您的当前位置：首页 COFDM系统仿真及其信道与加噪声分析

COFDM系统仿真及其信道与加噪声分析

来源：刀刀网

COFDM系统仿真及其信道和加噪声分析

一、 试验目标

掌握COFDM系统组成原理;在MATLAB软件中simulink平台对COFDM进行

建模拟真并分析试验结果;对信道模块进行分析并分析加噪声对信噪影响和改

善方案。

二、相关COFDM

COFDM（CodedOrthogonal Frequency Division Multiplexing, 基于编码正交

频分复用）, 是一个多载波数字调制技术, 采取正交	N	个子载波来并行传输数据,
1 从而使每个子载波上数据速率降到原来 , 所以能够有效地克服多径衰落。即使 OFDM 概念已经存在很长时间。不过直到最近伴随多媒体业务发展, 它才多关注。

频进行调制,这种并行传输大大扩展了符号脉冲宽度,提升了抗多径衰落性

能。同时,在传统频分复用方法中,各子载波之间频谱互不重合,频谱利用率

较低。采取COFDM技术,一个COFDM符号之内包含多个经过调制子载波

合成信号,每个子载波在频谱上相互重合,这些频谱在整个符号周期内满足正交

性,所以在接收端能够确保无失真恢复,从而大大提升频谱利用率。

用N表示子信道个数,T表示OFDM符号宽度,di（i?0,1,…, N-1）是分

配给每个子信道数据符号, fc是第0个子载波载波频率,则从t?ts开始

COFDM符号能够表示为

s t??

?
?
??

?
?

???

N?1

t?1

rect

/ 2 exp?

2??

i T

?
?
?

式中,

/ 2

other

rect

??t ?

。然而在实际仿真时, 通常采取复等效基带信号来

描述COFDM输出信号

s t??

???

N?1

t?0

i rect

/ 2 exp?

j i t?

other

一个完整OFDM系统原理图1所表示。OFDM基础思想是将串行数据,并行

地调制在多个正交子载波上,这么能够降低每个子载波码元速率,增大码元符号

周期,提升系统抗衰落和干扰能力,同时因为每个子载波正交性,大大提升了频

谱利用率,所以很适合移动场所中高速传输。

图AOFDM 系统原理图

在发送端,输入高比特流经过调制映射产生调制信号,经过串并转换变成N

条并行低速子数据流,每N个并行数据组成一个OFDM符号。插入导频信号后经

快速傅里叶反变换(IFFT)对每个OFDM符号N个数据进行调制,变成时域信号为:

接收端将接收信号进行处理,完成定时同时和载波同时。经A／D转换,串并转换后信号可表示为:

yGI(n)=xGI(n)*h(n)+z(n)+w(n)(3)

然后,在除去CP后进行FFT解调,同时进行信道估量(依据插入导频信号),接着将信道估量值和FFT解调值一同送入检测器进行相干检测,检测出每个子载波上信息符号,最终经过反应射及信道译码恢复出原始比特流。除去循环前缀(CP)经FFT变换后信号可表示为:

三、 COFDM 实现模型

我们知道利用离散反傅里叶变换(IDFT)或快速反傅里叶变换(IFFT)实现OFDM系统,下图所表示。

从OFDM系统实现模型能够看出,输入已经过调制复信号经过串／并变换后,

进行IDFT或IFFT和并／串变换,然后插入保护间隔,再经过数／模变换后形成

OFDM调制后信号s(t)。该信号经过信道后,接收到信号r(t)经过模／数变换,去

掉保护间隔,以恢复子载波之间正交性,再经过串／并变换和DFT或FFT后,恢

复出OFDM调制信号,再经过并／串变换后还原出输入符号。

COFDM是OFDM和信道编码技术结合,加入可变信道卷积编码方法得到COFDM收发步

骤图以下:

调制

COFDM系统收发链路框图

由上图能够看出,整个系统步骤为:产生二进制数据→经过RS编码→

QPSK调制→COFDM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→COFDM系统基带信号解调并删除循环前缀→进行信道估量→

进行信道赔偿→0删除→QPSK解调→RS译码→误码率计算。

为此,可用MATLAB中simulink对此系统进行建模,其系统模型以下:

其各部分组成和进行试验操作设置参数以下:

		Maximum Doppler shift: 50 Sample time: 8e-5 / 180 Delay vector: [0 3e-6] Gain vector: [0 -8] Initial seed:
		Initial seed: 32965 Mode: Signal to noise ratio ( Es / No ) Es / No : 28 Input signal power: 30 / ( 5.5e5 * 11 / 15 * 2.4 ) * 1.08 Symbol period: 80e-6
ww	S/ P 内部结构图 w.taodocs.co
		Output: Real and image
	Training Separation 内部结构图
		Indices to output: {91:180,1:90}
		Number of input: 2

	OFDM Demodulator 内部结构图
		Input type: Matrix Index mode: One-based Rows: [27:90]
		Twiddle factor computation: Table lookup
		Input type: Matrix Index mode: One-based Rows: [50:,1:16]
		Output signal: Frame-based
		Select: Columns Indices to output: {1,2}
ww	w.taodocs.co Channel Estimator 内部结构图
		Step time: 16e-5 / 2 Sample time: 16e-5 / 2
		Generator polynomial: [1 0 0 0 0 1 1] Initial states: [0 0 0 0 0 1] Sample time: 16e-5 / 2 / 31 Sample per frame: 31
		M-ary number: 2
		Function: reciprocal Output data type mode:

		Same as first input Round integer calculations toward: Floor
		Output signal: Frame-based
		Number of input: 2
		Output signal: Frame-based
		Function: reciprocal Output data type mode: Same as first input Round integer calculations toward: Floor
		Output signal: Frame-based
ww	w.taodocs.co Rows: [1:15,17:31]
		Number of input: 2
		Output signal: Frame-based
	Remove Zero 内部结构图
		Input type: Matrix Index mode: One-based Rows: [1:15,17:31]

	QPSK Demapping 内部结构图
		Gain: 0.75
		Input type: Bit Constellation ordering: Gray Phase offset: pi / 4
		Function: round
		N: 15 K:11
ww	w.taodocs.co SER Calculation 内部结构图
		Input type: Bit Constellation ordering: Gray Phase offset: pi / 4
		Receive delay: 22 – before RS encoder 30 – after RS encoder
		Buffer size: 90 Buffer overlap: 0 Window type: HannFFT length: 1024 Number of spectral averages: 16

	Frequency range: [ -Fs / 2 … Fs / 2]
	Samples per symbol: 1 Point displayed: 100 New point per display: 50

COFDM系统各模块结构及参数设置

四、 COFDM仿真结果:

采取上述系统仿真,设置仿真时间为0.01999s
（1）得到第500帧（Frame）时COFDM基带信号波形图:

图（6）接收器输出COFDM基带信号波形
（图形上方是实部波形,下方是虚部波形）
（2）COFDM发射机和接收机功率谱密度以下:

发射机功率谱密度	S f??	2	为	N	接收机功率谱密度
因为 COFDM 符号功率谱密度					个子载波上信号功率谱密度之

和

S f??

1N?1

i?0

d T i

sin[??

fi T?

]

fi T?

对上式分析发觉, 当N增大时, f ??? 0.5,0.5?内幅频特征会愈加平坦, 边缘会
愈加陡峭, 所以能迫近理想低通滤波器。

（3）COFDM系统在QPSK调制下星座图:

发射器输出信号星座图接收器输出信号星座图
可见经过COFDM系统传输处理过信号星座图较发射器输出信号星座图而言愈加均匀和清楚。

（4）编码前后误码率比较:

编码前误码率编码后误码率
由图可知,未经过RS编码器、解码器信号误码率为0.6827%;经过RS编码器、解码器信号误码率为0.03651%。编码后,误码率大大减低。由此可见,加入RS编码对系统性能有着极大地改善。

五、 COFDM 信道分析和加噪声比较分析
COFDM 信道模块以下:

（1）瑞利衰落信道模块
上图multipathRayleigh Fading为瑞利衰落信道模块,瑞利衰落信道（Rayleighfa ding channel）是一个无线电信号传输环境统计模型。这种模型假设信号经过无线信道以后,其信号幅度是随机,即“衰落”,而且其包络服从瑞利分布。瑞利分布是一个均值为0,方差为σ2平稳窄带高斯过程,其包络一维分布是瑞利分布。其表示式及概率密度以下所表示:

