基于Simulink的改進型OFDM通信系統研究

李亞文

（商洛學院 電子信息工程與電氣工程學院，陜西商洛726000）

基于Simulink的改進型OFDM通信系統研究

李亞文

（商洛學院 電子信息工程與電氣工程學院，陜西商洛726000）

為了克服現有通信技術中在低信噪比情況下計算復雜度高、誤碼性能差的缺陷，提出了一種改進型的OFDM通信系統,在Simulink仿真平臺中設計了完整的通信系統模型，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，實驗結果表明，改進型的OFDM通信系統對信噪比要求不高，降低了OFDM通信系統中所存在的高峰均比問題，能有效地消除信號多徑傳播所造成符號干擾并且誤碼率較低。

正交頻分復用；移動通信；多徑效應；Simulink

隨著人們對通信數據化、寬帶化、個人化和移動化的不斷需求，并且DSP/FPGA等芯片技術，柵格技術和自適應調制技術的不斷發展，使OFDM作為一種有效對抗頻率選擇性衰落和信號波形間干擾的高速無線通信技術—正交頻分復用技術（簡稱OFDM），逐步進入人們的視野，并引起了廣泛關注，現已成為第四代移動通信的主流技術。實際上OFDM[1]是一種多載波數字頻率調制技術，它的多個載波信號的頻譜是正交的，其使用了無干擾正交載波技術，主要應用于軍事無線環境下的高頻通信系統。20世紀60年代提出了使用平行數據傳輸和頻分復用(FDM)的概念，將多路基帶信號調制到不同頻率載波再進行疊加，是復合信號的多路復用技術，將信道帶寬進行分解，中間采用頻帶保護來降低噪聲干擾；70年代，人們提出采用DFT/IDFT來實現多個載波的調制，80年代，MCM技術快速發展，大規模和超大規模集成電路的發展，讓FFT技術的實現不再是技術難題，使得一些系統結構大大簡化，從此OFDM走上了實用通信的舞臺[2-3]。目前OFDM通信系統廣泛的應用于利用移動調頻和單邊帶（SSB）信道進行高速數據通信[4]、陸地移動通信，高速數字用戶環路（HDSL），非對稱數字用戶環路（ADSL）、數字視頻廣播（DVB）、高清晰度數字電視（HDTV）和陸地廣播等各種通信系統。

1 OFDM通信系統工作原理

OFDM通信系統采用離散傅里葉反變換的載波都是頻譜正交的，在同一頻帶內傳輸彼此是不相關的，將高速傳輸的信息數據流經過串并轉換后，分配給頻率較低的若干個頻率子信道進行傳輸，經過信息編碼后，再分配給多個相互正交且調制速率較低的載波，由于信道的時間擴散遠小于調制后符號的持續間隔[5]，因此對于突發性脈沖干擾下和具有較大失真的數字信號提供有效地保護，OFDM技術對由于多徑效應而引起的時延擴散不敏感，若信號占用帶寬大于信道相干傳輸的帶寬，則由于多徑效應的影響，而出現頻率選擇性衰落，即迫使信號的一部分頻率分量增強，一部分頻率分量減弱，OFDM技術利用了信道的頻率分集，在信道衰落現象嚴重的地方添加均衡器，通過信道的頻域聯合編碼和并行分散的數據之間建立映射關系，因此，由部分選擇性衰落或噪聲干擾而被破壞的數據使用頻率分集技術將頻率分量增強部分接收到的數據得以完整還原恢復，并把可用通信信道分成許多個適合窄帶信號（一般為100-8000）傳輸的信道，圖1表述了OFDM通信系統工作原理框圖。

圖1 OFDM通信系統工作原理框圖

2 改進型的OFDM通信系統工作過程

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

2.1 調制過程

如圖2所示為調制過程框圖。設OFDM系統中多載波的子信道有N個，其中，設第k個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據，受基帶碼元信號調制；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,則此系統中的N路多載波信道中的子信號之和可表示為：

一個碼元時間內任意兩個子載波正交條件：

為了使N路載波的子信道信號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系統的調制

2.2 解調過程

當接收機檢測到N個支路的信號到達時，首先分別用各個載波混頻和積分，進行同步和信道估計[8]，恢復出各個支路的子信號，當完成時間幀同步、位同步、小數倍頻偏估計和碼元檢錯和糾錯后，經過FFT變換，再進行整數倍頻偏估計和糾正、并/串變換和QAM或QPSK的解調后就能恢復出基帶碼元信息，進而就可得到數字信號比特流。圖3為OFDM通信系統的解調框圖，OFDM系統中各路載波根據信道的實際情況可以采取不同的調制方式，因此在解調的時候各個子信道也會選取相應的解調方式，使得頻帶利用率和誤碼率平衡，子信道進行解調的過程中，需要計算相應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子信道的數字符號，而其中OFDM通信系統各支路子載波的頻譜特性，根據子載波正交性質，可以恢復出原始數據符號dk,n，對xk進行逆變換及FFT得到：

