OFDM通信系统仿真设计

理工大学学士学位论文

摘 要

OFDM (正交频分复用)是将高速的数据流分解成许多低速率的子数据流，利用相互正交且重叠的多个子载波同时传输。它的主要优点是多径失真低，抗符号间干扰(ISI)能力强，频带利用率很高。

本文首先对OFDM的历史及其发展过程进行了介绍，之后对其基本原理和应用进行了讲解，而后依据OFDM通信系统工作原理，采用LabVIEW软件实现OFDM通信系统仿真，包括：串并转换、数字调制、IFFT、D/A、射频调制、仿真信道、解调、A/D、FFT、数字解调、并串转换等模块。最后，对设计的OFDM系统进行性能分析，包括误码率分析和峰均比分析等。

本论文主要由四部分构成:OFDM的国内外现状和优缺点，采用LabVIEW软件实现OFDM通信系统仿真，和对OFDM系统性能进行分析包括误码率分析和峰均比分析等。在OFDM的国内外现状部分，介绍了OFDM的提出、发展和应用还有它的优缺点。在OFDM的原理及应用部分，首先简单描述了一下OFDM系统的组成原理，然后详细讲述了OFDM的原理包括系统模型。第三、四部分是本文的重点，对OFDM系统的各阶段模块进行实现，之后在此基础上对其结果数据加以分析再对误码率和峰均比进行分析得出结论。

本文完成了对一个OFDM系统性能的仿真，同时为该系统的具体实现提供了有用的数据。

关键词:正交频分复用；OFDM；仿真；性能分析；

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Abstract

OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) is the high.speed data stream is divided into many low rate data stream, using a number of orthogonal and overlapped subcarriers transmitted simultaneously. Its main advantage is low multipath distortion, resistance to intersymbol interference (ISI) ability, high spectral efficiency.

The performance for theOFDM system on the computer using the Labview simulation and analysis.The graduation design, I need to do is to master the working principle of OFDM communication system, realize the OFDM communication system simulation, using LabVIEW software, including: string and conversion, digital modulation, IFFT, D\\/A, RF modulation, demodulation, channel simulation, A\\/D, FFT, digital demodulation, and string conversion module. Performance analysis of OFDM system design, including the analysis of bit error rate and peak average ratio analysis.

This thesis consists of four parts: including the history of OFDM and its development process, the principle and application of OFDM, implementation of OFDM communication system simulation, using LabVIEW software: string and conversion, digital modulation, IFFT, D\\/A, RF modulation, demodulation, channel simulation, A\\/D, FFT, digital demodulation, and string conversion module and analysis includes the analysis of bit error rate and the PAPR of OFDM system performance analysis. In the OFDM's history and developing process, is introduced, the development and application of OFDM. The principle and application of

OFDM, gives a brief description of the principle of the OFDM system, and then describes in detail the system model includes the principle of OFDM, the system model consists ofdiscrete system and continuous system model. The three or four part, is the focus of this paper, for the realization of the various stages of module of the OFDM system, then based on the data of the results were analyzed and the bit error rate and peak.to.average ratio analysis concluded.

This paper completed the simulation of the performance of a OFDM system. At the same time provide useful data for the concrete realization of the system.

Key words: orthogonal frequency division multiplexing; OFDM; simulation; performance analysis;

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目 录

1 绪论 ........................................................................................................................................ 5

1.1 OFDM国内外现状 ....................................................................................................... 5 1.2 OFDM系统的优缺点 ................................................................................................... 7 2 OFDM系统原理 ..................................................................................................................... 9

2.1 OFDM的系统构成 ..................................................................................................... 10

2.1.1 OFDM系统组成原理框图 ............................................................................ 10 2.1.2 DFT的实现 .................................................................................................... 11 2.1.3 保护间隔、循环前缀和子载波数的选择 .................................................... 12 2.1.4 子载波调制与解调 ........................................................................................ 14 2.2 系统模型 .................................................................................................................... 15

2.2.1 连续系统模型 ................................................................................................ 15 2.2.2 离散系统模型 ................................................................................................ 20 2.3 OFDM系统的关键技术 ............................................................................................. 22

2.3.1 时域和频域同步 ............................................................................................ 22 2.3.2 信道估计 ........................................................................................................ 22 2.3.3 信道编码和交织 ............................................................................................ 22 2.3.4 降低峰均功率比 ............................................................................................ 23

3 OFDM系统的仿真实现 ....................................................................................................... 24

3.1 OFDM信号的时域及频域波形 .............................................................................. 24 3.2 带外功率辐射以及加窗技术 .................................................................................. 27 3.3 Labview环境下系统设计与仿真 ........................................................................... 31

3.3.1 OFDM系统主界面和后面版的设计 ............................................................ 31 3.3.2 系统仿真实现 ................................................................................................ 33 3.3.3 系统中调制解调子程序设计 ........................................................................ 36 3.3.4 系统不同信道干扰方式的仿真实现 ............................................................ 40

4 OFDM系统的性能分析 ....................................................................................................... 41

4.1 OFDM系统误码率分析 .......................................................................................... 41

4.1.1 不同信道环境下的误码特性 ........................................................................ 41

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4.1.2 不同系统实现方式下的误码特性 ................................................................ 45 4.2 降低OFDM系统峰均比方法 ................................................................................. 46

4.2.1 选择性映射法 ................................................................................................ 46 4.2.2 部分传输序列（PTS）法 ............................................................................. 48

结论 .......................................................................................................................................... 52 致谢 .......................................................................................................................................... 53 参考文献 .................................................................................................................................. 54 附录A 英文原文 .................................................................................................................... 55 附录B 汉语翻译 .................................................................................................................... 59

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1 绪论

1.1 OFDM国内外现状

现代移动通信是一门复杂的技术，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络接收和计算机技术的许多成果。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此同时，其它发达国家也相继开发出蜂窝式公共移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展,这个系统一般被当作是第一代移动通信系统。

从20世纪80年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝模拟网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。80年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统（GSM：Global System for Mobile）。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。20世纪90年代初，美国Qualcomm公司推出了窄带码分多址（CDMA：Code.Division Multiple Access）蜂窝移动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义的事件。从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。

第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们正在制定第三代（3G）移动通信系统。但是由于3G系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍认为第三代系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们已经把目光越来越多得投向超三代（beyong 3G）的移动通信系统中，使其可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求。若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，三代以后的移动通信系统则以正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）最受瞩目，特别是有不少专家学者针对OFDM技术在无线通信技术上的应用，提供了相关的理论基础，例如无线区域环路（WLL：Wireless Local Loop）、数字音讯广播（DAB: Digital Audio

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