网
wwwcs.com

瑞利分布是最常见用于描述平坦衰落信号接收包络或多径分量接收包络统计时

变特征一个分布类型。两个正交高斯噪声信号之和包络服从瑞利分布。此模块便是

用来实现对瑞利衰落模拟。

其参数设置以下

White Gaussian Noise) 是最基础噪声和干扰模型。在通信上指是一个通道模型
（channelmodel）,此通道模型唯一信号减损是来自于宽带（Wideband）线性加
成或是稳定谱密度（以每赫兹瓦特带宽表示）和高斯分布振幅白噪声。加性噪
声:叠加在信号上一个噪声,通常记为n(t), 而且不管有没有信号,噪声n(t)全部
是一直存在。所以通常称它为加性噪声或加性干扰。白噪声:噪声功率谱密
度在全部频率上均为一常数,则称这么噪声为白噪声。假如白噪声取值概率分
布服从高斯分布,则称这么噪声为高斯白噪声。

其参数设置以下:

以上模块是用来模拟仿真实际工作情况下信道基础特征,系统中信号经过这种信道克近似

（三）加噪模块:

经过选择连接不一样噪声模块加入人为噪声,并分别设置各噪声模块含有相同参数,调整信

噪

比为在[0,27]中取数观察并统计显示模块试验结果误码数显示结果以下表:

Frame=500 帧	加高斯白噪声
信噪比/DB	0	3	6	9	12
误码率	38.42%	26.41%	16.32%	9.40%	5.54%
信噪比/DB	15	18	21	24	27
误码率	3.15%	2.08%	1.29%	0.74%	0.42%
Frame=500 帧	加瑞利噪声
信噪比/DB	0	3	6	9	12
误码率	38.59%	26.16%	16.47%	9.61%	5.51%
信噪比/DB	15	18	21	24	27
误码率	3.24%	2.18%	1.37%	0.83%	0.44%
Frame=500 帧	加莱斯噪声
信噪比/DB	0	3	6	9	12
误码率	38.88%	26.17%	16.72%	9.81%	5.78%
信噪比/DB	15	18	21	24	27
误码率	3.39%	2.30%	1.69%	1.15%下载	高清

编制MATLAB程序以下:
clear;clc;

%试验数据
F = [1 1.5852.512 3.981 6.310 10.00 15.85 25.12 39.81 63.10 100.0 158.5 251.2398.1 631.0 1000];
FdB = [0 3 6 9 12 15 18 21 24 27];
Noadd=[]
guassian = [38.42 26.41 16.32 9.4 5.54 3.15 2.08 1.290.74 0.42];
rician = [38.59 26.16 16.47 9.61 5.51 3.24 2.181.37 0.83 0.44];
ralyeigh = [38.88 26.17 16.72 9.81 5.78 3.392.30 1.69 1.15 0.75];

hold on figure(1);

plot(FdB,rician,'-^g');
holdon
plot(FdB,ralyeigh,'-dm');
legend('guassian','rician','ralyeigh',2);
gridon
xlabel('信噪比/dB'); ylabel('误码率/%');
title('加入三种噪声误码率比较');

得到加入三种噪声误码率比较图:

可见, 在COFDM系统中人为加入高斯噪声、瑞利噪声、莱斯噪声后得到误
码率和无人为噪声加入时误码率只有微弱差异,这时因为COFDM 是一个特殊多载
波通信方案,单个用户信息流被串/并变换为多个低速率码流,经过各个子载波联合编码,含
有很强抗衰落能力。而且,COFDM 采取一个不连续多音调技术,将被称为载波不一样频率
中大量信号合并成单一信号,从而完成信号传送。因为这种技术含有在杂波干扰下传送信
号能力,所以常常会被利用在轻易受外界干扰或抵御外界干扰能力较差传输介质中。根据
这么COFDM既能充足利用信道带宽,也能够避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。

然而, 经过观察误码率随信噪比总体趋势,能够发觉在信道参数不变情况下,伴随功率信噪比增大,误码率逐步减小, 直至趋于0,当再增大信噪比时,误码率改善并不是很显著。在信噪比不变情况下,多径效应会使信号传输产生衰落,从而信号接收产生误码,当信号取一定保护间隔时,能够有效抑制多径效应, 使误

码率在能够接收范围之内,但当信号保护间隔小于时延参数时,误码率就会忽然增大。

（四）改善方法:
对于高斯信道白噪声引发信道干扰而造成误码率增加,可经过增大信号功率,提升信道信噪比,能够有效降低误码率,但当再增大信噪比时,误码率改善并不是很显著,太大输入功率反而需要更大能量,增加消耗,所以对于输入功率,误码能够选择一个适合输入功率,使误码率在可接收范围内即可。

对于多径衰落引发误码率增加,误码能够考虑对信号取一定保护间隔,使保护间隔大于多径传输中最大时延,从而能够有效抑制多径效应所带来衰落所引发误码率。