OFDM调制解调系统的设计讲课稿.doc
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1、OFDM调制解调系统的设计精品文档 南华大学电气工程学院 通信原理课程设计设计题目: OFDM调制解调系统的设计 专 业: 电子信息工程 学生姓名: 谭晓倩 学 号: 20114470203 起迄日期: 2014年5月24日2014年6月6日指导教师: 李 圣 系主任: 陈忠泽 收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 通信原理课程设计任务书1课程设计的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作要求等):(0)通信原理课程设计的目的:巩固并拓展现代通信原理的基本概念、基本理论、分析方法和实现方法。结合EDA技术、数字通信技术、电子技术、仿真技术,学习现代通信系统的建模和设计方法,使学生理论结合实际,
2、提升创新思维和设计能力,增强软件编程仿真能力和解决实际问题的动手能力。(1)技术要求1)用VHLD语言对OFDM频带传输系统进行设计与建模。2)用C或者Matlab语言编程设计2FSK频带传输系统的各个功能模块,并分析该系统在加性高斯噪声信道下的性能。(2)工作要求:查阅参考文献,利用通信原理基本理论,分析系统工作原理,设计系统方框图;掌握计算机辅助设计方法,利用Matlab/Simulink、Systemview、Multisim、MaxPlusIII、QuartusII等软件进行仿真设计,具备独立设计能力;熟悉通信系统的调试和测量方法;掌握电子电路安装调试技术,选择合适的元器件搭接实际电路
3、,掌握电路的测试和故障排除方法,提高分析问题和解决问题的能力。不能直接从网上或其他资料下载拷贝,一旦发现雷同35%以上,则相关雷同设计的成绩都为不及格。按时完成设计报告;提交的电子稿必须在附录中含有全套仿真源文件、或设计原图(电子稿是以“学生学号姓名”为命名的压缩文件);并提交纸质设计报告书。随机抽查,并进行最后答辩。2对课程设计成果的要求包括图表(或实物)等硬件要求:用Matlab等编程语言实现时,写出详细的注释,并画出各种信号的时域频域波形。设计电路,安装调试或仿真,分析实验结果,并写出设计说明书,语言流畅简洁,文字35005000字。仿真设计类要求有仿真流程图、调试时的电脑屏幕截图;实物
4、设计类要求图纸布局合理,符合工程要求,使用Protel软件绘出原理图(SCH)和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。3主要参考文献:1 樊昌信.通信原理(第6版)M.北京:电子工业出版社,2012,12.2 樊昌信,曹丽娜 .通信原理教程(第3版)M.北京:国防工业出版社,2006,9.3 刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真M.北京:电子工业出版社,2011,11.4 张水英,徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真M.北京:人民邮电出版社,2012,9.5 赵鸿图,茅艳.通信原理MATLAB仿真教程M.北京:人民邮电出版社,2010,11.6
5、赵静,张瑾.基于MATLAB的通信系统仿真M.北京:北京航空航天大学出版社,2010,1.7 黄智伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析(修订版)M.北京:电子工业出版社,2011, 6.4课程设计工作进度计划:序号起 迄 日 期工 作 内 容2014.5.242014.5.27查阅资料,系统方案设计2014.5.282014.6.1用编程语言、或者仿真软件进行设计2014.6.22014.6.4程序、软件、实物的调试,排除故障,分析实验结果2014.6.5 2014.6.6分析总结,整理设计报告主指导教师李圣日期: 2014 年 5 月 20日附件二:通信原理课程设计设
6、计说明书格式一、纸张和页面要求A4纸打印;页边距要求如下:页边距上下各为2.5 厘米,左右边距各为2.5厘米;行间距取固定值(设置值为20磅);字符间距为默认值(缩放100%,间距:标准)。二、说明书装订页码顺序(1)任务书 (2)论文正文:包括中英文摘要、目录、绪论、方案设计、硬软件设计调试(仿真过程设计及调试)、分析结论 (3)参考文献(5篇以上),(4)附 录三、课程设计说明书撰写格式 见范例范例设计任务及指标 (黑体四号) (首行缩进两个字,宋体小四号)1 (黑体四号)正文(首行缩进两个字,宋体小四号)1.1(空一格) (黑体小四号)正文(首行缩进两个字,宋体小四号)1.2 、 正文(
7、首行缩进两个字,宋体小四号)2 (黑体四号)正文(首行缩进两个字,宋体小四号)2.1 、, (黑体小四号)正文(首行缩进两个字,宋体小四号)2.1.1, (楷体小四号)正文(首行缩进两个字,宋体小四号)(1) 图1. 工作波形示意图(图题,居中,宋体五号)5 结论(黑体四号) (首行缩进两个字,宋体小四号)参考文献(黑体四号、顶格)参考文献要另起一页,一律放在正文后,不得放在各章之后。只列出作者直接阅读过或在正文中被引用过的文献资料,作者只写到第三位,余者写“等”,英文作者超过3人写“et al”。几种主要参考文献著录表的格式为:专(译)著:序号著者.书名(译者)M.出版地:出版者,出版年:起
