基于MATLAB平台多载波宽带无线通信系统的仿真实现
基于MATLAB平台多载波宽带无线通信系统的仿真实现[20200131184359]
摘要
近年来随着社会的快速发展，相应的无线通信技术也在快速的发展。现今已经进入了移动无线通信3G时代，并向着4G时代进军。3G移动通信系统的传输速率可高达几百Mb/s，但是仍然是区域性通信系统。无线通信系统的突出特点之一是存在多径时延性，这限制了数据传输速率的提高，并影响了数据传输的可靠性。高速数据传输的解决方法之一是ODFM技术，ODFM技术是4G移动通信的三大关键技术之一。OFDM技术的成熟标志着4G时代的来临。
首先，本文论述现有无线信道中存在的多径时延性的特点，介绍多载波调试的原理，着重介绍OFDM技术。
然后，介绍OFDM技术的基本原理，对OFDM技术中的IDFT/DFT、循环前缀、同步、信道编码与交织技术进行系统的介绍。
最后，通过MATLAB的仿真系统的平台，对OFDM系统的各项性能进行分析和研究，并通过仿真验证OFDM技术在通信信道性能方面的优越性。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:正交频分复用多载波信道编码
目录
一、绪论 1
（一）无线通信系统的发展 1
（二）无线信道的特征 2
(三)多载波技术 3
二、OFDM系统的介绍 4
（一）OFDM系统基本原理 4
（二）OFDM系统中的关键技术 6
三、OFDM系统中的信道编码技术 11
（一）分组编码 11
（二）空时编码 13
（三）交织技术 13
四、OFDM系统的MATLAB仿真 13
总结 22
致谢 23
主要参考文献 24
一、绪论
（一）无线通信系统的发展
无线通信越来越广泛地渗透到每个人的日常生活中。成为世界各国最主要的高新技术支柱产业之一；同时人们对无线通信的各种需求与曰俱增，也推动了无线通信的飞速发展。可以预计，未来的无线通信将会具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利，其网络结构也将发生根本的变化。根据无线通信每10年发展一代的特点，20世纪90年代末自ITU-R推出3G移动通信的标准之后，各个国家和地区为了在下一代无线通信系统的标准中占有一席之地，纷纷启动了新一代无线通信系统的技术和标准化研究工作。有关新一代无线通信系统的名称目前尚不统一，这些名称有4G、Beyond30、BeyondlMT．2000等多种，在本文中，我们将其统称为4G无线通信系统。
所有技术的发展都不可能在一夜之间实现，从GSM、GPRS到第4代，需要不断演进，而且这些技术可以同时存在。人们都知道最早的移动通信电话用的模拟蜂窝通信技术，这种技术只能提供区域性语音业务，而且通话效果差、保密性能也不好，用户的接听范围也是很有限。随着移动电话迅猛发展，用户增长迅速，传统的通信模式已经不能满足人们通信的需求，在这种情况下就出现了GSM通信技术，该技术用的是窄带TDMA，允许在一个射频（即‘蜂窝’）同时进行8组通话。它是根据欧洲标准而确定的频率范围在900～1800MHz之间的数字移动电话系统，频率为1800MHz的系统也被美国采纳。GSM是1991年开始投入使用的。到1997年底，已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。GSM数字网也具有较强的保密性和抗干扰性，音质清晰，通话稳定，并具备容量大，频率资源利用率高，接口开放，功能强大等优点。不过它能提供的数据传输率仅为9.6kbit/s，和五、六年前用固定电话拨号上网的速度相当，而当时的internet几乎只提供纯文本的信息。而时下正流行的数字移动通信手机是第二代（2G），一般采用GSM或CDMA技术。第二代手机除了可提供所谓“全球通”话音业务外，已经可以提供低速的数据业务了，也就是收发短消息之类。虽然从理论上讲，2G手机用户在全球范围都可以进行移动通信，但是由于没有统一的国际标准，各种移动通信系统彼此互不兼容，给手机用户带来诸多不便。
针对GSM通信出现的缺陷，人们在2000年又推出了一种新的通信技术GPRS，该技术是在GSM的基础上的一种过渡技术。GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步，GPRS在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务。
