通信系統(tǒng)Simulink仿真

1、實驗報告課程名稱：MATLAB程序設計實驗項目：通信系統(tǒng)仿真班級：學號：姓名：成績：教師簽字：1實驗項目名稱通信系統(tǒng)仿真2實驗目的熟悉通信相關方面的知識、學習并掌握OFDM技術的原理。熟悉MATLAB語言和simulinkSimulink工具箱的使用。設計并實現(xiàn)OFDM通信系統(tǒng)的建模與仿真。3實驗內容與實驗步驟要完成的實驗內容：自行設計基于OFDM的通信息系統(tǒng)仿真模型，分別采用MATLAB腳本程序和基于Simulink工具箱實驗相同的功能。對系統(tǒng)的性能進行分析。本次試驗采用OFDM-16QAM系統(tǒng)來建模和仿真。應用(或涉及)的原理：OFDM的全稱為OrthogonalFrequencyDivi

2、sionMultiplexing，意為正交頻分復用。OFDM通信技術是多載波傳輸技術的典型代表。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解為若干個獨立的子比特流，每個子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號去調制相應的子載波，就構成了多個低速率符號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。OFDM是多載波傳輸方案的實現(xiàn)方式之一，利用快速傅里葉逆變換(IFFT,InverseFastFourierTransform)和快速傅里葉變換(FFT，F(xiàn)astFourierTransform)來分別實現(xiàn)調制和解調，是實現(xiàn)復雜度最低、應用最廣的一種多載波傳輸方案。OFDM是一種多載波調制技術，其原理是用N個子載波把整個信

3、道分割成N個子信道，即將頻率上等間隔的N個子載波信號調制并相加后同時發(fā)送，實現(xiàn)N個子信道并行傳輸信息。這樣每個符號的頻譜只占用信道帶寬的1/N,且使各子載波在OFDM符號周期T內保持頻譜的正交性。在發(fā)送端，串行碼元序列經(jīng)過數(shù)字基帶調制、串并轉換，將整個信道分成N個子信道。N個子信道碼元分別調制在N個子載波頻率角必加1上,設為最低頻率，相鄰頻率相差1/N，則竝一矗十對了，用=叮2,7/-1，角頻率為矗，用=D丄2,1。待發(fā)送的OFDM信號刀為：接收端對接收到的信號進行如下解調：由于OFDM符號周期T內各子載波是正交的。所以，當”二朋時，調制載波與解調載波為同頻載波，滿足相干解調的條件，才如卜直冋

4、恥。丄m，恢復了原始信號；當“也時，接收到的不同載波之間互不干擾，無法解調出信號。這樣就在接收端完成了信號的提取，實現(xiàn)了信號的傳輸。設M-1N-0若1個F內川H以采樣頻率（其中心心）被采樣，則可得個采樣點。設心購，叫丁=曲阿，則j7-l）=Z疋阿嚴憶總=叩2川-1M-0上式正是序列疋5），叮2川-0的N點離散傅里葉反變換（IDFT）的結果，這表明IDFT運算可完成OFDM基帶調制過程。而其解調過程可通過離散傅里葉變換（DFT）實現(xiàn)。因此，OFDM系統(tǒng)的調制和解調過程等效于IDFT和DFT。在實際應用中，一般用IFFT/FFT來代替IDFT/DFT，這是因為IFFT/FFT變換與IDFT/DFT

5、變換的作用相同，并且有更高的計算效率，適用于所有的應用系統(tǒng)。具體實驗步驟：Simulink的設計過程：OFDM系統(tǒng)組成框圖如下圖所示。其中，上半部分對應于發(fā)射機鏈路，下半部分對應于接收機鏈路,整個系統(tǒng)包含信道編/解碼、數(shù)字調制/解調、IFFT/FFT、加/去保護間隔和數(shù)字變頻！DATARS館碼井串轉換插入保護間閘串井轉換QP5K解調QPSK調制去除諜護間隔并串轉串并轉換數(shù)字下數(shù)字上變頻R5解怛實驗設計原理圖如下所示上圖中粉紅色的部分為示波器顯示部分，主體結構為其余顏色的部分。信源數(shù)據(jù)的產(chǎn)生：在本設計中，信源系統(tǒng)采用的是伯努利二進制序列，所設置的占空比為0.5（即在同一個波中0和1所占的比例是一

