基于SIMULINK的OFDM通信系统的仿真
一、题目来源
基于SIMULINK的OFDM通信系统的仿真。
二、研究目的和意义 随着通信要求的不断增长和技术上的不断进步,宽带化已成为当今通信技术领域的主要发展方向之一。在短波电离层反射信道、对流层散射信道、移动信道、广播信道等实际信道中,由于云层、山脉和城市中林立的高层建筑的影响,会产生多径衰落现象,引起严重的符号干扰（ Intersymbol Interference ,ISI） ,限制了信息传输速率的提高。传统方法是使用自适应均衡技术来解决多径衰落的问题,但是自适应均衡器的制作、调试往往成为通信系统研制的瓶颈,而且随着传输带宽的不断增加,复杂度和成本也不断增加。正因为如此,在无线宽带接入以及第四代移动通信中OFDM技术将成为继CDMA之后的又一核心技术。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。包括以下类型：
V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多带-OFDM。
三、参考文献:
[1 ] John G P. Digital Communications Fourth Edition[M] . USA :McGray2Hill ,2001.
[2 ] 佟学俭. OFDM 移动通信技术原理[M] . 北京:人民邮电出版社,2003.
[3 ] 李建新. 现代通信系统分析与仿真—MATLAB 通信工具箱[M] . 西安:西安电子科技大学出版社, 2000.
[4 ] 周正兰. OFDM 及其链路平台的Simulink 实现[J ] . 新技术与新业务,2003 ,10.
[5 ] Gallager R G. Low2Density Parity2Check Codes[M] . Cambridge ,MA :MIT Press ,1963. Simulating Communication System of OFDM in Simul ink
OU Xin1 , GON G Y uan2qiang2 , YA N G Wan2quan3
(1. Southwese China Research Institute of Elect ronic Equipment ,National Key Lab. , 29th Institute , Chengdu 610036 , China ;
2. Chongqing City Planning establishment administ ration bureau , Chongqing 430000 ,China ;
3. School of Elect ronics and Information , Sichuan University , Chengdu 610065 ,China)
Abstract : Orthogonal f requency division multiplexing (OFDM) is a core technique in 4 G[1 ] , which is the ba2
sis of the development of multimedia service. A method for simulation of OFDM in Simulink is discussed in
detail and a model of simulation is given. By utilizing the model , we can get the result s of error rate perfor2
mance of OFDM system. By cont rast , a method for improving the performance of system is
proposed.
Key words : simulink ; OFDM; LDPC
四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向
上个世纪70年代，韦斯坦（Weistein）和艾伯特（Ebert）等人应用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶方法（FFT）研制了一个完整的多载波传输系统，叫做正交频分复用（OFDM）系统。OFDM是正交频分复用的英文缩写。正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案。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送的难题。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。但是应用OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程，而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件，因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。近些年来，集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展，以及对无线通信高速率要求的日趋迫切，OFDM技术再次受到了重视。 在上个世纪60年代已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念。19xx年，美国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，用于抵制冲激噪声和多径失真，而能充分利用带宽。这项技术最初主要用于军事通信系统。但在以后相当长的一段时间，OFDM理论迈向实践的脚步放缓了。由于OFDM各个子载波之间相互正交，采用FFT实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素部成为OFDM技术实现的制约条件。在二十世纪80年代，MCM获得了突破性进展，大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也部得到了解决，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
五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路
要进行OFDM 系统的研究,需建立一个完整的OFDM 系统. 我们采用Simulink 搭建一个OFDM 链路层系统模型. 由于多径衰落下的OFDM 信道多出现突发错误,而RS 编码特别实用于纠正突发错误,因此采用RS 编解码. 同时,发射端采用QPSK 调制方式,接受端采用相干解调. 考虑到Rayleigh 衰落和高斯信道对信号的畸变,采用信道估计和信道补偿策略 . 整个系统的流程为:产生二进制数据→经过RS 编码→QPSK调制→OFDM 系统基带信号调制并加入循环前缀→插入保护间隔→并/ 串变换→多径瑞利衰落信道→高斯信道→串/ 并变换→删除保护间隔→OFDM 系统基带信号解调并删除循环前缀→进行信道估计→进行信道补偿→进行0 删除→QPSK解调→RS 译码→进行误码率计算.
