Wimax中正交频分多路解调器的设计与分析
Wimax中正交频分多路解调器的设计与分析[20191213093202]
摘 要
Wimax,即全球微波互联接入，也叫802·16无线城域网或802.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向全网的高速连接，数据传输距离最远可达50km，具有QoS保障，传输速率高、业务丰富多样等优点。随着人们对数据通信的日益增长的高需求，Wimax必将对未来通信意义重大。研究Wimax也势必成为当今通信领域一大热潮。
WiMAX构建于高级无线技术，可以有效抵消干扰提供更多数据更大大范围的传播出去。 其中关键高级无线突破结合入移动WiMAX的标准是正交频分多址(OFDMA)技术。
论文首先简要介绍了Wimax的时代背景以及OFDM（正交频分复用）的原理以及在Wimax系统中的应用，其中主要分析了OFDM技术。首先说明了OFDM的历史背景?发展现状及趋势?研究意义和研究目的及研究方法和OFDM的基本原理?基本模型?OFDM的基本传输技术及其应用,然后展示了本课题所用的仿真工具软件MATLAB,并对其将仿真的OFDM各个模块包括信道编码?交织?调制方式?快速傅立叶变换及无线信道进行原理解析和分析,最后是对于OFDM的流程框图进行分析和在不影响研究其传输性的前提下进行简化,建立了仿真系统的模型，利用matlab进行仿真，并且对其仿真出来的数据图形进行分析理解?
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字Wimax；正交频分复用技术；解调器；matlab；仿真；
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题设计背景及意义 1
1.2 课题发展历程现状以及前景 1
1.3 本文主要研究工作和内容安排 2
第2章 wimax技术原理 4
2.1 Wimax的工作原理 4
2.2 wimax的关键技术 5
2.3 wimax的优势 6
2.4 wimax的应用 7
第3章 正交频分多路技术（OFDM）原理 8
3.1 OFDM的理论基础 8
3.2 OFDM核心算法 11
3.3 OFDM的优缺点分析 11
3.3.1 OFDM技术的优点 11
3.3.2 OFDM技术的不足 12
第4章 OFDM接收系统的设计 13
4.1 OFDM整体系统框图 13
4.2 接收系统设计 14
4.2.1串并变换 15
4.2.2 去循环前缀CP 15
4.2.3 FFT变换 17
4.2.4 并串变换 18
4.2.5 解调 18
第5章 基于MATLAB的OFDM接收系统仿真 20
5.1可行性分析 20
5.2 仿真环境MATLAB介绍 20
5.3 仿真参数设置 21
5.3.1 OFDM系统参数选择 21
5.3.2 参数设置 21
5.4 仿真结果 22
5.4.1 仿真接收系统信号程序流程图 22
5.4.2 待接收OFDM信号 23
5.4.3 信道模型 25
5.4.4 串并变换/并串变换 25
5.3.5 去循环前缀CP 26
5.4.6 快速傅里叶变换FFT 26
5.4.7 解调 27
5.5仿真结果分析 28
5.5.1比特率 28
5.5.2频谱效率 28
5.5.3误码率分析 28
第6章 总结 31
参考文献 33
致 谢 33
附录一 matlab的ofdm接收系统仿真程序 35
附录二 英文文献及翻译 40
第1章 绪论
1.1 课题设计背景及意义
在过去的20多年里，OFDM调制技术得到了广泛的关注，OFDM技术可以将一个频率选择衰减信号分解到多个子信道上，并且便于均衡。其次，OFDM技术可以使各个子信道子载波重叠从而增加频谱的利用率，因此被广泛应用到很多通信技术之中，比如ieee802.11a，ieee802.16e（wimax）和dvb-t/h中。
今年，wimax已经被认为是问题的最后解决方案，它支持无线宽带接入，作为无线局域网的延伸。可以连接wifi热点和英特网。在wimax物理层中包含3种模式：256点快速傅里叶变换，将是与信号转化为频域信号，在所有子载波当中，192个数据子载波和8个导频子载波被分配，其他被放在频谱两端作为保护间隔，最大传输速率在20mhz贷款可以达到75mbit/s.
WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。Wimax以及应用其中的ofdm技术也必将成为引领未来通信的前沿的技术，因此学习研究wimax以及ofdm技术对于我们认识通信领域的前沿科技，强化个人的专业的能力以及应用软件能力的提升有着很大的好处和意义。
1.2 课题发展历程现状以及前景
在上个世纪60年代左右已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念。1970年，美国相关研究人员发明和申请了一个专利，其思想是采用平行的数据和子信道相互重叠的频分复用来消除对高速均衡的依赖，用于抵制冲激窄带噪声 和多径失真，而能充分利用带宽。最初这项技术主要用于军事通信系统，但依据早期的OFDM思想，需要大量的正弦波发生器，滤波器，调制器和解调器等设备，因此系统非常昂贵，在以后相当长的一段时间，OFDM理论迈向实践的时间一直很慢。
1971年，韦斯坦（Weinstein）和艾伯特（Ebert）两位研究人员把离散傅里叶变换（DFT）应用到并行传输系统中，才不再利用带通滤波器，而是在基带处理就可以实现OFDM。OFDM应用离散傅里叶变换（DFT）和其逆变换（IDFT）方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。这就解决了多载波传输系统发送和传输的难题。应用快速傅里叶变换 更使多载波传输系统的复杂度大大降低。从此OFDM技术开始走向实用。
到二十世纪80年代，随着大规模集成数字电路和DSP技术的发展，MCM获得了突破性的进展，OFDM的核心部分FFT的实现也不再是难以逾越的屏障，一些其它难以实现的困难也部得到了解决，加之人们对无线通信高速率要求的日趋迫切，自此OFDM走上了通信的舞台，逐步迈向高速数字移动通信的领域，并且得到快速的发展。
进入90年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。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，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）、无线局域网（WLAN）以及现在很热的wimax（全球微波互联接入）技术。Ofdm技术与wimax的高效融合对未来通信的发展有着重要的意义。
1.3 本文主要研究工作和内容安排
本文介绍了wimax这一新兴通信系统的发展和背景以及wimax中应用的ofdm标准，其中主要研究了OFDM的基本原理以及ofdm的优势和ofdm接收系统的实现以及对OFDM接收系统的MATLAB仿真与分析，，重点放在了OFDM接收机系统各模块的设计与仿真，最后用MATLAB代码编写了整个OFDM基带系统仿真平台，设置好仿真参数，对该基带系统的性能进行分析，最终得到误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系图。
内容安排如下：
第一部分主要介绍了课题研究的背景及意义，课题的发展历程现状和前景及本文研究的主要工作简单介绍。
第二部分主要介绍了wimax以及其发展背景
第三部分主要介绍了OFDM基带系统的相关原理及基本实现思想
第四部分主要介绍OFDM接受系统各模块的设计及原理介绍，采用的16QAM调制方式，IFFT变换，去CP，串并/并串变换。最终建立了一个OFDM接收系统。
第五部分，先是对MATLAB软件的一些相关知识进行简单的介绍，再借此软件通过MATLAB语言，设置相应的参数及待接收解调的OFDM符号，对OFDM接收系统进行计算机基带以及16qam信号进行仿真，并对结果进行分析。主要为了通过改变OFDM符号的信噪比（SNR），得到仿真的接收系统的不同的误比特率（BER），并作出二者的关系图。
第2章 wimax技术原理
2.1 Wimax的工作原理
WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互联接入。WiMAX也叫802·16无线城域网或802.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高[1]。
WiMax的基本工作原理如下:
从实用角度看，WiMAX的操作与无线上网相似，但是速度更快，传播距离更远，并且可供更多的用户使用。由于电话和电缆公司还没有把必要的电缆铺设到边远地区，因此那里目前仍没有宽带网络接入，WiMAX有潜力消除这些无信号区。
WiMAX系统由两部分组成：
WiMAX发射塔：在概念上与手机发射塔相似。单台WiMAX发射塔可以覆盖非常大的面积－－约8,000平方公里。
WiMAX接收机：接收机和天线可以是一个小盒子或一张PCMCIA卡，也可以像如今的无线上网接入方式一样内置到膝上型电脑中。
WiMAX发射塔站可以使用高带宽的有线连接（例如T3线路）直接连接到互联网。它也可以使用视线微波链接与另一个WiMAX发射塔连接。这种与第二个发射塔的连接（经常称为回程），以及单塔所具有的约8,000平方公里的覆盖能力，使得WiMAX能够覆盖边远的农村地区
WiMAX实际上可以提供两种形式的无线服务：
一种是非视线无线上网型服务，计算机上的小天线可与发射塔连接。在这种模式下，WiMAX使用较低的频率范围－－2GHz到11GHz（与无线上网相似）。较低波长传输不容易被物理障碍物干扰，传输可以很好地衍射、弯曲或绕过障碍物。
另一种是视线型服务，安装在屋顶或电杆上的固定截抛物面天线直指WiMAX发射塔。视线型连接功率更强大、更稳定，因此可以在错误更少的情况下发送大量数据。视线型传送使用较高的频率，其范围可以达到66GHz。频率越高，干扰越少，同时又有高得多的带宽。
无线上网型接入方式局限于半径为大约6到10公里的范围（相当于65平方公里的覆盖范围，与手机的覆盖范围差不多）。通过使用更强大的视线型天线，WiMAX发射站可以将数据发送到以该发射站为中心，半径为大约48公里范围（9,300 平方公里的覆盖范围）内设置的已启用WiMAX的计算机或路由器上。这就是WiMAX能够达到其最大传送范围的原因[13]。
2.2 wimax的关键技术
WiMAX系统具有可扩展性、安全性的特点，可以提供具有QoS保障的业务，提供高数据速率和较高的移动性支持。其关键技术也主要应用了以下几点：
1.OFDM/OFDMA技术
WiMAX支持单载波和OFDM/OFDMA三种物理层结构。其中，OFDM/OFDMA技术具有抗衰落、抗多径能力强，频谱效率高（码速率最高可达100MHz）以及成本低等优点，被认为是特别适合移动通信系统的一种技术。
通过指定每个用户可以使用OFDM所有子载波中的一个(或一组)，我们就得到了一种新的多址方式——OFDMA。OFDMA类似于常规的频分复用( FDMA) ,但它不需要FDMA中必不可少的保护频带,从而避免了频带的浪费，提高系统容量。此外，OFDMA的分配机制非常灵活，它可以根据用户业务量的大小动态分配子载波的数量（与TDMA中动态分配时隙数相似），并且可以在不同的子载波上使用不同的调制制式及发射功率，因而可以达到很高的频谱利用率。OFDM/OFDMA技术作为4G移动通信系统关键技术之一，已经得到业界普遍共识。
摘 要
Wimax,即全球微波互联接入，也叫802·16无线城域网或802.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向全网的高速连接，数据传输距离最远可达50km，具有QoS保障，传输速率高、业务丰富多样等优点。随着人们对数据通信的日益增长的高需求，Wimax必将对未来通信意义重大。研究Wimax也势必成为当今通信领域一大热潮。
WiMAX构建于高级无线技术，可以有效抵消干扰提供更多数据更大大范围的传播出去。 其中关键高级无线突破结合入移动WiMAX的标准是正交频分多址(OFDMA)技术。
论文首先简要介绍了Wimax的时代背景以及OFDM（正交频分复用）的原理以及在Wimax系统中的应用，其中主要分析了OFDM技术。首先说明了OFDM的历史背景?发展现状及趋势?研究意义和研究目的及研究方法和OFDM的基本原理?基本模型?OFDM的基本传输技术及其应用,然后展示了本课题所用的仿真工具软件MATLAB,并对其将仿真的OFDM各个模块包括信道编码?交织?调制方式?快速傅立叶变换及无线信道进行原理解析和分析,最后是对于OFDM的流程框图进行分析和在不影响研究其传输性的前提下进行简化,建立了仿真系统的模型，利用matlab进行仿真，并且对其仿真出来的数据图形进行分析理解?