6、樣的），所產(chǎn)生的序列是以幀（frame）的形式產(chǎn)生，每幀的數(shù)據(jù)是44位，碼元寬度為16e-5/44/2s,此時輸出到信道上面的數(shù)據(jù)是44x1的形式！詳細參數(shù)如下圖所示：RS調制：本卷積碼將11個信息比特編成15個比特，由于11和15都很小，特別適合以串行形式進行傳輸，時延小。卷積碼編碼后的15個碼元不僅與當前段的11個信息有關，還與前面的N-1段信息有關，編碼過程中互相關聯(lián)的碼元個數(shù)為15N。卷積碼的糾錯性能隨N的增加而增大，而差錯率隨N的增加而指數(shù)下降。在編碼器復雜性相同的情況下，卷積碼的性能優(yōu)于分組碼。所以本設計中采用RS碼來進行信源編碼，方便產(chǎn)生錯誤時能進行糾錯！本RS碼，信息位為11為

7、編碼為15位的數(shù)據(jù)，所以一幀的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后幀長就變?yōu)?0，所以經(jīng)卷積編碼輸出的數(shù)據(jù)為60 x1的數(shù)據(jù)格式RS調制模塊的參數(shù)設計如下所示QPSK調制：QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的縮略語簡稱，意為正交相移鍵控是一種數(shù)字調制方式。在數(shù)字信號的調制方式中QPSK四相移鍵控是目前最常用的一種衛(wèi)星數(shù)字信號調制方式，它具有較高的頻譜利用率、較強的抗干擾性、在電路上實現(xiàn)也較為簡單四相相移調制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息，是四進制移相鍵控。QPSK是在M=4時的調相技術，它規(guī)定了四種載波相位，分別為45，135，225，315，調制器輸入的數(shù)據(jù)是二進制數(shù)

8、字序列，為了能和四進制的載波相位配合起來，則需要把二進制數(shù)據(jù)變換為四進制數(shù)據(jù)，這就是說需要把二進制數(shù)字序列中每兩個比特分成一組，共有四種組合，即00，01，10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個雙比特碼元是由兩位二進制信息比特組成，它們分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調制可傳輸2個信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。解調器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號的相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。本次試驗中QPSK設置的參數(shù)如下圖所示JtairLDataTypesPararnieters以bit進行編碼，沒兩比特進行一次映射將00映射為-1-j；將01映射為T+j；將

9、10映射為1-j；將11映射為1+j。OFDM調制系統(tǒng)：調制模型最關鍵在于IFFT變換，在這種IFFT變化能很方便的實現(xiàn)載波調制，本系統(tǒng)所用的是數(shù)字載波調制方式，采用與另外一路數(shù)字載波控制信號合成后，本來輸入的數(shù)據(jù)是30 x1的復信號，然后再中間補一個0構成了了31x1的復信號，與另外一路31x1的信號合成之后就變成了31x2的一路矩陣信號，實現(xiàn)了調制，又由于進行IFFT時需要的數(shù)據(jù)是2的N次方所以在數(shù)據(jù)中加上足夠多的0構成了64x2的數(shù)據(jù)，然后進行IFFT調制之后輸出。設計的子模塊如下圖所示本OFDM調制只將該信號分為兩部分即碼元速率變?yōu)樗?/2,在兩路分開的信號合在一起后補了一個0。Co