六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件及解决的办法
借用学院电子设计创新实验室即可，所有设备实验室里均有提供。相关资料可进入图书馆找到。
七、工作的主要阶段、进度与时间安排
2011.1-2011.2 查阅资料
2011.2-2011.3 设计方案确定
2011.3-2011.4 论文定稿
2011.4-2011.5 完成系统仿真
八、指导老师审查意见
第二篇：OFDM仿真毕业设计开题报告
一、OFDM的研究意义与目的：
在无线通信技术不长的发展历史中，每个发展阶段都曾出现过风行一时的核心技术。 过去的十年似乎成为了CDMA(码分多址技术)的时代，以CDMA为核心的IS-95系统成为2G技术的重要组成部分，3G技术更是成了CDMA的一统天下。
但是，近几年来，随着下一代无线通信系统的研发，OFDM(正交频分复用)技术大有取而代之之势。从WLAN到WiMAX、Flash-OFDM，从LTE到B3G，还有UWB，OFDM几乎成了新一代无线通信技术的标志。
在国外，OFDM技术的研究已经相当成熟，OFDM一直被认为未来的4G技术之一，与英特尔支持的WiMax是竞争关系。较早采用OFDM技术包括DAB(数字广播)和DVB(数字电视)。随后，宽带无线接入系统IEEE802.11g/a、802.16d/e、802.20(可能基于Flash-OFDM)也以OFDM/OFDMA技术为基础。目前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，主要应用包括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）、宽带无线接入（BWA）等。现在OFDM已有许多版本已通过测试，Sprint Nextel及其合作伙伴Clearwire的手机网络均可支持这种技术。今年年初，微软为对抗苹果推出的iPhone手机，推出Zune手机产品。这种手机就是OFDM技术应用的产物。然而技术虽然成熟，在推广上依然困难重重，大型移动通讯运营商恐怕不会欢迎采用OFDM技术的微软Zune手机，目前大型移动通讯运营商有相当一部分的收入来源于语音服务，而Zune手机作为4G技术的载体，具有互联网语音电话(VoIP)的功能。 在国内，OFDM技术近几年内也引起了移动运营商的注意，不过现在仍忙于实施EV-DO和HSPDA技术。OFDM在移动通信中的应用还处于研发阶段。不过最近在数字广播电视领域还是开始应用了。
面对应用领域日益广泛的OFDM技术，我的主要研究内容设计一个针对OFDM通信系统的实验软件,并通过对OFDM系统的仿真，更好的掌握OFDM通信系统的发射和接收的工作原理及无线通信传输信道的特点，方便深入研究OFDM系统的各方面优缺点，使其优点得到更好的应用，缺点得到改进。
二、研究的基本内容：
1. 熟悉无线通信的发展历程及发展方向，掌握多载波调制基础原理。所谓载波调制，就是把普通信号（声音、图象）加载到一定频率的高频信号上，在没有加载普通信号的高频信号时，高频信号的波幅是固定的，加载之后波幅就随着普通信号的变化而变化。通常这样就需要一整套的设备。 多载波调制，就是把普通信号加载到不同频率、不同波幅的高频信号上。
2．掌握OFDM通信系统的发射和接收的工作原理及无线通信传输信道的特点。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，且每个
载波的频谱零点都和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。OFDM的频谱示意图如图3所示。为了增加数据的吞吐量，提高数据传输速度，OFDM又采用了一种称为HOME PLUG的技术，对所有将要发送信号的载波进行合并处理，把众多的子信号合并成一个独立的传输信号进行发送。由于将传输数据分配到许多正交的子信道上，从而可以将频率选择性衰落引起的突发误码分散到不相关的子信道上，改变为随机性误码，有效地减少和克服了码间干扰带来的影响。
而无线信道的两个基本特征即多径效应和时变性。多径效应即接收机所接收到的信号是通过直射、反射、折射等不同的路径到达接收机的。这些幅度衰减和时延各不同的信号相互重叠，产生干扰，造成接收端判断错误，严重影响信号传输质量。这种特性称为信道的时间弥散性（Time Dispersion），同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性，在信号带宽接近和超过信道相干带宽处，会产生频率选择性衰落（Frequency Selective Fading）。在数字传输系统中，多径效应对传输的数字信号产生时延扩展，造成接收端码间干扰（ICI，Inter-Code Interference）。当数据传输速率非常高时，收端信号波形重叠程度将进一步加深，信号间干扰将更加严重。所以时间弥散是使无线信道传输速率受限的主要原因之一。时变性在移动通信系统中的具体体现就是多普勒频移(Doppler shift)。这样就造成了信道的频率弥散性。多普勒频移对载波频偏敏感的通信系统性能会产生很大的影响。
3．学习MATLAB语言，掌握MATLAB在现代通信中的应用。Matlab一个高级的距阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。同时MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如距阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
