） ?由此可得到OFDM系统的频谱效率为 (bit/s/Hz)（N较大时），所以当子信道数N较大时，OFDM系统的频谱效率是单载波系统的两倍。图1.1列出了传统多载波与OFDM多载波系统频谱的区别。 1.1(a) 传统多载波系统 1.1(b) OFDM多载波系统 （2）OFDM基本原理 OFDM的基本思想是将串行高速的数据流并行的调制在多个正交的子载波上进行传输，这样可以降低每个子载波的码元速率，增大码元的符号期，从而抵抗多径引起的频率选择性衰落，有效克服码间串扰(ISI)，降低系统对均衡技术的要求。同时由于子载波的正交性，大大的提高了频谱的利用率，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要，所以非常适合衰落移动场合的高速传输。OFDM由大量在频率上等间隔的子载波构成，各载波可根据需要使用相同的或不同的数字调制方法，如QPSK、16QAM、64QAM等。在传统的频分复用系统中，各载波上的信号频谱没有重叠，以便接收机中能用传统的滤波器组方法将其分离、提取，这样做的最大缺点是频谱利用率低，造成频谱浪费，而且大量滤波器的实现也有困难。OFDM允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交则可以从混叠的子载波上分离出数据信息。当载波间隔等于符号周期倒数的整数倍时，可满足正交条件。为了提高频谱效率，一般取最小间隔等于符号周期的倒数。 （3）保护间隔和循环前缀 应用OFDM的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的Ｎ倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔，而且该保护间隔长度Ts一般要大于无线信道的最大时延扩展。这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生载波间干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。这种效应可见图1.2 所示，由于每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现OFDM符号的时延符号，图1.2 给出了第一子载波和第二子载波的时延信号，图1.3为循环前缀的插入过程 图1.2多径情况下，空闲保护间隔在子载波间造成的干扰 图1.3 循环前缀的插入过程 OFDM系统通过并行分割，可以使高速数据传输时的符号持续时间Ts远大于信道时延扩散。客观上具备了抗符号干扰的特性。但是信道多径扩散会破坏OFDM符号内部子载波之间的正交性，产生子载波间干扰(ICI)。在OFDM技术发展过程中，加入循环前缀是一种很好的思想，循环前缀是直接将符号的末尾部分复制到开始部分。它主要有两个作用：其一是作为保护间隔，消除或至少是大大减少ISI；其二是由于保持各个子信道间的正交性，大大减少了ICI。 ?(4) OFDM系统基本框图 图1.4 OFDM系统框图 2.衰落信道模型 在数字移动通信的传播环境中,由于移动台和基站之间的各种障碍物所产生的反射、绕射和散射等现象,接收信号通常由多径信号成分组成。由于多径信号的相位、幅度和到达时刻的随机变化,引起接收信号包络的快速起伏变化,这种快速起伏变化通常称为快衰落。实际的测量数据分析表明,这种接收信号包络幅