多媒体应用中的宽带OFDM的技术研究与仿真分析
多媒体应用中的宽带OFDM的技术研究与仿真分析[20200406140910]
摘要
本论文是以正交频分复用(OFDM) 技术为基础进行展开叙述的。该技术能够有效对抗多径衰弱，因此在提高现代移动通信的质量方面，它提供了一个良好的方案。本文首先是对课题的背景和意义做了概括，并且介绍了多年来OFDM的发展状况及优缺点，展望了该技术在今后多媒体应用无线宽带中的发展前景。研究得出，它具有传输性能好、成本低的优点，充分体现了人们对当今多媒体应用系统发展的要求。
通过对OFDM系统的学习之后，认真研究了它的基本原理。众所周知，在各种通信系统中，可靠性是非常重要的。因此需选择合理的调制方式，这样即使在信道恶劣的情况下，也能保证其传输性能，由此我们重点研究了基于IFFT/FFT 实现的OFDM 系统调制与解调技术。文章的后半部分主要来阐述循环前缀的添加增强了OFDM系统的抗载波之间干扰的影响，并大致概括了整个OFDM系统的关键技术等内容。在整体掌握OFDM技术后,用simulink模块完成对OFDM系统的模块构建工作，并在实际多媒体宽带环境下，仿真不同系统参数与噪声情况下的传输特性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:正交频分复用技术FFT/IFFT仿真
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2 OFDM的系统概述 2
1.2.1 OFDM技术的发展与趋势 2
1.2.2 OFDM技术的优缺点 3
1.3本课题研究的主要内容 4
2. OFDM系统的基本介绍 5
2.1基本原理 5
2.2基于IFFT/FFT的调制与解调 6
2.3循环前缀 7
2.4系统结构图 8
3. OFDM系统的关键技术 10
3.1同步技术 10
3.1.1同步技术进行误差分析 10
3.1.2基于PN序列的符号同步 10
3.2信道估计 11
4. OFDM系统的仿真与分析 14
4.1动态仿真模块simulink介绍 14
4.2 OFDM系统仿真参数的设计 15
4.3 simulink中OFDM系统的建模 16
4.4仿真结果及分析 20
4.5总结 23
结束语 24
参考文献 25
1. 绪论
1.1课题研究的背景及意义
科学技术在不断的向前发展，生活质量对科学的依赖逐渐变大，无线移动通信业务成为人们关注的焦点。虽然人们加快了无线移动通信发展的速度，但是通信服务的内容和质量还达不到人们的期望，现有传输能力的通信系统也不能完全承载多媒体应用和大量的数据通信带来的压力。由此推出了更符合人们需求的4G系统，这些技术的发展目标都在朝着个人通信的方向上进行。
多径衰落是广播、移动等实际应用无线通信信道中常出现的现象，它存在多方面的缺点，如会导致严重的码间干扰(ISI)也会降低信息的传输速率，最后系统的误码率增加。最开始解决该现象的方法是使用自适应均衡技术，但随着信息传输带宽需求的增加，实现该技术的均衡器的制作成本显著提高，其制作流程也变得更加杂度。要满足多媒体业务对大容量和高速率的需求，就要提高频带资源的利用率，也需降低其成本，并且对信息传输效率也要加强。基于这些问题必须要采取专门的技术，在无数的科学技术当中，其中表现出独特优越性的正是正交频分复用（OFDM）技术。
OFDM技术的基本思想是将串行的高速传输的宽带信号变换成多个低速率的窄带信号进行传输[1]，然后各个低速并行的窄带信号作为基带信号分别去调制相应的子载波，从而降低信息速率，降低均衡器制作的使用成本及复杂度，有效抑制了ISI。特定情况下，循环前缀的插入可以有效消除ISI现象，我们可以采用该技术，而不必使用均衡器，这样就极大地降低了使用成本。由于各个子载波之间具有正交性，其频谱能够相互重叠，频谱利用率也因此大大增加[3]。同时各个子信道载波的正交和解调由于IDFT和DFT的使用而变得简单，多载波调制系统的实现也因此容易了许多，这些都有利于人们该技术的进一步研究。另外，OFDM系统可以和别的技术相互结合形成OFDMA系统源这一特点，增加了它的重要性。OFDM技术在实际应用当中显示了许多的优势，能够给网络浏览速度和带宽要求更高的多种多媒体业务的高速发展提供可靠的技术支持，因此被广泛应用。
