基于Simulink的COFDM系统仿真及编码调制分析.doc
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1、广西大学课程设计基于simulink的COFDM系统仿真COFDM系统仿真及其编码调制分析课程名称: 信息系统软件设计与仿真 姓 名: xxx 学 号: 07072001xx 班 级 电子信息工程2007级1班指导老师: 陈俊江 摘 要:编码正交频分复用(COFDM)是第四代移动通信的核心技术,它是实现宽带无线通信和多媒体业务发展的基础。对COFDM 技术的基本原理,关键技术以及实现进行了研究,并且通过matlab 中的通信仿真系统simulink 对COFDM 系统进行了模拟和分析,直观和形象地得到了OFDM 系统在时域和频域的传输性能,得出的结果表明COFDM 系统可以明显地表现出抗多径效
2、应引起的频率选择性衰落和提高了频谱利用率,这一特性使得它能够在高数据传输速率的无线信道中发挥优势。关键词:COFDM;SIMULINK;子载波;串并转换AbstactCOFDM is the key technology of the 4th generation mobile communication system. It is the foundationof implement of broadband wireless communication and multimedia technology. The principle andimplement of COFDM is res
3、earched in the paper. By the simulation and analysis of COFDM using thematlab tool simulink, we get the transmission performance of time and frequency domain visually. Theresult indicates that COFDM can play an important role in anti frequency selective Fading led bymultipath effect and improve freq
4、uency spectrum using .This special character makes it becomesuperior in the high data transmission rate wireless channel.Keyword:COFDM;SIMULINK;sub-carrier;string and parallel conversion1 引言COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing),既编码正交频分复用的简称,是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。其基本原理就是将高速数据流通过串并转换,
5、分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。编码(C)是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式,以适应不同重要性数据的保护要求;正交频分(OFD)指使用大量的载波(副载波),它们有相等的频率间隔,都是一个基本震荡频率的整数倍;复用(M)指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上,形成一个频道。 上个世纪中期,人们提出了频带混叠的多载波通信方案,选择相互之间正交的载波频率作子载波,也就是我们所说的COFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想,COFDM既能充分利用信道带宽,也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。COFDM是一种特殊的多载波通信方案,单个用户的信息流被串/
6、并变换为多个低速率码流,每个码流都用一个子载波发送。COFDM不用带通滤波器来分隔子载波,而是通过快速傅立叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。 COFDM技术属于多载波调制(MultiCarrierModulation,MCM)技术。有些文献上将OFDM和MCM混用,实际上不够严密。MCM与COFDM常用于无线信道,它们的区别在于:COFDM技术特指将信道划分成正交的子信道,频道利用率高;而MCM,可以是更多种信道划分方法。 COFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波的调制,它的特点是各子载波相互正交,使扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而减小
7、了子载波间的相互干扰。COFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式,比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。COFDM技术使用了自适应调制,根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。COFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候,发射功率不变,可以增强调制方式(如64QAM),或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。 COFDM技术是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的
8、不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。2 COFDM 基本原理COFDM 的基本原理是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流,在多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言,由于符号周期展宽,多径效应造成的时延扩展相对变小。当每个OFDM 符号中插入一定的保护时间后,码间干扰几乎就可以忽略。COFDM 符号通带信号可以表示为:(1)其中di表示第i路的基带复数据信号,N是子载波数目,T表示符号周期,fc 是载波中心频率。COFDM 信号的基带形式为:(2)为
9、了使这N 路子信道信号在接收时能够完全分离,要求它们满足正交条件。在码元持续时间T 内任意两个子载波都正交的条件是:(3)根据上式利用三角公式得到:(4)整理得到:( fk + fi)T = m 和 ( fk fi)T = n,其中m,n 为整数即 fk = (m+ n) / 2T 和fi = (m n) / 2T(5)即子载波频率要求:fk = k / 2T 和f min =1/T (6)这样上面的OFDM 信号即可以保证任意两个子载波的正交性。根据已学的知识,我们知道由于多径信道的时延扩展会引起码间干扰(ISI),为了消除码间干扰,需要在OFDM 的每个符号中插入保护时间,只要保护时间大于
10、多径时延扩展,则一个符号的多径分量不会干扰相邻符号。保护时间内可以完全不发送信号。但此时由于多径效应的影响,子载波可能不能保持相互正交,从而引入了子载波间干扰(ICI) 。为了减小 ICI,OFDM 符号可以在保护时间内发送循环扩展信号,称为循环前缀(CP)。循环前缀是将OFDM 符号尾部的信号搬移到头部构成的。这样可以保证有时延的OFDM 信号在FFT 积分周期内总是具有整倍数周期。因此只要多径延时小于保护时间,就不会造成载波间干扰,从而保证传输的可靠性。3 COFDM 系统模型设计与仿真在OFDM系统设计过程中要确定许多关键参数:子载波的数目,保护时间,符号周期,载波间隔,载波的调制方式,