10、nstantvalue:在數(shù)據(jù)進行IFFt前為了方式數(shù)據(jù)產(chǎn)生ICI,必須進行補零。將數(shù)據(jù)全部集中到一個幀的中間，這樣可以很有效的防止由于碼間串擾對數(shù)據(jù)造成干擾。完成IFFT調制之后的數(shù)據(jù)如下圖所示，由于數(shù)據(jù)是復數(shù)，所以將數(shù)據(jù)根據(jù)實部和虛部分離出來了。參數(shù)設置IIParameters口Inputisinbit-reyets&datrder廠IInputisconjngateaynnetrLcHIDivideoutputbyFFTlengthHInheritFFIlcrirthfroiiiivpuidiJitai呂iongQutpurtsaaplitignodB：based經(jīng)過OFDM調制輸出的信

11、號是64x2的調制信號，為了防止碼間串擾需要進行cp循環(huán)調制，這樣可以很有效的防止碼間串擾！減少系統(tǒng)的誤碼率！CP循環(huán)：應用OFDM的一個重要原因在于它可以有效地對抗多徑時延擴展。把輸入數(shù)據(jù)流串并變換到個并行的子信道中，使得每一個調制子載波的數(shù)據(jù)周期可以擴大為原始數(shù)據(jù)符號周期的N倍，因此時延擴展與符號周期的數(shù)值比也同樣降低N倍。另外，通過在每個OFDM符號間插入保護間隔（GI，GuardInterval）可以進一步抵制符號間干擾（ISI），還可以減少在接收端的定時偏移錯誤。這種保護間隔是一種循環(huán)復制，增加了符號的波形長度，在符號的數(shù)據(jù)部分，每一每個OFDM符號的后馬個子載波內有一個整數(shù)倍的循環(huán)

12、，此種符號的復制產(chǎn)生了一個循環(huán)的信號，即將時間中的樣點復制到OFDM符號的前面,形成循環(huán)前綴（CP,CyclicPrefix），在交接點沒有任何的間斷。因此將一個符號的尾端復制并補充到起始點增加了符號時間的長度。主徑昂檢干子就2?O3TeI嚴-J-1C1fl1:I11廠、廠、W:Y4viffl14子載玻1在本次CP循環(huán)中，將數(shù)據(jù)的3964位共25位加到每一幀的最前面去，這樣雖然增大了帶寬，但是對抑制碼間串擾有很大的好處！具體的設置參數(shù)如下圖所示indexDotionIndex(JutDUt51iIridesvector(dia.log)39：64?1:64Inkerl-t2Selectalln

13、/aInheritfOFDM解調模塊OFDM解調模塊是將是對上面的IFFT數(shù)據(jù)進行傅里葉變換恢復數(shù)據(jù)，然后按照上面數(shù)據(jù)的排列恢復所需要的數(shù)據(jù)！設計模塊如下圖所示itii數(shù)據(jù)矩陣分離FFT“Hi選擇數(shù)據(jù)幀由于數(shù)據(jù)幀與數(shù)據(jù)幀間存在很長一段的0數(shù)據(jù)，所以可以之間進行FFT變換而不需要去掉0之后再進行FFT變換，這樣的方式充分的利用FFt變換的優(yōu)勢！設計流程圖如下所示FFT的參數(shù)設置如下所示DataTypesParameOutputinbit-reversedorderDividebutterflyoutputsbytiifo/Iriheri丈FFTlengthfrominputdimenEionE信

14、道估計F面是信道電路圖以及各參數(shù)設置PN序列發(fā)生器參數(shù)如下所示該去零中使用的行選擇器的參數(shù)設置如下所示這樣就去掉了第16行就可以很好的恢復出經(jīng)過QPSK映射后的數(shù)據(jù)，接下來要做的事將映射后的數(shù)據(jù)還原。QPSK解調：Qpsk解調是將復數(shù)映射到實數(shù)域里面，1+j映射為11將1-j映射為10;-1+j映射為01;-1-j映射為00;的映射原則將數(shù)據(jù)映射回去，這樣就將原來30 x1的數(shù)據(jù)變味了60 x1的數(shù)據(jù)。將帶寬變味了原來的兩倍。RS卷積譯碼：本設計中直接使用simulink自帶的譯碼模塊，但其設計思路是基于維特比譯碼設計的，所以在上面寫出了維特比譯碼原理。譯碼器設計參數(shù)如下所示Spedfygen