1.2 OFDM的系统概述
1.2.1 OFDM技术的发展与趋势
OFDM技术即正交频分复用技术。该技术利用载波间的正交性来提高频谱利用率,从而可以减少无线信道中的多径衰弱和窄带干扰等现象[2]。
一开始，R.W.Chang提出了疑问，经过FFT调制的子载波，我们该如何做到不改变它的正交性。再后来，B.R.Saltzberg说明了信道间的串扰是导致信号失真的关键，我们应该将研究重点放在降低相邻子载波之间的串扰上，而不是在独立子信道工作性能问题上[14]。
1971年，S.B.Weinstein和P.M.Ebert指出调制解调器的功能可以用离散傅里叶变换来代替。快速傅里叶变换FFT是傅里叶变换DFT中的一种高效的计算方法，特别是它的发现和使用极大地降低了系统的复杂度。但时仍然有很多因素限制着OFDM技术的发展，如放大器的线性度以及振荡器的稳定度等等。在该技术的发展过程中，有人提出用空白间隔作为保护间隔的想法，这样就可以很好地对抗ISI,但是还是没有解决子载波之间的干扰，但这对于后人的继续研究仍然具有重大意义。后来A.Peled和A.Rmz发现，我们可以用循环前缀代替空白间隔，这种想法后来得到了验证，它具有高效的抗子载波之间的干扰能力，这也是OFDM技术得到广泛应用的一个重要因素[14]。
基于该技术的发展，人们先后确立了不同的标准，如：IEEE802.lla中的无线局域网标准，IEEE802.16中的无线城域网标准以及IEEE802.16e中通过的宽带无线城域网接入空中标准等[10]。这些标准，统一使用的都是OFDM技术。未来，无线数据传输领域的重大发明，都将离不开OFDM 技术。
后来，随着VLSI技术的发展，OFDM技术成为人们关注的焦点，解决了技术上难以实现的问题后，采取与多种技术相结合的方式（如MIMO-OFDM、OFDMA等）被人们所应用。如今OFDM技术在数字通信等传输中的应用主要有：无线接入技术、数字音频广播等。
但OFDM系统是通过提升复杂度来实现高效传输速率的，如何实现系统的精确同步、准确估计信道的性能是该技术的难点。随着锁相环（PLL）及数字信号处理技术的发展，通过紧密地查看信道冲激响应的变化，我们可以减少ICI的影响。今后，OFDM的发展方向主要是进一步提高信息传输速率、增加传输距离、并加强与其它网络设备的兼容。
1.2.2 OFDM技术的优缺点
如今的OFDM技术已广泛应用于多个领域，它具体的优势表现为：
（1）抗多径衰弱且适合高速数据传输。无线数据的传输具有不对称性，通常是上行链路中传送的数据量小于下行链路，即需要信道具有传送高速率不对称数据的能力。OFDM技术是将串行的高速传输的宽带信号变换成多个低速率的窄带信号进行传输，然后各个低速并行的窄带信号作为基带信号分别去调制相应的子载波（子载波具有正交性），从而具有效对抗多径衰弱和脉冲干扰的能力，与此同时也降低了子信道的信息传输速率，满足了上行链路传输速率低于下行的要求。
（2）复杂度低。要实现多载波传输系统，传统的方法中需要很多的带通滤波器等器件，系统结构复杂，掩盖了多载波传输的优点，但是离散傅里叶算法中的快速算法FFT使得系统实现起来大为简单极大地降低了系统复杂度。
（3）频谱利用率高。先前研究的多载波调制系统中，各个并行的子信道采取隔离带来避免频谱重叠现象的发生，所以频谱使用效率较低。但是OFDM系统的各个子载波是具有正交性的，它们的频谱可以相互重叠，因此可以最大限度的提高频谱利用率[3]。
（4）误码率低。因为循环前缀（CP）的插入，系统能够有效消除块间干扰（IBI）和载波间干扰（ICI），有效地抑制了系统误码率。特定情况下，它可以代替时延均衡器（接收机）的功能，降低应用成本。
（5）OFDM系统可以很容易地和别的技术相互结合形成OFDMA系统源，供用户使用，如OFDM-TDMA、MIMO-OFDM等。
（6）单载波系统与之作比较时，该方式不易受采样定时偏移的影响。
尽管OFDM备受关注，有很多的优点，但它也有一些急需解决的问题：
