实验7 FDM频分复用与OFDM正交频分复用

本科学生实验报告

学号********* 姓名简安文

学院物电学院专业、班级11电子

实验课程名称现代通信原理实验

教师及职称金争

开课学期2013 至2014学年下学期

填报时间2014 年06 月08 日云南师范大学教务处编印

实验序号实验七实验名称FDM频分复用与OFDM正交频分复

用实验

实验时间2014-06-08 实验室同析楼三栋111

一．实验目的

1.1 认识Matlab/Simulink的基本功能。

1.2 了解Simulink的基本图符库，并能做出频分复用与正交频分复用仿真。1.3 观察FDM和OFDM信号波形和频谱特征，深入掌握FDM和OFDM系统的原理和

实现结构。

二．实验内容

2.1在本仿真模型中添加示波器，观察上采样和滤波前后各点时域波形的变化。

2.2尝试修改本仿真模型，在不改变数据速率的情况下，将子载波数量改为128

个，并观察各信号波形。

三．实验设备及材料

3.1 Windows XP/Windows7

3.2 Matlab R2011b

四．实验原理

4.1 频分复用

频分复用是将多路信号调制到不同的载波频率上，从而保证各路信号彼此正交而互不干扰，频分复用的发送端简化框图如图1所示。本实验仿真4路QPSK 调制的FDM发送端。

图1 频分复用的发送端简化框图

4.2 正交频分复用

正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）是多载波调制(MCM)技术的一种。它的基本思想是吧数据流串/并联转换为N路速率较低的子数据流，用它们分别去调制N路子载波后并行传输。因此子数据流的速

率是原来的1/N ，即符号周期扩大为原来的N 倍。在MCM 的符号周期远大于信道的最大延时扩展情况下，MCM 系统就把一个宽带频率选择衰落信道划分成N 个窄带平坦衰落信道。从而使通信系统具有很强的抗无线信道频率选择性衰落的能力，特别适合于高速无线数据传输。OFDM 是一种自载波互相混叠的MCM ，因此它除了具有上述MCM 的优势外，相比于传统的FDM 系统还具有更高的频谱利用率。OFDM 选择时域互相正交的子载波，它们虽然在频域互相混叠，却仍能在接收端被分离出来。

本实验的仿真依据图2进行。首先随机产生高速输入数据流，并进行QPSK 调制；然后通过串/并转换将高速的输入数据流转化为低速的并行数据流；OFDM 调制由一个IFFT 的结果转化为高速串行数据流，并插入保护间隔；最后进行高频调制（载波调制）。本实验中的子载波数量是64个，IFFT 的输出是64个时域信号采样点，保护间隔的时间长度相当于16个时域采样点，为了方便观察，采用了插入零电平作为保护间隔 。

图2 正交频分复用的发送端简化框图

4.3 实验方案设计

本实验的仿真文件是ofdm_fdm.mdl ，打开ofdm_fdm.mdl ，可以看到整个仿真模型分为FDM 发送端和OFDM 发送端两个独立的模型。下面主要介绍OFDM 发送端的仿真模型，然后简要介绍FDM 发送端的仿真模型。

（1）正交频分复用发送端仿真模型

OFDM 发送端仿真模型如图(3)所示。可以看出，该仿真模型可以分为三个主要部分：图的上半部实现了OFDM ，得到了OFDM 基带信号；图的下半部的左边实现了OFDM 基带信号的上采样，上采样的目的是得到时域上更加精细的波形，便于用示波器观察；图的下半部的右边实现了高频调制，即将OFDM 基带信号调制到载波上。

串行并

行交换 IDFT 或

IFFT 并行串行交换 插入保护间隔 高频调制 … …

a n x n x (t) OFDM 调制

图3 OFDM发送端仿真模型

（2）频分复用发送端仿真模型（图4）

频分复用发送端仿真了4路QPSK信号哦啊的调制和复用，每路信号的符号率都是1.6ksymbol/s，4路信号的总符号速率是6.4ksymbol/s，和上面的OFDM 仿真中的总符号速率相同。4路QPSK信号分别用4kHz，6kHz ,9kHz和11.5kHz 载波进行调制，即每路QPSK信号哦啊的子信道带宽是2.5kHz。其中包括了必要的保护频带。每路QPSK信号的调制结构比较简单，其主要组成模块在前面都有介绍，这里就不再赘述了。值得注意的是因为每路QPSK符号的符号速率是1.6ksymbol/s，而调制中载波信号的采样频率是32kHz，所以需要，对QPSK符号做20倍上采样，然后还要将进行低通滤波，该低通滤波器设计为数字调制系统中常用的平方根升余弦滚降滤波器。最后4路QPSK信号的复用依靠一个加法器实现。

图4 频分复用发送端仿真模型

五. 实验步骤

5.1 打开matlab应用软件，如图5所示。

5.2 在图5中右边的命令窗(Command Window)的光标处输入：simulink，回车。

图5 Matlab界面

5.3 在图5中，选择：File>New>Model新建文件，保存在matlab工作目录下，并取名

为ofdm_fdm.mdl。

5.4 在Find命令行处输入：Random Integer Generator（随机整数发生器仿真

模块），就在窗口的右边找到了改仿真模块图标。用鼠标右键选择该模块，

将其添加到创建的ofdm_fdm窗口中。

5.5 用相同的方法创建QPSK调制模块（QPSK Modulator Baseband）、缓存模块

（buffer）、快速傅里叶逆变换（IFFT）、补零模块（pad）、解缓存模块（unbuffer）、上采样模块（upsample）、正弦波形模块（Sine Wave）、复数实部虚部模块（Complex to Real-Image）和频谱仪（Spectrum Scope），观察每个设备的连接点，用鼠标左键把设备连接起来，如图3、图4所示。5.6 用鼠标点击“运行仿真模型按钮”即可运行ofdm_fdm.mdl，观察实验结果。

5.7 对于“正交频分复用发送端仿真模型”（图3）需要注意几点：

（1）产生OFDM基带信号（图6）

这个部分完成OFDM发射机的基带信号的处理。首先随机数发生模块产生所要发射的数据流，这些随机数据经过QPSK调制得到QPSK符号；QPSK符号流经过串/并转换模块转换成64个符号一组的符号块，IFFT模块将这些QPSK符号块调制到64个正交子载波上，得到OFDM符号；接着在OFDM符号之间插入16个零，这16个零就是OFDM符号间的保护间隔；最后通过串/并转换将OFDM 符号经济器保护间隔转换成串行的时域波形。

图6 OFDM基带信号仿真结构图

（2）时域上采样（图7）

这个部分完成OFDM基带信号的时域上采样，增加信号采样率是为了得到更加精细的时域波形，以便于用示波器观察信号。在产生OFDM基带信号时，随机数据发生模块的数据速率是6.4ksymbol/s，最后输出OFDM基带信号时的采样频率是8ksample/s。时域上采样模块将该基带信号上采样4倍，得到32ksample/s的时域信号。上采样是通过在相邻两个输入采样点之间插入3个零来实现的，这样上采样之后的基带信号包含了很多镜像频谱分量，因此在上采样之后要连接一个低通滤波器，滤除镜像频谱分量使上采样之后的信号和上采样之前的信号具有相同的频谱。上采样前的4倍增益保证信号在经过上采样和了滤波后幅度保持不变。

图7 上采样、滤波模块仿真结构图

（3）载波调制（图8）

这个部分首先通过复数实部虚部模块分离出OFDM基带信号的实部和虚部，