11、前向纠错编码的选择。其中三个主要的系统要求:系统带宽、业务数据速率以及多径时延扩展,包括时延扩展的均方根和最大值。按照这三个系统参数设计步骤可以分为三步:1.确定保护时间2.确定符号周期3.在3dB系统带宽范围内,决定子载波的数目。下图是完整的OFDM系统收发传输模型:上半部分是发射链路,下半部分是接收链路:4 COFDM 基于simulink的仿真COFDM 在simulink 中的仿真参数参数Bernoulli generator采样时间:1.8182e-6s每帧采样数:44RS encoder类型:二进制RS码码字长:15信息位长度:11调制类型:QAM元数:4、16、64频偏:/4增益
12、1/0.75OFDM 调制,加循环前缀64 个子载波瑞利信道多普勒频移:200Hz采样时间:8e-5/180 sAWGNEs/N0:28dB信号功率3.3471e-5符号周期:80e-6s误码表1接收延迟:22输出数据:port误码表2接收延迟:30输出数据:port示波器时间范围:3.0e-4轴数:2频谱仪缓存数:90 缓存交叠:0FFT 长度:1024 平均数:16星座图每符号取样:1偏置:0显示点:100新迹:50模拟配置结束时间:1 s解决器:ode45类型:变步长COFDM系统模块图中,各模块的具体内部结构及参数解释如下表所示Probability of a zero: 0.5In
13、itial seed: 9364248Sample time: 16e-5 / 44 / 2Sample per frame: 44N: 15K:11Output buffer size: 60QPSK Mapping 内部结构图Input type: BitConstellation ordering: GrayPhase offset: pi / 4Gain: 1 / 0.75Training 内部结构图Generator polynomial: 1 0 0 0 0 1 1Initial states: 0 0 0 0 0 1Sample time: 16e-5 / 2 / 31Sampl
14、e per frame: 31M-ary number: 2OFDM Modulator 内部结构图Indices to output: 1:15,16:30Number of input: 3Number of input: 2Pad signal at: EndPad along: Columns and rowsSpecified number of output rows: 64Input type: MatrixIndex mode: One-basedRows: 16:64,1:15Twiddle factor computation: Table lookupInput type
15、 MatrixIndex mode: One-basedRows: 39:64,1:64Training Insertion 内部结构图Select: ColumnsIndices to output: 1,2Number of input: 2Output signal: Frame-basedP/ S 内部结构图Initial conditions: 0Output: Real and imageMaximum Doppler shift: 50Sample time: 8e-5 / 180Delay vector: 0 3e-6Gain vector: 0 -8Initial seed
16、 936497248Initial seed: 32965Mode: Signal to noise ratio ( Es / No )Es / No : 28Input signal power: 30 / ( 5.5e5 * 11 / 15 * 2.4 ) * 1.08Symbol period: 80e-6S/ P 内部结构图Output buffer size: 180Output: Real and imageTraining Separation 内部结构图Indices to output: 91:180,1:90Number of input: 2OFDM Demodulat
17、or 内部结构图Input type: MatrixIndex mode: One-basedRows: 27:90Twiddle factor computation: Table lookupInput type: MatrixIndex mode: One-basedRows: 50:64,1:16Output signal: Frame-basedSelect: ColumnsIndices to output: 1,2Channel Estimator内部结构图Step time: 16e-5 / 2Sample time: 16e-5 / 2Generator polynomial
18、 1 0 0 0 0 1 1Initial states: 0 0 0 0 0 1Sample time: 16e-5 / 2 / 31Sample per frame: 31M-ary number: 2Function: reciprocalOutput data type mode: Same as first inputRound integer calculations toward: FloorOutput signal: Frame-basedNumber of input: 2Output signal: Frame-basedFunction: reciprocalOutp
19、ut data type mode: Same as first inputRound integer calculations toward: FloorOutput signal: Frame-basedChannel Compensation 内部结构图Input type: MatrixIndex mode: One-basedRows: 1:15,17:31Number of input: 2Output signal: Frame-basedRemove Zero 内部结构图Input type: MatrixIndex mode: One-basedRows: 1:15,17:3
20、1QPSK Demapping 内部结构图Gain: 0.75Input type: BitConstellation ordering: GrayPhase offset: pi / 4Function: roundN: 15K:11SER Calculation内部结构图Input type: BitConstellation ordering: GrayPhase offset: pi / 4Receive delay:22 before RS encoder30 after RS encoderBuffer size: 90Buffer overlap: 0Window type: H
21、annFFT length: 1024Number of spectral averages: 16Frequency range: -Fs / 2 Fs / 2Samples per symbol: 1Point displayed: 100New point per display: 504 COFDM 系统仿真结果整个系统的流程为:产生二进制数据 经过 RS 编码 调制 COFDM 系统基带信号调制并加入循环前缀 插入保护间隔 并/ 串变换 多径瑞利衰落信道 高斯信道 串/ 并变换 删除保护间隔 COFDM 系统基带信号解调并删除循环前缀 进行信道估计 进行信道补偿 0删除 解调 RS
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