摘要
本论文是以正交频分复用(OFDM) 技术为基础进行展开叙述的。该技术能够有效对抗多径衰弱，因此在提高现代移动通信的质量方面，它提供了一个良好的方案。本文首先是对课题的背景和意义做了概括，并且介绍了多年来OFDM的发展状况及优缺点，展望了该技术在今后多媒体应用无线宽带中的发展前景。研究得出，它具有传输性能好、成本低的优点，充分体现了人们对当今多媒体应用系统发展的要求。
通过对OFDM系统的学习之后，认真研究了它的基本原理。众所周知，在各种通信系统中，可靠性是非常重要的。因此需选择合理的调制方式，这样即使在信道恶劣的情况下，也能保证其传输性能，由此我们重点研究了基于IFFT/FFT 实现的OFDM 系统调制与解调技术。文章的后半部分主要来阐述循环前缀的添加增强了OFDM系统的抗载波之间干扰的影响，并大致概括了整个OFDM系统的关键技术等内容。在整体掌握OFDM技术后,用simulink模块完成对OFDM系统的模块构建工作，并在实际多媒体宽带环境下，仿真不同系统参数与噪声情况下的传输特性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:正交频分复用技术FFT/IFFT仿真
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2 OFDM的系统概述 2
1.2.1 OFDM技术的发展与趋势 2
1.2.2 OFDM技术的优缺点 3
1.3本课题研究的主要内容 4
2. OFDM系统的基本介绍 5
2.1基本原理 5
2.2基于IFFT/FFT的调制与解调 6
2.3循环前缀 7
2.4系统结构图 8
3. OFDM系统的关键技术 10
3.1同步技术 10
3.1.1同步技术进行误差分析 10
3.1.2基于PN序列的符号同步 10
3.2信道估计 11
4. OFDM系统的仿真与分析 14
4.1动态仿真模块simulink介绍 14
4.2 OFDM系统仿真参数的设计 15
4.3 simulink中OFDM系统的建模 16
4.4仿真结果及分析 20
4.5总结 23
结束语 24
参考文献 25
1. 绪论
1.1课题研究的背景及意义
科学技术在不断的向前发展，生活质量对科学的依赖逐渐变大，无线移动通信业务成为人们关注的焦点。虽然人们加快了无线移动通信发展的速度，但是通信服务的内容和质量还达不到人们的期望，现有传输能力的通信系统也不能完全承载多媒体应用和大量的数据通信带来的压力。由此推出了更符合人们需求的4G系统，这些技术的发展目标都在朝着个人通信的方向上进行。
多径衰落是广播、移动等实际应用无线通信信道中常出现的现象，它存在多方面的缺点，如会导致严重的码间干扰(ISI)也会降低信息的传输速率，最后系统的误码率增加。最开始解决该现象的方法是使用自适应均衡技术，但随着信息传输带宽需求的增加，实现该技术的均衡器的制作成本显著提高，其制作流程也变得更加杂度。要满足多媒体业务对大容量和高速率的需求，就要提高频带资源的利用率，也需降低其成本，并且对信息传输效率也要加强。基于这些问题必须要采取专门的技术，在无数的科学技术当中，其中表现出独特优越性的正是正交频分复用（OFDM）技术。
OFDM技术的基本思想是将串行的高速传输的宽带信号变换成多个低速率的窄带信号进行传输[1]，然后各个低速并行的窄带信号作为基带信号分别去调制相应的子载波，从而降低信息速率，降低均衡器制作的使用成本及复杂度，有效抑制了ISI。特定情况下，循环前缀的插入可以有效消除ISI现象，我们可以采用该技术，而不必使用均衡器，这样就极大地降低了使用成本。由于各个子载波之间具有正交性，其频谱能够相互重叠，频谱利用率也因此大大增加[3]。同时各个子信道载波的正交和解调由于IDFT和DFT的使用而变得简单，多载波调制系统的实现也因此容易了许多，这些都有利于人们该技术的进一步研究。另外，OFDM系统可以和别的技术相互结合形成OFDMA系统源这一特点，增加了它的重要性。OFDM技术在实际应用当中显示了许多的优势，能够给网络浏览速度和带宽要求更高的多种多媒体业务的高速发展提供可靠的技术支持，因此被广泛应用。
