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基于MATLAB的OFDM系统仿真及分析

正交频分复用(OFDM) 是第四代移动通信的核心技术。该文首先简要介绍了OFDM的发展状况及基本原理, 文章对OFDM 系统调制与解调技术进行了解析,得到了OFDM 符号的一般表达式,给出了OFDM 系统参数设计公式和加窗技术的原理及基于IFFT/FFT 实现的OFDM 系统模型,阐述了运用IDFT 和DFT 实现OFDM 系统的根源所在,重点研究了理想同步情况下,保护时隙(CP)、加循环前缀前后和不同的信道内插方法在高斯信道和多径瑞利衰落信道下对OFDM系统性能的影响。在给出OFDM系统模型的基础上,用MATLAB语言实现了传输系统中的计算机仿真并给出参考设计程序。最后给出在不同的信道条件下,研究保护时隙、循环前缀、信道采用LS估计方法对OFDM系统误码率影响的比较曲线,得出了较理想的结论。
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摘要
正交频分复用(OFDM) 是第四代移动通信的核心技术。该文首先简要介绍
了OFDM的发展状况及基本原理, 文章对OFDM 系统调制与解调技术进行了解
析,得到了OFDM 符号的一般表达式,给出了OFDM 系统参数设计公式和加
窗技术的原理及基于IFFT/FFT 实现的OFDM 系统模型,阐述了运用IDFT 和
DFT 实现OFDM 系统的根源所在,重点研究了理想同步情况下,保护时隙(CP)、
加循环前缀前后和不同的信道内插方法在高斯信道和多径瑞利衰落信道下对
OFDM系统性能的影响。在给出OFDM系统模型的基础上,用MATLAB语言实现
了传输系统中的计算机仿真并给出参考设计程序。最后给出在不同的信道条件
下,研究保护时隙、循环前缀、信道采用LS估计方法对OFDM系统误码率影响的
比较曲线,得出了较理想的结论。
关键词:
正交频分复用;仿真;循环前缀;信道估计

Title: MATLAB Simulation and Performance Analysis of OFDM System
ABSTRACT
OFDM is the key technology of 4G in the field of mobile communication. In this
article OFDM basic principle is briefly introduced. This paper analyzes the
modulation and demodulation of OFDM system, obtaining a general expression of
OFDM mark, and giving the design formulas of system parameters, principle of
windowing technique, OFDM system model based on IFFT/FFT, the origin which
achieves the OFDM system by using IDFT and DFT. Then, the influence of CP and
different channel estimation on the system performance is emphatically analyzed
respectively in Gauss and Rayleigh fading channels in the condition of ideal
synchronization. Besides, based on the given system model OFDM system is
computer simulated with MATLAB language and the referential design procedure is
given. Finally, the BER curves of CP and channel estimation are given and compared.
The conclusion is satisfactory.
KEYWORDS:OFDM; Simulation; CP; Channel estimation

目 次
1 概述..................................................................................................................................................1
1.1 OFDM 的发展及其现状......................................................................................................2
1.2 OFDM 的优缺点..................................................................................................................2
2 OFDM 的基本原理..........................................................................................................................4
2.1 基于 IFFT/FFT 的 OFDM 系统模型...................................................................................4
2.2 OFDM 信号的频谱特性......................................................................................................7
2.3 0FDM 系统调制与解调解析...............................................................................................8
2.4 加窗.....................................................................................................................................11
3 循环前缀及信道估计对系统误码率的改善分析.......................................................................14
3.1 循环前缀.............................................................................................................................14
3.2 OFDM 系统的峰值平均功率比........................................................................................19
3.3 信道估计.............................................................................................................................20
3.3.1 信道估计概述..........................................................................................................20
3.3.2 基于导频的信道估计方法......................................................................................21
3.3.3 信道的插值方法......................................................................................................22
3.3.4 仿真结果及分析......................................................................................................23
结 论..................................................................................................................................................24
致 谢..................................................................................................................................................25
参 考 文 献.......................................................................................................................................26
附 录..................................................................................................................................................28