在这之后，通信运营商们又要推出EDGE技术，这种通信技术是一种介于现有的第二代移动网络与第三代移动网络之间的过渡技术，因此也有人称它为“二代半”技术，它有效提高了GPRS信道编码效率的高速移动数据标准，它允许高达384KbPs的数据传输速率，可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求。EDGE提供了一个从GPRS到第三代移动通信的过渡性方案，从而使现有的网络运营商可以最大限度地利用现有的无线网络设备，在第三代移动网络商业化之前提前为用户提供个人多媒体通信业务。在新兴通信技术的不断推动之下，象征着3G通信的标志技术WCDMA成为通信技术的主流。该技术能为用户带来了最高2Mbit/s的数据传输速率，在这样的条件下，计算机中应用的任何媒体都能通过无线网络轻松的传递。WCDMA通过有效的利用宽频带，不仅能顺畅的处理声音、图像数据还能与互联网快速连接；此外WCDMA和MPEG-4技术结合起来还可以处理真实的动态图像。人们之间沟通的瓶颈会由网络传输速率转变为各种新型应用的提供：如何让无线网络更好的为人们服务而不是给人们带来骚扰，如何让每个人都能从信息的海洋中快速的得到自己需要的信息，如何能够方便的携带、使用各种终端设备，各种终端设备之间如何更好的自动协同工作等等。在上述通信技术的基础之上，无线通信技术最终可迈向4G通信技术时代。
不管哪一个无线通信时代，主要的还是无线信道的技术。
（二）无线信道的特征
1．多径效应
无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现了。原则上，任何频率的电磁波都可以产生。但是除了在外层空间两个飞船的无线电收发信机之间的电磁波传播是在自由空间传播外，在无线电收发机之间的电磁波传播总是受到地面和大气层的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。如果各条路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号的包络服从瑞利(Rayleigh)分布。瑞利分布是用于描述平坦衰落或独立多径分量情况下接收信号包络统计特性的一种典型分布类型。如果发射机和接收机之间的多径传播中存在一个主要的静态信号(非衰落)分量，还存在视距传播路径，则接收信号的包络服从莱斯(Rice)分布。这种情况下，从不同角度随机到达的多径分量叠加在静态的主要信号上，接收机包络检波器的输出端会在随机多径分量上叠加一个直流分量。
移动体(如汽车)往来于建筑群与障碍物之间，其接收信号的强度，将由各直射波和反射波叠加合成。多径效应会引起信号衰落。各条路径的电长度会随时间而变化，故到达接收点的各分量场之间的相位关系也是随时间而变化的。这些分量场的随机干涉，形成总的接收场的衰落。各分量之间的相位关系对不同的频率是不同的。因此，它们的干涉效果也因频率而异，这种特性称为频率选择性。在宽带信号传输中，频率选择性可能表现明显，形成交调。与此相应，由于不同路径有不同时延，同一时刻发出的信号因分别沿着不同路径而在接收点前后散开，而窄脉冲信号则前后重叠。
2．衰减作用
电磁波在大气层内传播时会受到大气的影响。大气（主要是其中的氧气和水蒸气）及降水都会吸收和散射电磁波，使频率在1GHz以上的电磁波的传播衰减显著增加。电磁波的频率越高，传播衰减越严重。由于到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反）。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。
此外，接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值（平均值）也会出现缓慢变化。变化的原因主要有两方面：一是地区位置的改变；二是由于气象条件变化，大气的条件发生缓变，以致电波的折射传播随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落。
3．时变性
无线信道的时变性是由发射杌和接收机的相对运动或者信道中其他物体的运动引起的。描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒扩展和相干时间。当无线电发射机与接收机相对运动时，接收信号的频率将发生偏移。当两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率：当两者做反向运动时，接收信号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应。
多普勒扩展描述了无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱展宽程度。当发射机在无线信道上发送一个频率为^的单频正弦波时，由于前述的多普勒效应，接收信号的频谱被展宽，将包含频率为五一五～磊+五的频谱分量，其中五为多普勒频移，这一频谱称为多普勒频谱。接收信号的多普勒频谱上不等于0的频率范围定义为多普勒扩展，用目来表示。如果所传送的基带信号的带宽E远大于易，则在接收机中多普勒扩展的影响可忽略，这种信道可看作慢衰落信道。