15、eratorpolynomialPuncturedcodeEnableerasuresinputport3Outputnumberof匚orrectederrorsOutputdatatype:SameasinputMATLAB腳本程序說明：（1）確定參數(shù)：需要確定的參數(shù)為：子信道，子載波數(shù)，F(xiàn)FT長度，每次使用的OFDM符號數(shù)，調制度水平，符號速率，比特率，保護間隔長度，信噪比，插入導頻數(shù)，基本的仿真可以不插入導頻，可以為0。（2）產(chǎn)生數(shù)據(jù)：使用個隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生二進制數(shù)據(jù)，每次產(chǎn)生的數(shù)據(jù)carrier_count*symbols_per_carrier*bits_per_symbol。（3

16、）編碼交織：交織編碼可以有效地抗突發(fā)干擾。（4）子載波調制：OFDM采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM4種調制方式。按照星座圖，將每個子信道上的數(shù)據(jù)，映射到星座圖點的復數(shù)表示，轉換為同相Ich和正交分量Qch。（5）串并轉換：將一路高速數(shù)據(jù)轉換成多路低速數(shù)據(jù)。（6）IFFT：對上一步得到的相同分量和正交分量按照（Ich+Qch*i）進行IFFT運算。并將得到的復數(shù)的實部作為新的Ich，虛部作為新的Qch。（7）加入保護間隔：由IFFT運算后的每個符號的同相分量和正交分量分別轉換為串行數(shù)據(jù)，并將符號尾部G長度的數(shù)據(jù)加到頭部，構成循環(huán)前綴。如果加入空的間隔，在多徑傳播的影響下，會造成載

17、波間干擾ICI。保護見個的長度G應該大于多徑時的擴張的最大值。（8）加窗：加窗是為了降低系統(tǒng)的PAPR，滾降系數(shù)為1/32。通過這種方法，可以顯著地改善OFDM通信系統(tǒng)高的PAPR分布，大大降低了峰值信號出現(xiàn)的概率以及對功率放大器的要求，節(jié)約成本。經(jīng)常被采用的窗函數(shù)是升余弦窗。（9）通過信道：信道分為多徑實驗信道和高斯白噪聲信道。多徑時延信道直射波河延遲波對于標準時間按照固定比率遞減，因此多徑時延信道參數(shù)為比率和對大延遲時間。（10）同步：同步是決定OFDM系統(tǒng)高性能十分重要的方面，實際OFDM系統(tǒng)都有同步過稱。主要同步方法有使用導頻，循環(huán)前綴，忙算法三種。研究目的為同步的可以詳細實現(xiàn)本步，基

18、本的方針可以略過此步，假設接收端已經(jīng)于發(fā)射端同步。（11）去掉保護間隔：根據(jù)同步得到的數(shù)據(jù)，分別見給每個符號的同相分量和正交分量開頭的保護間隔去掉。（12）并串轉換：將每個符號分布在子信道上的數(shù)據(jù)，還原為一路串行數(shù)據(jù)。（13）FFT:對每個符號的同相分量和正交分量按照（Ich+Qch*i）進行FFT運算。并將得到的實部作為新的Ich，虛部作為新的Qch。與發(fā)端相類似，上述相關運算可以通過離散傅立葉變換（DFT）或快速傅立葉變換（FFT）來實現(xiàn)。（14）子載波解調：FFT后的同相粉臉感和正交分量兩組數(shù)據(jù)在星座圖上對飲高的點，由于噪聲和信道的影響，不再是嚴格的發(fā)送端的星座圖。將得到的星座圖上的點按