8、止页码.期 刊:序号著者.篇名J.刊名,年,卷号(期号):起止页码.论 文 集:序号著者.篇名A编者.论文集名C .出版地:出版者,出版者. 出版年:起止页码.学位论文:序号著者.题名D .保存地:保存单位,授予年.专利文献:专利所有者.专利题名P .专利国别:专利号,出版日期.标准文献:序号标准代号 标准顺序号发布年,标准名称S .报 纸:责任者.文献题名N.报纸名,年月日(版次).附 录(居中,黑体四号) (首行缩进两个字,宋体小四号。另起一页。附录的有无根据说明书(设计)情况而定,内容一般包括正文内不便列出的冗长公式推导、符号说明(含缩写)、计算机程序、整体原理图、印制电路板图等。)摘要
9、正交频分复用(OFDM)是一种多载波宽带数字调制技术。相比一般的数字通信系统,它具有频带利用率高和抗多径干扰能力强等优点,因而适合于高速率的无线通信系统。正交频分复用OFDM是第四代移动通信的核心技术。论文首先简要介绍了OFDM基本原理。在给出OFDM系统模型的基础上,用MATLAB语言实现了整个系统的计算机设计仿真并给出了程序,并对结果做出了分析关键词:OFDM,基本原理,Matlab目录1. OFDM基本原理12. 原理框图设计12.1框图模块分析22.1.1总设计分析22.1.2各个模块分析23. 小结53.1实验仿真结果53.2误码率的计算83.3心得体会8参考文献9附录10(1)16
10、QAM的调制函数10(2)16QAM的解调函数10(3)加窗函数11(4)OFDM主程序111. OFDM基本原理正交频分复用的基本原理可以概述如下:把一路高速的数据流通过串并变换,分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输。在频域内将信道划分为若干相互正交的子信道,每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制,信号通过各个子信道独立地进行传输。由于多径传播效应会造成接收信号相互重叠,产生信号波形间的相互干扰,形成符号间干扰,如果每个子信道的带宽被划分的足够窄,每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的。因此,每个子信道都可看作无符号间干扰的理想信道。这样,在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对
11、接收信号可靠地进行解调。在OFDM系统中,通过在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性,以及消除由于多径传播效应所引起的OFDM符号间的干扰。因此,OFDM特别适合于在存在多径衰落的移动无线信道中高速传输数据。2. 原理框图设计通过查资料得通过使用循环前缀,一方面消除了OFDM符号间干扰,另一方面保证了子载波之间的正交性,但是这种合成信号会产生较大的峰值功率,因此可以通过加窗函数来解决这个问题。OFDM的原理框图如1所示。图2.1 OFDM原理框图2.1框图模块分析2.1.1总设计分析如图2所示,原始高速率比特流经过串/并变换后变为若干组低速率的比特流d(M),这些d(M)经
12、过调制后变成了对应的频域信号,然后经过加循环前缀、D/A变换,通过RF发送出去;经过无线信道的传播后,在接收机以与发送机相反的顺序接收解调下来,从而得到原发送信号。2.1.2各个模块分析(1)产生数据:使用个随机数产生器产生二进制数据,每次产生的数据个数为carrier_count * symbols_per_carrier * bits_per_symbol。(2)编码交织:交织编码可以有效地抗突发干扰。子载波调制:OFDM采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM4种调制方式。我这里采用16QAM调制方式。按照星座图,将每个子信道上的数据,映射到星座图点的复数表示,转换为同相Ich和正
13、交分量Qch。bits_per_symbol=4,则每个OFDM符号的每个子信道上有4个二进制数d1,d2,d3,d4,共有16种取值,对应星座图上16个点,每个点的实部记为Qch。为了所有的映射点有相同高的平均功率,输出要进行归一化。所以16QAM乘以归一化系数系数,输出的复数序列即为映射后的调制结果。(3)串并转换:将一路高速数据转换成多路低速数据IFFT:对上一步得到的相同分量和正交分量按照(Ich+Qch*i)进行IFFT运算。并将得到的复数的实部作为新的Ich,虚部作为新的Qch。在实际运用中, 信号的产生和解调都是采用数字信号处理的方法来实现的, 此时要对信号进行抽样, 形成离散时
14、间信号。 由于OFDM信号的带宽为B=Nf, 信号必须以t=1/B=1/(Nf)的时间间隔进行采样。 采样后的信号用sin表示, i = 0, 1, , N-1,则有 (2-1)从该式可以看出,它是一个严格的离散反傅立叶变换(IDFT)的表达式。IDFT可以采用快速反傅立叶变换(IFFT)来实现 加入保护间隔:由IFFT运算后的每个符号的同相分量和正交分量分别转换为串行数据,并将符号尾部G长度的数据加到头部,构成循环前缀。如果加入空的间隔,在多径传播的影响下,会造成载波间干扰ICI。保护见个的长度G应该大于多径时的扩张的最大值。 图2.2多径情况下,空闲保护间隔在子载波间造成的干扰图2.3经过