摘要
近年来随着社会的快速发展，相应的无线通信技术也在快速的发展。现今已经进入了移动无线通信3G时代，并向着4G时代进军。3G移动通信系统的传输速率可高达几百Mb/s，但是仍然是区域性通信系统。无线通信系统的突出特点之一是存在多径时延性，这限制了数据传输速率的提高，并影响了数据传输的可靠性。高速数据传输的解决方法之一是ODFM技术，ODFM技术是4G移动通信的三大关键技术之一。OFDM技术的成熟标志着4G时代的来临。
首先，本文论述现有无线信道中存在的多径时延性的特点，介绍多载波调试的原理，着重介绍OFDM技术。
然后，介绍OFDM技术的基本原理，对OFDM技术中的IDFT/DFT、循环前缀、同步、信道编码与交织技术进行系统的介绍。
最后，通过MATLAB的仿真系统的平台，对OFDM系统的各项性能进行分析和研究，并通过仿真验证OFDM技术在通信信道性能方面的优越性。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:正交频分复用多载波信道编码
目录
一、绪论 1
（一）无线通信系统的发展 1
（二）无线信道的特征 2
(三)多载波技术 3
二、OFDM系统的介绍 4
（一）OFDM系统基本原理 4
（二）OFDM系统中的关键技术 6
三、OFDM系统中的信道编码技术 11
（一）分组编码 11
（二）空时编码 13
（三）交织技术 13
四、OFDM系统的MATLAB仿真 13
总结 22
致谢 23
主要参考文献 24
一、绪论
（一）无线通信系统的发展
无线通信越来越广泛地渗透到每个人的日常生活中。成为世界各国最主要的高新技术支柱产业之一；同时人们对无线通信的各种需求与曰俱增，也推动了无线通信的飞速发展。可以预计，未来的无线通信将会具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利，其网络结构也将发生根本的变化。根据无线通信每10年发展一代的特点，20世纪90年代末自ITU-R推出3G移动通信的标准之后，各个国家和地区为了在下一代无线通信系统的标准中占有一席之地，纷纷启动了新一代无线通信系统的技术和标准化研究工作。有关新一代无线通信系统的名称目前尚不统一，这些名称有4G、Beyond30、BeyondlMT．2000等多种，在本文中，我们将其统称为4G无线通信系统。
所有技术的发展都不可能在一夜之间实现，从GSM、GPRS到第4代，需要不断演进，而且这些技术可以同时存在。人们都知道最早的移动通信电话用的模拟蜂窝通信技术，这种技术只能提供区域性语音业务，而且通话效果差、保密性能也不好，用户的接听范围也是很有限。随着移动电话迅猛发展，用户增长迅速，传统的通信模式已经不能满足人们通信的需求，在这种情况下就出现了GSM通信技术，该技术用的是窄带TDMA，允许在一个射频（即‘蜂窝’）同时进行8组通话。它是根据欧洲标准而确定的频率范围在900～1800MHz之间的数字移动电话系统，频率为1800MHz的系统也被美国采纳。GSM是1991年开始投入使用的。到1997年底，已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。GSM数字网也具有较强的保密性和抗干扰性，音质清晰，通话稳定，并具备容量大，频率资源利用率高，接口开放，功能强大等优点。不过它能提供的数据传输率仅为9.6kbit/s，和五、六年前用固定电话拨号上网的速度相当，而当时的internet几乎只提供纯文本的信息。而时下正流行的数字移动通信手机是第二代（2G），一般采用GSM或CDMA技术。第二代手机除了可提供所谓“全球通”话音业务外，已经可以提供低速的数据业务了，也就是收发短消息之类。虽然从理论上讲，2G手机用户在全球范围都可以进行移动通信，但是由于没有统一的国际标准，各种移动通信系统彼此互不兼容，给手机用户带来诸多不便。
针对GSM通信出现的缺陷，人们在2000年又推出了一种新的通信技术GPRS，该技术是在GSM的基础上的一种过渡技术。GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步，GPRS在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务。