19、照最近原則判決為原星座圖上的點，并按映射規(guī)則還原為一組數(shù)據(jù)。（15）解碼解交織：按照編碼交織對應解碼，解交織的方法，還原為原始數(shù)據(jù)，并進行糾錯處理。（16）計算誤碼率：比較第2步產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)，計算誤碼率BER4實驗環(huán)境實驗所使用的器件、儀器設備：一臺PC機、軟件MATLAB、simulink工具箱。5實驗過程與分析Simulink仿真結果：信源數(shù)據(jù)的產(chǎn)生：產(chǎn)生的波形如下圖所示QPSK調制：所形成的星座圖如下圖所示-+*nj_iiiiIIIIIIIIIIIIUiIlliIIIIII1I1111IIIIIIII1-In3-2-1)123每一個角度對應一個數(shù)值左上角對應的是01,右上角對

20、應的是11左下角對應的是00;右下角對應的是10經(jīng)過映射之后輸出的數(shù)據(jù)是復數(shù)，且信道上面此時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為30 x1的數(shù)據(jù)格式，每幀的長度變?yōu)?0可以觀察到實部和虛部的數(shù)據(jù)，也就是IQ兩路數(shù)據(jù)如下所示OFDM調制系統(tǒng)：本OFDM調制只將該信號分為兩部分即碼元速率變?yōu)樗?/2,在兩路分開的信號合在一起后補了一個0,之后的波形如下圖所示補零模塊參數(shù)設置圖形在波形之下在數(shù)據(jù)進行IFFt前為了方式數(shù)據(jù)產(chǎn)生ICI,必須進行補零，補零后形成的波形如下圖所示將數(shù)據(jù)全部集中到一個幀的中間，這樣可以很有效的防止由于碼間串擾對數(shù)據(jù)造成干擾。完成IFFT調制之后的數(shù)據(jù)如下圖所示，由于數(shù)據(jù)是復數(shù)，所以將數(shù)據(jù)根據(jù)實部和

21、虛部分離出來了。實部虛部經(jīng)過OFDM調制輸出的信號是64x2的調制信號，要進行cp循環(huán)調制，這樣可以很有效的防止碼間串擾！從實部和虛部來看這里有四路數(shù)據(jù)！CP循環(huán)：仿真之后實部和虛部的波形分別如下所示實部為了防止碼間串擾需減少系統(tǒng)的誤碼率！a門虛部接收機的串并轉換：將信號分解之后與源發(fā)送端的信號進行比較發(fā)現(xiàn)輸出的信號是完全一致的除了時間上面的延遲以外如下圖去CP循環(huán)：選擇輸出后的數(shù)據(jù)與發(fā)送端沒有加CP循環(huán)的數(shù)據(jù)進行比較?？梢园l(fā)現(xiàn)兩數(shù)據(jù)是完全一致的。波形比較如下所示OFDM解調模塊：變化后的數(shù)據(jù)如下圖信道估計：可以看到兩路信號相乘之后的數(shù)據(jù)為一個正弦波每一個周期對應兩個碼元寬度，然后用這樣的得到

22、的正弦波與數(shù)據(jù)波相乘就可以得到恢復后的加了一個零的的數(shù)據(jù)，如下圖所示接下來要做的事就是去掉每幀數(shù)據(jù)中間的零，這可以用一個rowsleet選擇去掉第16行即可。此時輸出的數(shù)據(jù)為QPSK解調：映射后的數(shù)據(jù)圖如下所示如下所示兩路數(shù)據(jù)除了延遲以外數(shù)據(jù)的內容是一模一樣的?？梢哉fOFDM調制解調恢復出來的數(shù)據(jù)誤碼率很低。RS卷積譯碼：經(jīng)譯碼后輸出的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進行比較如下所示除了延遲波形保持完全一致，在通過誤碼率（信噪比為lOdb）計算可以看出這樣的誤碼率為0。MATLAB腳本程序仿真結果：16QAM調制后星座團循環(huán)前后繳不養(yǎng)抑的OFDMTimeSignal(.-Eon)-snQ_E.5a-10002000300040005000600070008000EO-Time(sample?)循環(huán)前后綴蠱加的OFDMTimeSignali-xapnl_-dE5o.-10002000300040005000600070008000Time(samples)4抑窗的發(fā)送信號頻諸00000mp)apnlEcnE