基于Simulink的改進(jìn)型OFDM通信系統(tǒng)研究

李亞文

（商洛學(xué)院 電子信息工程與電氣工程學(xué)院，陜西商洛726000）

基于Simulink的改進(jìn)型OFDM通信系統(tǒng)研究

李亞文

（商洛學(xué)院 電子信息工程與電氣工程學(xué)院，陜西商洛726000）

為了克服現(xiàn)有通信技術(shù)中在低信噪比情況下計(jì)算復(fù)雜度高、誤碼性能差的缺陷，提出了一種改進(jìn)型的OFDM通信系統(tǒng),在Simulink仿真平臺(tái)中設(shè)計(jì)了完整的通信系統(tǒng)模型，模擬了多徑瑞利衰落信道與加性高斯白噪聲信道的OFDM通信完整過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)型的OFDM通信系統(tǒng)對(duì)信噪比要求不高，降低了OFDM通信系統(tǒng)中所存在的高峰均比問題，能有效地消除信號(hào)多徑傳播所造成符號(hào)干擾并且誤碼率較低。

正交頻分復(fù)用；移動(dòng)通信；多徑效應(yīng)；Simulink

隨著人們對(duì)通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個(gè)人化和移動(dòng)化的不斷需求，并且DSP/FPGA等芯片技術(shù)，柵格技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的不斷發(fā)展，使OFDM作為一種有效對(duì)抗頻率選擇性衰落和信號(hào)波形間干擾的高速無線通信技術(shù)—正交頻分復(fù)用技術(shù)（簡(jiǎn)稱OFDM），逐步進(jìn)入人們的視野，并引起了廣泛關(guān)注，現(xiàn)已成為第四代移動(dòng)通信的主流技術(shù)。實(shí)際上OFDM[1]是一種多載波數(shù)字頻率調(diào)制技術(shù)，它的多個(gè)載波信號(hào)的頻譜是正交的，其使用了無干擾正交載波技術(shù)，主要應(yīng)用于軍事無線環(huán)境下的高頻通信系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代提出了使用平行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用(FDM)的概念，將多路基帶信號(hào)調(diào)制到不同頻率載波再進(jìn)行疊加，是復(fù)合信號(hào)的多路復(fù)用技術(shù)，將信道帶寬進(jìn)行分解，中間采用頻帶保護(hù)來降低噪聲干擾；70年代，人們提出采用DFT/IDFT來實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制，80年代，MCM技術(shù)快速發(fā)展，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，讓FFT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不再是技術(shù)難題，使得一些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，從此OFDM走上了實(shí)用通信的舞臺(tái)[2-3]。目前OFDM通信系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于利用移動(dòng)調(diào)頻和單邊帶（SSB）信道進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信[4]、陸地移動(dòng)通信，高速數(shù)字用戶環(huán)路（HDSL），非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、高清晰度數(shù)字電視（HDTV）和陸地廣播等各種通信系統(tǒng)。

1 OFDM通信系統(tǒng)工作原理

OFDM通信系統(tǒng)采用離散傅里葉反變換的載波都是頻譜正交的，在同一頻帶內(nèi)傳輸彼此是不相關(guān)的，將高速傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，分配給頻率較低的若干個(gè)頻率子信道進(jìn)行傳輸，經(jīng)過信息編碼后，再分配給多個(gè)相互正交且調(diào)制速率較低的載波，由于信道的時(shí)間擴(kuò)散遠(yuǎn)小于調(diào)制后符號(hào)的持續(xù)間隔[5]，因此對(duì)于突發(fā)性脈沖干擾下和具有較大失真的數(shù)字信號(hào)提供有效地保護(hù)，OFDM技術(shù)對(duì)由于多徑效應(yīng)而引起的時(shí)延擴(kuò)散不敏感，若信號(hào)占用帶寬大于信道相干傳輸?shù)膸?，則由于多徑效應(yīng)的影響，而出現(xiàn)頻率選擇性衰落，即迫使信號(hào)的一部分頻率分量增強(qiáng)，一部分頻率分量減弱，OFDM技術(shù)利用了信道的頻率分集，在信道衰落現(xiàn)象嚴(yán)重的地方添加均衡器，通過信道的頻域聯(lián)合編碼和并行分散的數(shù)據(jù)之間建立映射關(guān)系，因此，由部分選擇性衰落或噪聲干擾而被破壞的數(shù)據(jù)使用頻率分集技術(shù)將頻率分量增強(qiáng)部分接收到的數(shù)據(jù)得以完整還原恢復(fù)，并把可用通信信道分成許多個(gè)適合窄帶信號(hào)（一般為100-8000）傳輸?shù)男诺溃瑘D1表述了OFDM通信系統(tǒng)工作原理框圖。