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字Wimax；正交频分复用技术；解调器；matlab；仿真；
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题设计背景及意义 1
1.2 课题发展历程现状以及前景 1
1.3 本文主要研究工作和内容安排 2
第2章 wimax技术原理 4
2.1 Wimax的工作原理 4
2.2 wimax的关键技术 5
2.3 wimax的优势 6
2.4 wimax的应用 7
第3章 正交频分多路技术（OFDM）原理 8
3.1 OFDM的理论基础 8
3.2 OFDM核心算法 11
3.3 OFDM的优缺点分析 11
3.3.1 OFDM技术的优点 11
3.3.2 OFDM技术的不足 12
第4章 OFDM接收系统的设计 13
4.1 OFDM整体系统框图 13
4.2 接收系统设计 14
4.2.1串并变换 15
4.2.2 去循环前缀CP 15
4.2.3 FFT变换 17
4.2.4 并串变换 18
4.2.5 解调 18
第5章 基于MATLAB的OFDM接收系统仿真 20
5.1可行性分析 20
5.2 仿真环境MATLAB介绍 20
5.3 仿真参数设置 21
5.3.1 OFDM系统参数选择 21
5.3.2 参数设置 21
5.4 仿真结果 22
5.4.1 仿真接收系统信号程序流程图 22
5.4.2 待接收OFDM信号 23
5.4.3 信道模型 25
5.4.4 串并变换/并串变换 25
5.3.5 去循环前缀CP 26
5.4.6 快速傅里叶变换FFT 26
5.4.7 解调 27
5.5仿真结果分析 28
5.5.1比特率 28
5.5.2频谱效率 28
5.5.3误码率分析 28
第6章 总结 31
参考文献 33
致 谢 33
附录一 matlab的ofdm接收系统仿真程序 35
附录二 英文文献及翻译 40
第1章 绪论
1.1 课题设计背景及意义
在过去的20多年里，OFDM调制技术得到了广泛的关注，OFDM技术可以将一个频率选择衰减信号分解到多个子信道上，并且便于均衡。其次，OFDM技术可以使各个子信道子载波重叠从而增加频谱的利用率，因此被广泛应用到很多通信技术之中，比如ieee802.11a，ieee802.16e（wimax）和dvb-t/h中。
今年，wimax已经被认为是问题的最后解决方案，它支持无线宽带接入，作为无线局域网的延伸。可以连接wifi热点和英特网。在wimax物理层中包含3种模式：256点快速傅里叶变换，将是与信号转化为频域信号，在所有子载波当中，192个数据子载波和8个导频子载波被分配，其他被放在频谱两端作为保护间隔，最大传输速率在20mhz贷款可以达到75mbit/s.
WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。Wimax以及应用其中的ofdm技术也必将成为引领未来通信的前沿的技术，因此学习研究wimax以及ofdm技术对于我们认识通信领域的前沿科技，强化个人的专业的能力以及应用软件能力的提升有着很大的好处和意义。
1.2 课题发展历程现状以及前景
在上个世纪60年代左右已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念。1970年，美国
1971年，韦斯坦（Weinstein）和艾伯特
到二十世纪80年代，随着大规模集成数字电路和DSP技术的发展，MCM获得了突破性的进展，OFDM的核心部分FFT的实现也不再是难以逾越的屏障，一些其它难以实现的困难也部得到了解决，加之人们对无线通信高速率要求的日趋迫切，自此OFDM走上了通信的舞台，逐步迈向高速数字移动通信的领域，并且得到快速的发展。
进入90年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。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，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）、无线局域网（WLAN）以及现在很热的wimax（全球微波互联接入）技术。Ofdm技术与wimax的高效融合对未来通信的发展有着重要的意义。
1.3 本文主要研究工作和内容安排