4．利用MATLAB软件编写界面，设计OFDM系统各个模块，开发出实验软件。在MATLAB的开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5。而且MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，他们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。最近的MATLAB7.0及以上版本就包括了一些针对仿真OFDM系统的新模块，可以是仿真能力大大提升。
三、研究步骤、方法及措施：
1.文献研究：通过对参考文献的阅读与研究，熟悉无线通信，掌握多载波调制基础原理和OFDM通信系统的发射和接受的工作原理。
2.MATLAB软件学习：对应参考文献，并通过对MATLAB软件的实践应用，熟悉MATLAB语言和软件编写界面。
3.MATLAB软件的OFDM仿真：利用MATLAB软件对OFDM系统的各个模块进行仿真，代码参考文献
各模块包括：
1）OFDM信号产生传输、
2）OFDM信道模拟、
3）OFDM原始数据重构、
4）OFDM误码率分析、
5）OFDM峰平比研究、
6）OFDM系统同步分析。
4.对仿真结果进行分析，得出OFDM技术存在的主要优缺点。 Design and Simulation of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) Signaling-Final Report.Study by:Alan C.Brooks Stephen J.Hoelzer.
四、研究工作进度：序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 时间 2007.9.28-2007.10.14 2007.10.15-2007.10.22 2007.10.23-2007.11.04 2007.11.05-2007.12.14 2007.12.15-2007.12.31 2008.1.01-2008.1.04 2008.1.05-2008.1.07 2008.1.08-2008.1.11 2008.1.12 内容 撰写论文开题报告，收集资料 上交开题报告，确定研究步骤 文献研究，翻译外文资料 各模块仿真实验，撰写论文初稿 完成论文初稿并请导师修改 修改论文，论文定稿，并请导师对定稿写出指导 意见 毕业论文交导师审定，导师对论文写出评语和推 荐意见 毕业论文评审 毕业论文答辩
五、主要参考文献：
[1] 王立宁、乐光新、詹菲.MATLAB与通信仿真.第一版.人民邮电出版社.2000
[2] 谭泽富、聂祥飞、王海宝.OFDM关键技术及应用.第一版.西南交通大学出版社.2005.5
[3] 路而红、申苹.虚拟电子实验室.第一版.人民邮电出版社.2005.5
[4] 石博强、赵金.MATLAB数学计算与工程分析范例教程.第一版.中国铁道出版社.2005.5
[5] 张家玮、盛敏、刘勤.移动通信基础.第一版.电子工业出版社.2005.10
[6] 佟学俭、罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用.第一版.人民邮电出版社.2003
[7] 楼顺天，李博菡.基于MATLAB的系统分析与设计-信号处理.西安电子科技大学出版社.2000
[8] 纪红.基于OFDM的高速无线Internet若干关键技术的研究.北京邮电大学博士论文2002
[9] 胡光锐.数字信号处理-理论、算法与实现.清华大学出版社.1977
[10] Design and Simulation of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) Signaling-Final Report.Study by:Alan C.Brooks Stephen J.Hoelzer.2001.5
[11] T Pollet, M Bladel and M Moeneclaey. BER sensitivity of OFDM systems to carrier frequency offset and Wiener phase noise. IEEE Trans. Commun.1995, 43(2/3/4): 191-193.
[12] V.K Jones and Gregory G. Raleigh, Channel Estimation For Wireless OFDM Systems, GLOBECOM 98, 1998, vol. 2, 980-985.
[13] Jan-Jaap van de Beek, Magnus Sandell and Per Ola B.rjesson, “ML Estimation of Time and Frequency Offset in OFDM Systems,” IEEE Trans. on Signal Processing, vol. 45, pp. 1800-1805, July 1997.
[14] Landstrom D, Wilsom S K and de Beek J-J, Borjesson PO, “Symbol Time Offset Estimation in Coherent OFDM Systems,” IEEE Trans. Commun, pp. 545-549, April 2002.