圖1 OFDM通信系統(tǒng)工作原理框圖

2 改進(jìn)型的OFDM通信系統(tǒng)工作過程

在原有的OFDM通信系統(tǒng)中加入傅里葉反變換，即IFFT，將輸入的比特信息流用調(diào)制方式映射到多個(gè)載波分路上，建立調(diào)制后的信息序列，使用IFFT逆變換將頻域的數(shù)字頻譜變換為時(shí)域表示形式，可得OFDM調(diào)制后信號(hào)的時(shí)域抽樣序列；再添加符號(hào)循環(huán)前綴和間隔保護(hù)，進(jìn)行變頻處理后，即可得OFDM調(diào)制后信號(hào)的頻帶時(shí)域序列波形[6-7]。在信宿端，先對(duì)接收后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字變頻預(yù)處理，去掉波形字符的保護(hù)間隔，得到OFDM已調(diào)信號(hào)的時(shí)域抽樣序列，并對(duì)該抽樣序列進(jìn)行傅里葉變換（FFT）即得到原調(diào)制序列信號(hào)。

2.1 調(diào)制過程

如圖2所示為調(diào)制過程框圖。設(shè)OFDM系統(tǒng)中多載波的子信道有N個(gè)，其中，設(shè)第k個(gè)子信道采用的子載波為：

式中：Bk是第k路子信道的載波振幅，xk為第k路子信道的前端的輸入數(shù)據(jù)，受基帶碼元信號(hào)調(diào)制；fk為第k路子載波頻率；φk為第k路信道的子載波初始相位,則此系統(tǒng)中的N路多載波信道中的子信號(hào)之和可表示為：

一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)任意兩個(gè)子載波正交條件：

為了使N路載波的子信道信號(hào)在接收端能夠完全分離，要求各路載波之間必須滿足相互正交的條件，即要求最小的子載頻間隔為：

圖2 OFDM系統(tǒng)的調(diào)制

2.2 解調(diào)過程

當(dāng)接收機(jī)檢測(cè)到N個(gè)支路的信號(hào)到達(dá)時(shí)，首先分別用各個(gè)載波混頻和積分，進(jìn)行同步和信道估計(jì)[8]，恢復(fù)出各個(gè)支路的子信號(hào)，當(dāng)完成時(shí)間幀同步、位同步、小數(shù)倍頻偏估計(jì)和碼元檢錯(cuò)和糾錯(cuò)后，經(jīng)過FFT變換，再進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)和糾正、并/串變換和QAM或QPSK的解調(diào)后就能恢復(fù)出基帶碼元信息，進(jìn)而就可得到數(shù)字信號(hào)比特流。圖3為OFDM通信系統(tǒng)的解調(diào)框圖，OFDM系統(tǒng)中各路載波根據(jù)信道的實(shí)際情況可以采取不同的調(diào)制方式，因此在解調(diào)的時(shí)候各個(gè)子信道也會(huì)選取相應(yīng)的解調(diào)方式，使得頻帶利用率和誤碼率平衡，子信道進(jìn)行解調(diào)的過程中，需要計(jì)算相應(yīng)子載波頻率的最大值，尋找其他支路中子載波的頻譜值恰好為零的地方，這樣，可以不受到其他路支載波子信道的干擾，從多路互相重疊的通信子信道中提取每個(gè)子信道的數(shù)字符號(hào)，而其中OFDM通信系統(tǒng)各支路子載波的頻譜特性，根據(jù)子載波正交性質(zhì)，可以恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)符號(hào)dk,n，對(duì)xk進(jìn)行逆變換及FFT得到：

圖3 OFDM系統(tǒng)的解調(diào)

3 實(shí)驗(yàn)仿真

Simulink作為平臺(tái)設(shè)計(jì)了OFDM通信系統(tǒng)的仿真模型，上半部分對(duì)應(yīng)于發(fā)射機(jī)鏈路，下半部分對(duì)應(yīng)于接收機(jī)鏈路，整個(gè)系統(tǒng)包含信道編/解碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、IFFT/FFT、加/去保護(hù)間隔和數(shù)模變換。如圖4所示，建立OFDM通信系統(tǒng)仿真框圖，其中主要的模塊包括：伯努利二進(jìn)制信號(hào)發(fā)生器，RS編碼模塊，QPSK調(diào)制與解調(diào)模塊，導(dǎo)頻產(chǎn)生模塊，串并轉(zhuǎn)換模塊，多徑瑞利衰落信道模塊，信道估計(jì)模塊，信道補(bǔ)償模塊，誤碼率計(jì)算模塊。

圖4 基于Simulink的OFDM通信系統(tǒng)模型

實(shí)驗(yàn)仿真分析了發(fā)射端的基帶信號(hào)和接受端的恢復(fù)的信號(hào)，其中，圖5和圖6是發(fā)射端的信源信號(hào)，圖7和圖8是接受端的信號(hào)。

