范超 袁瓊 李曉峰
摘 要 正交頻分復用(OFDM)技術是第四代移動通信的主要技術,被廣泛應用于數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播、無線局域網(wǎng)中。本文主要介紹了OFDM的基本原理和主要結(jié)構(gòu),通過MATLAB語言對簡化的IEEE 802.11a OFDM系統(tǒng)進行了仿真。最后對OFDM系統(tǒng)在單徑和多徑信道下性能分析對比,以及單徑信道時遲對OFDM系統(tǒng)的影響。
【關鍵詞】OFDM IEEE 802.11a 多徑信道時遲
正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)作為一種多載波調(diào)制技術,與之前的頻分復用(Frequency Division Multiplexing,F(xiàn)DM)技術相比,具有頻帶利用率高、抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾等優(yōu)點,同時隨著快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation,F(xiàn)FT)的提出和半導體技術以及數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)技術的發(fā)展,OFDM技術被廣泛的應用到數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播、高清晰度電視和無線局域網(wǎng)中,在無線通信中占據(jù)著重要的角色。
本文首先簡單介紹OFDM的基本原理,并根據(jù)802.11a中規(guī)定的OFDM系統(tǒng)主要參數(shù),建立了仿真模型。將OFDM符號中加入循環(huán)前綴和保護間隔,并對OFDM系統(tǒng)在AWGN和單徑和多徑Rayleigh衰落信道下的性能進行分析,以及單徑信道下時延對于系統(tǒng)的影響,最后給出了仿真結(jié)果。
1 OFDM基本原理
OFDM是一種多載波傳輸技術的一種,其主要思想是把一個高速率的串行數(shù)據(jù)流分解成多個低速率的子數(shù)據(jù)流,以并行的方式在多個子載波上傳輸,各子載波之間相互正交,以此來消除子載波間數(shù)據(jù)的干擾??梢詫⒚總€子載波看成是一個單獨的子信道,并且每個子信道都是窄帶平坦衰落信道,只要通過簡單的頻率均衡就可以消除頻率選擇性衰落信道的影響;同時在每個OFDM符號前加入循環(huán)前綴(CP),可以消除多徑信道的影響,防止碼間串擾(ISI)。
OFDM的基本原理圖如圖1所示,發(fā)射端將基帶信息通過編碼映射,映射到星座圖上,再經(jīng)過串并變換分成N個分支,加入導頻,N個分支經(jīng)過IFFT之后分別調(diào)制在N個子載波上,為了消除ISI需要在每個符號前加入循環(huán)前綴CP,并且CP要大于信道的最大時延,最后通過并串變換后在信道上傳輸。接收端與發(fā)送端進行相反的操作,接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換、去除循環(huán)前綴、FFT、信道估計、并串變換和解碼映射恢復出原始數(shù)據(jù)。
從t=ts開始的OFDM基帶信號的復數(shù)形式表示為:
(1)
式中,N表示子載波個數(shù),T表示OFDM符號的持續(xù)時間,di,i=0,1,2,…,N-1是分配給每個子載波的數(shù)據(jù)符號,矩形函數(shù)rect(t)=1,|t|≤T/2。
2 OFDM仿真設計
OFDM系統(tǒng)仿真的主要算法有串/并/串變換、IFFT/FFT和信道模擬。本文的主要目的是研究OFDM系統(tǒng)在AWGN和單徑和多徑Rayleigh衰落信道下的性能進行分析,以及單徑信道下時延對于系統(tǒng)的影響,因此,添加了導頻、循環(huán)前綴以及信道估計等步驟來提升系統(tǒng)的性能。
在確認OFDM系統(tǒng)仿真參數(shù)時,首先確定符號周期、子載波數(shù)量及保護間隔;通常情況下,保護間隔要大于信道最大時延,只要確定了保護間隔,就可以確定OFDM符號的周期。本文對簡化的IEEE 802.11a OFDM系統(tǒng)進行仿真分析,因此采用了802.11a的OFDM系統(tǒng)的一些主要參數(shù),表1給出了OFDM仿真模型的主要參數(shù)。
常用的信道模型主要有瑞利衰落模型和萊斯衰落信道,本文采用的信道模型為單徑和多徑瑞利衰落信道并加入了AWGN。其中,單徑Rayleigh信道的最大多普勒頻移位100Hz,為了方便仿真,通過多徑信道采用2徑信道,時延分別為0和200us,并且第2徑平均功率比第1徑平均功率低3dB。
3 系統(tǒng)仿真結(jié)果
圖2是OFDM仿真系統(tǒng)通過單徑和多徑信道的誤碼率圖。從圖中可以看出系統(tǒng)在單徑和多徑信道下性能幾乎相同。此外,在同一信道中,數(shù)據(jù)的速率越快,誤碼率越高。
圖3是OFDM仿真系統(tǒng)通過不同時延的多徑信道的誤碼率圖。該仿真系統(tǒng)引用了循環(huán)前綴,添加的保護間隔時長是800us,本文主要設置了4個時延,分別是0s、300us、600us和900us,前三個時延長度小于保護間隔時長,最后一個時延長度大于保護間隔時長。
從圖中我們可以直觀的得出結(jié)論,當時延小于保護間隔的時長時,OFDM系統(tǒng)能夠很好的抵抗ISI。但是當多徑時延長度超過保護間隔的時長時,系統(tǒng)會受到ISI影響,誤碼率急劇上升。保護間隔的引入使OFDM系統(tǒng)具有很好的接受性能,但同時也會降低頻帶利用率,因此需要選取合適的保護間隔時長,一般情況下保護間隔的長度大約是OFDM符號周期的1/4—1/5,但是在實際情況中,保護間隔的長度需要根據(jù)實際信道的情況確定。
4 結(jié)束語
本文主要針對無線局域網(wǎng)中熱點技術OFDM技術進行了仿真,根據(jù)IEEE 802.11a建立了OFDM仿真系統(tǒng),并且驗證了該系統(tǒng)的抗多徑干擾性,結(jié)果與預期一樣,即,OFDM系統(tǒng)通過單徑Rayleigh信道和多徑Rayleigh信道的性能幾乎相同,此外,通過添加合適的保護間隔和循環(huán)前綴,OFDM系統(tǒng)可以有效的對抗多徑時延擴展。下一步,我們將繼續(xù)在此仿真基礎上添加卷積交織,不斷優(yōu)化系統(tǒng)性能,然后將該系統(tǒng)在實際信道中進行測試,分析性能。
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作者簡介
范超(1994-),男,河北省石家莊市人。目前就讀于北京電子科技學院,研二學生。
袁瓊(1976-),女,北京市人。副研究員。主要研究領域為通信安全和信息安全等方面。
李曉峰(1977-),男,吉林省白城市人。中安網(wǎng)脈(北京)技術股份有限公司工程師。主要研究領域為通信安全和信息安全等方面。
作者單位
北京電子科技學院 北京市 100070