圖3 OFDM系統的解調

3 實驗仿真

Simulink作為平臺設計了OFDM通信系統的仿真模型，上半部分對應于發射機鏈路，下半部分對應于接收機鏈路，整個系統包含信道編/解碼、數字調制/解調、IFFT/FFT、加/去保護間隔和數模變換。如圖4所示，建立OFDM通信系統仿真框圖，其中主要的模塊包括：伯努利二進制信號發生器，RS編碼模塊，QPSK調制與解調模塊，導頻產生模塊，串并轉換模塊，多徑瑞利衰落信道模塊，信道估計模塊，信道補償模塊，誤碼率計算模塊。

圖4 基于Simulink的OFDM通信系統模型

實驗仿真分析了發射端的基帶信號和接受端的恢復的信號，其中，圖5和圖6是發射端的信源信號，圖7和圖8是接受端的信號。

圖5 發射端信號的實部

圖6 發射端信號的虛部

圖7 接收端信號的實部

圖8 接收端信號的虛部

將發射端和接受端的信號功率譜密度進行歸一化比較，如圖9和圖10所示。

圖9 發射端信號歸一化功率譜密度圖

圖10 接收端信號歸一化功率譜密度圖

4 實驗結果分析

通過實驗仿真通信系統信源和信宿端的信號，對比實驗結果，主要從3個方面分析影響OFDM系統性能的因素。

4.1 普勒效應對OFDM系統性能的影響

普勒效應[9]是指當發射源與接收機之間存在相對運動時，接收機所接收到的信號(由發射源發送)與發射源發射的信號的頻率不相同，二者之差即為多普勒效應。當兩者距離越來越遠時，接收信號的頻率與發射信號頻率相比較低；當兩者之間距離減小時，接收信號的頻率與發射信號頻率相比較高。由無線信道的時變性引起的接收信號頻譜展寬稱為多普勒擴展。在無線信道上由于多普勒效應的影響，當發射機發送一個頻率為f0的正弦波時，接收信號頻譜被展寬，將包含頻率為f0-fd～fd+f0的頻率分量。如圖11所示為普勒效應對OFDM系統性能的影響，當信噪比相同時，多普勒頻移越大，OFDM系統的誤比特率的越大，導致OFDM系統的性能較差。

圖11 多普勒頻移對OFDM差錯性能的影響

4.2 RS編碼對OFDM系統性能的影響

在相同信噪比下，經過RS編碼[9]的誤比特率比未經過RS編碼時偏小，說明RS編碼可以對OFDM系統性能有一定的改善作用；當信噪比到達一定數值約28 dB,經過RS編碼的誤碼率急劇下降，通信系統性能急劇變差，通過實驗分析可知，信噪比的細小變化，都會引起系統性能的較大變化。雖然RS編碼可以在一定程度上改善系統的性能，但當信噪比到達一定程度后，想繼續提高系統差錯性能，顯然就要改變編碼方式，如圖12所示，為RS編碼對OFDM系統差錯性能的影響。

圖12 RS編碼對OFDM系統差錯性能的影響

4.3 OFDM系統的誤碼分析

圖13和圖14分別取仿真時間t=0.1 s和t= 1 s對OFDM通信系統的誤碼率進行分析。

圖13 仿真時間t=0.1s系統的誤碼性曲線

圖14 仿真時間t=1s系統的誤碼性曲線

5 結語

本文使用simulink建立了OFDM通信系統模型，并對該系統模型的通信全過程進行仿真分析，實驗結果主要從普勒效應、RS編碼和誤碼率等3個方面分析其影響OFDM通信系統性能，可看出OFDM可以有效地消除信號多徑傳播所造成符號干擾(ISI)，尤其是適合高層建筑物和居民居住密集的地方，OFDM通信系統的抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾[10]，使得它在很多領域得到了廣泛的應用，人們也紛紛開始了對無線OFDM的相關研究，隨著無線通信技術發展，OFDM必將成為未來數字移動通信的核心技術組成部分。

[1]佟學儉,羅 濤.OFDM移動通信技術原理及應用[M].北京：人民郵電出版社,2003：56-63.

[2]Lee J,Miller L E.CDMA System Engineering Handbook [M].London：Artech House,1998：112-117.

[3]譚 波.OFDM系統的仿真技術研究[D].北京：北京工業大學,2009：23-25.

[4]徐明遠,邵玉斌.MATLAB仿真在通信與電子工程中的應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,2006：78-84.

[5]胡永樂.OFDM通信系統中關鍵技術的研究[D].桂林：廣西大學,2004：13-14.

[6]束 鋒,羅 琳,吳樂南.OFDM通信系統中的一種通用的信道估計模型[J].電路與系統學報,2001,13(2)：39-43.

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[10]劉 寶.OFDM通信系統中同步技術的研究與實現[D].重慶：電子科技大學,2013：21-23.

（責任編輯：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

商洛學院科研基金項目（14SKY001）

李亞文，女，陜西渭南人，碩士，講師