圖5 發(fā)射端信號(hào)的實(shí)部

圖6 發(fā)射端信號(hào)的虛部

圖7 接收端信號(hào)的實(shí)部

圖8 接收端信號(hào)的虛部

將發(fā)射端和接受端的信號(hào)功率譜密度進(jìn)行歸一化比較，如圖9和圖10所示。

圖9 發(fā)射端信號(hào)歸一化功率譜密度圖

圖10 接收端信號(hào)歸一化功率譜密度圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)仿真通信系統(tǒng)信源和信宿端的信號(hào)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要從3個(gè)方面分析影響OFDM系統(tǒng)性能的因素。

4.1 普勒效應(yīng)對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響

普勒效應(yīng)[9]是指當(dāng)發(fā)射源與接收機(jī)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收機(jī)所接收到的信號(hào)(由發(fā)射源發(fā)送)與發(fā)射源發(fā)射的信號(hào)的頻率不相同，二者之差即為多普勒效應(yīng)。當(dāng)兩者距離越來越遠(yuǎn)時(shí)，接收信號(hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)頻率相比較低；當(dāng)兩者之間距離減小時(shí)，接收信號(hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)頻率相比較高。由無線信道的時(shí)變性引起的接收信號(hào)頻譜展寬稱為多普勒擴(kuò)展。在無線信道上由于多普勒效應(yīng)的影響，當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)送一個(gè)頻率為f0的正弦波時(shí)，接收信號(hào)頻譜被展寬，將包含頻率為f0-fd～fd+f0的頻率分量。如圖11所示為普勒效應(yīng)對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響，當(dāng)信噪比相同時(shí)，多普勒頻移越大，OFDM系統(tǒng)的誤比特率的越大，導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)的性能較差。

圖11 多普勒頻移對(duì)OFDM差錯(cuò)性能的影響

4.2 RS編碼對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響

在相同信噪比下，經(jīng)過RS編碼[9]的誤比特率比未經(jīng)過RS編碼時(shí)偏小，說明RS編碼可以對(duì)OFDM系統(tǒng)性能有一定的改善作用；當(dāng)信噪比到達(dá)一定數(shù)值約28 dB,經(jīng)過RS編碼的誤碼率急劇下降，通信系統(tǒng)性能急劇變差，通過實(shí)驗(yàn)分析可知，信噪比的細(xì)小變化，都會(huì)引起系統(tǒng)性能的較大變化。雖然RS編碼可以在一定程度上改善系統(tǒng)的性能，但當(dāng)信噪比到達(dá)一定程度后，想繼續(xù)提高系統(tǒng)差錯(cuò)性能，顯然就要改變編碼方式，如圖12所示，為RS編碼對(duì)OFDM系統(tǒng)差錯(cuò)性能的影響。

圖12 RS編碼對(duì)OFDM系統(tǒng)差錯(cuò)性能的影響

4.3 OFDM系統(tǒng)的誤碼分析

圖13和圖14分別取仿真時(shí)間t=0.1 s和t= 1 s對(duì)OFDM通信系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行分析。

圖13 仿真時(shí)間t=0.1s系統(tǒng)的誤碼性曲線

圖14 仿真時(shí)間t=1s系統(tǒng)的誤碼性曲線

5 結(jié)語

本文使用simulink建立了OFDM通信系統(tǒng)模型，并對(duì)該系統(tǒng)模型的通信全過程進(jìn)行仿真分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要從普勒效應(yīng)、RS編碼和誤碼率等3個(gè)方面分析其影響OFDM通信系統(tǒng)性能，可看出OFDM可以有效地消除信號(hào)多徑傳播所造成符號(hào)干擾(ISI)，尤其是適合高層建筑物和居民居住密集的地方，OFDM通信系統(tǒng)的抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾[10]，使得它在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，人們也紛紛開始了對(duì)無線OFDM的相關(guān)研究，隨著無線通信技術(shù)發(fā)展，OFDM必將成為未來數(shù)字移動(dòng)通信的核心技術(shù)組成部分。

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（責(zé)任編輯：李堆淑）

A Simulink-basde Study on Im proved OFDM Communication System

LI Ya-wen
(College of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo 726000,Shaanxi)

In order to overcome the existing communication technology under the condition of low SNR in high computational complexity error performance of defects,an improved OFDM communications system is proposed and a complete communication system model in Simulink is designed,to simulate the multipath Rayleigh fading channel with additive white gaussian noise channel of OFDM communication complete process,the results show that the improved OFDM communication systems on signal-to-noise ratio is not high,reducing the OFDM communication system in the high PAR problem,effectively eliminating the signal interference caused by multipath propagation symbol and Lower error rate.

orthogonal frequency division multiplexing;mobile communication;multipath effect;Simulink

TN919.3

：A

：1674-0033（2014）06-0028-05

10.13440/j.slxy.1674-0033.2014.06.009

2014-09-05

商洛學(xué)院科研基金項(xiàng)目（14SKY001）

李亞文，女，陜西渭南人，碩士，講師