在这之后，通信运营商们又要推出EDGE技术，这种通信技术是一种介于现有的第二代移动网络与第三代移动网络之间的过渡技术，因此也有人称它为“二代半”技术，它有效提高了GPRS信道编码效率的高速移动数据标准，它允许高达384KbPs的数据传输速率，可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求。EDGE提供了一个从GPRS到第三代移动通信的过渡性方案，从而使现有的网络运营商可以最大限度地利用现有的无线网络设备，在第三代移动网络商业化之前提前为用户提供个人多媒体通信业务。在新兴通信技术的不断推动之下，象征着3G通信的标志技术WCDMA成为通信技术的主流。该技术能为用户带来了最高2Mbit/s的数据传输速率，在这样的条件下，计算机中应用的任何媒体都能通过无线网络轻松的传递。WCDMA通过有效的利用宽频带，不仅能顺畅的处理声音、图像数据还能与互联网快速连接；此外WCDMA和MPEG-4技术结合起来还可以处理真实的动态图像。人们之间沟通的瓶颈会由网络传输速率转变为各种新型应用的提供：如何让无线网络更好的为人们服务而不是给人们带来骚扰，如何让每个人都能从信息的海洋中快速的得到自己需要的信息，如何能够方便的携带、使用各种终端设备，各种终端设备之间如何更好的自动协同工作等等。在上述通信技术的基础之上，无线通信技术最终可迈向4G通信技术时代。
不管哪一个无线通信时代，主要的还是无线信道的技术。
（二）无线信道的特征
1．多径效应
无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现了。原则上，任何频率的电磁波都可以产生。但是除了在外层空间两个飞船的无线电收发信机之间的电磁波传播是在自由空间传播外，在无线电收发机之间的电磁波传播总是受到地面和大气层的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。如果各条路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号的包络服从瑞利(Rayleigh)分布。瑞利分布是用于描述平坦衰落或独立多径分量情况下接收信号包络统计特性的一种典型分布类型。如果发射机和接收机之间的多径传播中存在一个主要的静态信号(非衰落)分量，还存在视距传播路径，则接收信号的包络服从莱斯(Rice)分布。这种情况下，从不同角度随机到达的多径分量叠加在静态的主要信号上，接收机包络检波器的输出端会在随机多径分量上叠加一个直流分量。
移动体(如汽车)往来于建筑群与障碍物之间，其接收信号的强度，将由各直射波和反射波叠加合成。多径效应会引起信号衰落。各条路径的电长度会随时间而变化，故到达接收点的各分量场之间的相位关系也是随时间而变化的。这些分量场的随机干涉，形成总的接收场的衰落。各分量之间的相位关系对不同的频率是不同的。因此，它们的干涉效果也因频率而异，这种特性称为频率选择性。在宽带信号传输中，频率选择性可能表现明显，形成交调。与此相应，由于不同路径有不同时延，同一时刻发出的信号因分别沿着不同路径而在接收点前后散开，而窄脉冲信号则前后重叠。
2．衰减作用
电磁波在大气层内传播时会受到大气的影响。大气（主要是其中的氧气和水蒸气）及降水都会吸收和散射电磁波，使频率在1GHz以上的电磁波的传播衰减显著增加。电磁波的频率越高，传播衰减越严重。由于到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反）。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。
此外，接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值（平均值）也会出现缓慢变化。变化的原因主要有两方面：一是地区位置的改变；二是由于气象条件变化，大气的条件发生缓变，以致电波的折射传播随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落。
3．时变性
无线信道的时变性是由发射杌和接收机的相对运动或者信道中其他物体的运动引起的。描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒扩展和相干时间。当无线电发射机与接收机相对运动时，接收信号的频率将发生偏移。当两者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率：当两者做反向运动时，接收信号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应。
多普勒扩展描述了无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱展宽程度。当发射机在无线信道上发送一个频率为^的单频正弦波时，由于前述的多普勒效应，接收信号的频谱被展宽，将包含频率为五一五～磊+五的频谱分量，其中五为多普勒频移，这一频谱称为多普勒频谱。接收信号的多普勒频谱上不等于0的频率范围定义为多普勒扩展，用目来表示。如果所传送的基带信号的带宽E远大于易，则在接收机中多普勒扩展的影响可忽略，这种信道可看作慢衰落信道。
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