1 概述
随着移动通信和无线因特网需求的不断增长,越来越需要高速无线系统设
计,而这其中的一个最直接的挑战就是克服无线信道带来的严重的频率选择性
衰落。正交频分复用(OFDM)技术可以很好地克服无线信道的频率选择性衰
落,由于其简单高效,OFDM已成为实现未来无线高速通信系统中最核心的技
术之一。
现代移动通信发展至今,已经经历了三代,而3G 的后续技术也在加速研究
中。目前,国际标准化组织正在推动无线传输技术从 2Mb/s 的传输速率向
100Mb/s 和1000Mb/s 的目标发展,对4G 的定义也已经逐渐清晰起来。基本上
可以确定,OFDM/OFDMA、MIMO和智能天线等技术将成为4G 的主流技术。
OFDM 相关的技术很多, 实际应用中的OFDM 复杂度很高。因此, 建立适合
自己研究方向的OFDM 模型, 无论是为了理解OFDM 技术的理论,还是对后
续的OFDM 与其他技术相结合的研究工作,都有着非常重要意义。
OFDM是一种特殊的多载波调制技术,它利用载波间的正交性进一步提高频
谱利用率,而且可以抗窄带干扰和多径衰落。多载波调制原理最早在20 世纪60
年代中期由Collins kinep lex 提出。70 年代,主要用于美国军用无线高频通信系
统;80 年代,OFDM的研究主要用在高速调制解调器、数字移动通信及高密度录
音带中;90 年代以后,OFDM主要用在非对称的数字用户环路(ADSL) 、ETSI 标
准的数字音广播(DAB) 、数字视频广播(DVB) 、高清晰度电视(HDTV) 、无线
局域网(WLAN)等。OFDM与CDMA技术结合主要有两种形式, 一种是多载波
CDMA(MC-CDMA) , 一种是多载波直扩CDMA (MC-DS-CDMA) 。前者是频域
扩展和多载波调制技术相结合,后者是时域扩展和多载波调制技术相结合。
OFDM通过多个正交的子载波将串行的数据并行传输,可以增大码元的宽度,
减少单个码元占用的频带,抵抗多径引起的频率选择性衰落;可以有效克服码间
串扰( ISI) ,降低系统对均衡技术的要求,适用于多径环境和衰落信道中的高速数
据传输;而且信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。
这些方案都是基于OFDM 之上的, 因此, 研究OFDM系统的性能就显得非常必要。
本文首先简要介绍OFDM基本原理,在这个基础上建立了OFDM仿真模型,然后通

过加保护时隙及进行信道估计, 分析OFDM 系统在AWGN和多径Rayleigh衰落信
道下不用的插入算法的性能,最后给出仿真结果。
1.1 OFDM 的发展及其现状
OFDM 是一种特殊的多载波频分复用(FDM)技术。在传统的多载波频分复
用系统中,各个子信道采用不同的载波并行传送数据,子载波之间间隔足够远,
采用隔离带来防止频谱重叠,故频谱效率很低。在均衡器未被采用以前,人们
就是用这种多载波方式在时间色散信道中进行高速通信的。
1966 年,R.W.Chang 分析了在多载波通信系统中如何使经过滤波后带限的
子载波保持正交。随后不久 B.R.Saltzberg 给出了一篇性能分析的文章,他指出
在设计一个有效的并行传输系统时,应该把注意力更多地集中在减少相邻信道
的串扰上,而不是使各个独立的信道工作得更好,因为此时信道串扰是造成信
号失真的主要因素。1971 年,S.B.Weinstein 和 P.M.Ebert 提出用傅立叶变换
(DFT)进基带 OFDM 调制和解调。通过 DFT 进行 OFDM 基带调制和解调避免了
生成多个子载波和多个窄带带通滤波器,使系统的模拟前端由多个变为一个,
同时由于 DFT 可以用 FFT 来快速实现,这进一步降低了系统实现的复杂度。为
对抗符号间干扰和载波闻干扰,他们提出在符号间插入一段空白时隙作为保护
间隔。他们的系统虽然没有能在色散信道中获得很好的子载波正交性,但对
OFDM 仍是一个很大贡献。另一个重要贡献来自 A.Peled 和 A.Rmz,他个人提
出了采用循环前缀来解决色散信道中子载波间的正交性问题。当信道响应长度
小于循环扩展时,循环前缀的存在使信号与信道响应的线性卷积变成循环卷积,
从而使色散 OFDM 信号可以通过频域单点均衡进行去相关。当然,循环扩展的
引入会导致少量的信噪比损失。由于无线信道的多径传播会使宽带 OFDM 信号
产生频率选择性衰落,导致各个子信道上的信噪比不同,因此实际的 OFDM 系
统都是与交织、纠错编码结合在一起,形成编码的正交频分复用(COFDM)。交
织和编码能够使 OFDM 系统获得良好的频率和时间二维分集。
1.2 OFDM 的优缺点
虽然OFDM已经得到广泛的应用,但是在使用中我们也要清楚的认识到它的
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