15、加窗处理后的0FDM符号示意图(4)加窗:加窗是为了降低系统的PAPR,滚降系数为1/32。通过这种方法,可以显著地改善OFDM通信系统高的PAPR分布,大大降低了峰值信号出现的概率以及对功率放大器的要求,节约成本。经常被采用的窗函数是升余弦窗。 (2-2) 图2.4 经过加窗处理后的OFDM符号示意图(5)通过信道:信道分为多径实验信道和高斯白噪声信道。多径时延信道直射波河延迟波对于标准时间按照固定比率递减,因此多径时延信道参数为比率和对大延迟时间。(6)同步:同步是决定OFDM系统高性能十分重要的方面,实际OFDM系统都有同步过称。主要同步方法有使用导频,循环前缀,忙算法三种。研究目的为同
16、步的可以详细实现本步,基本的方针可以略过此步,假设接收端已经于发射端同步。(7)去掉保护间隔:根据同步得到的数据,分别见给每个符号的同相分量和正交分量开头的保护间隔去掉。(8)并串转换:将每个符号分布在子信道上的数据,还原为一路串行数据。(9)FFT:对每个符号的同相分量和正交分量按照(Ich+Qch*i)进行FFT运算。并将得到的实部作为新的Ich,虚部作为新的Qch。与发端相类似,上述相关运算可以通过离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变换(FFT)来实现, 即: (2-3)(10)子载波解调:FFT后的同相粉脸感和正交分量两组数据在星座图上对饮高的点,由于噪声和信道的影响,不再是严格的发
17、送端的星座图。将得到的星座图上的点按照最近原则判决为原星座图上的点,并按映射规则还原为一组数据。(11)解码解交织:按照编码交织对应解码,解交织的方法,还原为原始数据,并进行纠错处理。(12)计算误码率:比较第2步产生的数据和接收到的数据,计算误码率BER3. 小结3.1实验仿真结果图3.1 16QAM调制星座图图3.2循环前后缀的OFDM图图3.3加窗的发送信号频谱图3.4极坐标下接收信号的极坐标图图3.5 XY坐标下接收信号星座图图3.6 二进制比特流3.2误码率的计算bit_error_count =16ber =0.00173.3心得体会说实话,刚拿到这个设计题目时,真的是丝毫没头绪,
18、Quartus,Matlab软件都不会使用,OFDM也不理解。在这里,我也特别感谢李圣老师的指导,是他在我设计没有头绪时,耐心地给我讲解,在他的指导下,我成功的完成了这次OFDM调制解调系统的设计。 在设计过程中,首先我通过查资料渐理解了OFDM调制解调系统。在用matlab 编程时,总是不出图像,通过网上百度,原来我在定义函数时没有注意让函数名与保存名一致,我也直接在脚本文件中编程,致使我一直运行错误。当我通过不断修正,最后成功仿真时,我的自豪感油然而生。这次课程设计,培养了我的软件编程实现能力,解决实际问题和独立思考的能力。加强了我对OFDM系统原理的理解,也更加能熟练运用Matlab软件
19、。我也明白了遇到困难不能逃避,要迎难而上,这样你才能取得进步。 参考文献 1 Erich Cosby. Orthogonal Frequency Division Multip lexing(OFDM) Tutorial and AnalysisM . Northern Virginia Center,2001. 2 Mingqi L i, ,Qicong Peng, Yubai L i, Performance Evaluation ofMC - DS - CDMA Systems inMultipath Fading Channels J . 0- 7803 - 7547 - 5 /02,
20、 IEEE , 2002. 3 A Peled, A Ruiz. Frequency domain data transmission usingreduced computational comp lexity algorithmsC . In Proc.IEEE Int. Conf. Acoust. , Speech, Signal Processing, 1980.964 - 967. 4 R van Nee. OFDM WirelessMultimedia CommunicationsM .Rrasad R. Artech House, 1998. 5 周正兰,等. OFDM及其链路级
21、平台的Simulink实现 J . 中国数据通信, 2003, (10) : 90 - 92 6 尹泽明,等. 精通MATLAB6 M . 清华大学出版社, 2002. 7 蔡涛, 等译. 无线通信原理与应用M . 电子工业出版社,1999. 8 丁玉美,等. 数字信号处理M. 西安电子科技大学出版社, 2003.附录(1)16QAM的调制函数function complex_qam_data=qam16(bitdata)%modulation of 16QAM,modulate bitdata to 16QAM complex signalX1=reshape(bitdata,4,lengt
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- OFDM 调制 解调 系统 设计 讲课
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