1.2 OFDM的系统概述
1.2.1 OFDM技术的发展与趋势
OFDM技术即正交频分复用技术。该技术利用载波间的正交性来提高频谱利用率,从而可以减少无线信道中的多径衰弱和窄带干扰等现象[2]。
一开始，R.W.Chang提出了疑问，经过FFT调制的子载波，我们该如何做到不改变它的正交性。再后来，B.R.Saltzberg说明了信道间的串扰是导致信号失真的关键，我们应该将研究重点放在降低相邻子载波之间的串扰上，而不是在独立子信道工作性能问题上[14]。
1971年，S.B.Weinstein和P.M.Ebert指出调制解调器的功能可以用离散傅里叶变换来代替。快速傅里叶变换FFT是傅里叶变换DFT中的一种高效的计算方法，特别是它的发现和使用极大地降低了系统的复杂度。但时仍然有很多因素限制着OFDM技术的发展，如放大器的线性度以及振荡器的稳定度等等。在该技术的发展过程中，有人提出用空白间隔作为保护间隔的想法，这样就可以很好地对抗ISI,但是还是没有解决子载波之间的干扰，但这对于后人的继续研究仍然具有重大意义。后来A.Peled和A.Rmz发现，我们可以用循环前缀代替空白间隔，这种想法后来得到了验证，它具有高效的抗子载波之间的干扰能力，这也是OFDM技术得到广泛应用的一个重要因素[14]。
基于该技术的发展，人们先后确立了不同的标准，如：IEEE802.lla中的无线局域网标准，IEEE802.16中的无线城域网标准以及IEEE802.16e中通过的宽带无线城域网接入空中标准等[10]。这些标准，统一使用的都是OFDM技术。未来，无线数据传输领域的重大发明，都将离不开OFDM 技术。
后来，随着VLSI技术的发展，OFDM技术成为人们关注的焦点，解决了技术上难以实现的问题后，采取与多种技术相结合的方式（如MIMO-OFDM、OFDMA等）被人们所应用。如今OFDM技术在数字通信等传输中的应用主要有：无线接入技术、数字音频广播等。
但OFDM系统是通过提升复杂度来实现高效传输速率的，如何实现系统的精确同步、准确估计信道的性能是该技术的难点。随着锁相环（PLL）及数字信号处理技术的发展，通过紧密地查看信道冲激响应的变化，我们可以减少ICI的影响。今后，OFDM的发展方向主要是进一步提高信息传输速率、增加传输距离、并加强与其它网络设备的兼容。
1.2.2 OFDM技术的优缺点
如今的OFDM技术已广泛应用于多个领域，它具体的优势表现为：
（1）抗多径衰弱且适合高速数据传输。无线数据的传输具有不对称性，通常是上行链路中传送的数据量小于下行链路，即需要信道具有传送高速率不对称数据的能力。OFDM技术是将串行的高速传输的宽带信号变换成多个低速率的窄带信号进行传输，然后各个低速并行的窄带信号作为基带信号分别去调制相应的子载波（子载波具有正交性），从而具有效对抗多径衰弱和脉冲干扰的能力，与此同时也降低了子信道的信息传输速率，满足了上行链路传输速率低于下行的要求。
（2）复杂度低。要实现多载波传输系统，传统的方法中需要很多的带通滤波器等器件，系统结构复杂，掩盖了多载波传输的优点，但是离散傅里叶算法中的快速算法FFT使得系统实现起来大为简单极大地降低了系统复杂度。
（3）频谱利用率高。先前研究的多载波调制系统中，各个并行的子信道采取隔离带来避免频谱重叠现象的发生，所以频谱使用效率较低。但是OFDM系统的各个子载波是具有正交性的，它们的频谱可以相互重叠，因此可以最大限度的提高频谱利用率[3]。
（4）误码率低。因为循环前缀（CP）的插入，系统能够有效消除块间干扰（IBI）和载波间干扰（ICI），有效地抑制了系统误码率。特定情况下，它可以代替时延均衡器（接收机）的功能，降低应用成本。
（5）OFDM系统可以很容易地和别的技术相互结合形成OFDMA系统源，供用户使用，如OFDM-TDMA、MIMO-OFDM等。
（6）单载波系统与之作比较时，该方式不易受采样定时偏移的影响。
尽管OFDM备受关注，有很多的优点，但它也有一些急需解决的问题：
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