本文介绍了wimax这一新兴通信系统的发展和背景以及wimax中应用的ofdm标准，其中主要研究了OFDM的基本原理以及ofdm的优势和ofdm接收系统的实现以及对OFDM接收系统的MATLAB仿真与分析，，重点放在了OFDM接收机系统各模块的设计与仿真，最后用MATLAB代码编写了整个OFDM基带系统仿真平台，设置好仿真参数，对该基带系统的性能进行分析，最终得到误码率（BER）与信噪比（SNR）的关系图。
内容安排如下：
第一部分主要介绍了课题研究的背景及意义，课题的发展历程现状和前景及本文研究的主要工作简单介绍。
第二部分主要介绍了wimax以及其发展背景
第三部分主要介绍了OFDM基带系统的相关原理及基本实现思想
第四部分主要介绍OFDM接受系统各模块的设计及原理介绍，采用的16QAM调制方式，IFFT变换，去CP，串并/并串变换。最终建立了一个OFDM接收系统。
第五部分，先是对MATLAB软件的一些相关知识进行简单的介绍，再借此软件通过MATLAB语言，设置相应的参数及待接收解调的OFDM符号，对OFDM接收系统进行计算机基带以及16qam信号进行仿真，并对结果进行分析。主要为了通过改变OFDM符号的信噪比（SNR），得到仿真的接收系统的不同的误比特率（BER），并作出二者的关系图。
第2章 wimax技术原理
2.1 Wimax的工作原理
WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互联接入。WiMAX也叫802·16无线城域网或802.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高[1]。
WiMax的基本工作原理如下:
从实用角度看，WiMAX的操作与无线上网相似，但是速度更快，传播距离更远，并且可供更多的用户使用。由于电话和电缆
WiMAX系统由两部分组成：
WiMAX发射塔：在概念上与手机发射塔相似。单台WiMAX发射塔可以覆盖非常大的面积－－约8,000平方公里。
WiMAX接收机：接收机和天线可以是一个小盒子或一张PCMCIA卡，也可以像如今的无线上网接入方式一样内置到膝上型电脑中。
WiMAX发射塔站可以使用高带宽的有线连接（例如T3线路）直接连接到互联网。它也可以使用视线微波链接与另一个WiMAX发射塔连接。这种与第二个发射塔的连接（经常称为回程），以及单塔所具有的约8,000平方公里的覆盖能力，使得WiMAX能够覆盖边远的农村地区
WiMAX实际上可以提供两种形式的无线服务：
一种是非视线无线上网型服务，计算机上的小天线可与发射塔连接。在这种模式下，WiMAX使用较低的频率范围－－2GHz到11GHz（与无线上网相似）。较低波长传输不容易被物理障碍物干扰，传输可以很好地衍射、弯曲或绕过障碍物。
另一种是视线型服务，安装在屋顶或电杆上的固定截抛物面天线直指WiMAX发射塔。视线型连接功率更强大、更稳定，因此可以在错误更少的情况下发送大量数据。视线型传送使用较高的频率，其范围可以达到66GHz。频率越高，干扰越少，同时又有高得多的带宽。
无线上网型接入方式局限于半径为大约6到10公里的范围（相当于65平方公里的覆盖范围，与手机的覆盖范围差不多）。通过使用更强大的视线型天线，WiMAX发射站可以将数据发送到以该发射站为中心，半径为大约48公里范围（9,300 平方公里的覆盖范围）内设置的已启用WiMAX的计算机或路由器
2.2 wimax的关键技术
WiMAX系统具有可扩展性、安全性的特点，可以提供具有QoS保障的业务，提供高数据速率和较高的移动性支持。其关键技术也主要应用了以下几点：
1.OFDM/OFDMA技术
WiMAX支持单载波和OFDM/OFDMA三种物理层结构。其中，OFDM/OFDMA技术具有抗衰落、抗多径能力强，频谱效率高（码速率最高可达100
通过指定每个用户可以使用OFDM所有子载波中的一个(或一组)，我们就得到了一种新的多址方式——OFDMA。OFDMA类似于常规的频分复用( FDMA) ,但它不需要FDMA中必不可少的保护频带,从而避免了频带的浪费，提高系统容量。此外，OFDMA的分配机制非常灵活，它可以根据用户业务量的大小动态分配子载波的数量（与TDMA中动态分配时隙数相似），并且可以在不同的子载波上使用不同的调制制式及发射功率
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