基于SIMULINK的OFDM系統(tǒng)仿真

李彩霞，韓曉霞

（1．河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002；2．河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)工程系，河北 保定 071002）

0 引言

OFDM即正交頻分復(fù)用技術(shù)，作為一種多載波調(diào)制技術(shù)，具有頻譜利用率高、抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾等優(yōu)點(diǎn)。目前OFDM作為新一代通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的多媒體民用通信領(lǐng)域中，包括非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）以及無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等?；诖搜芯勘尘埃疚膶?duì)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 OFDM基本原理

OFDM的基本原理是將信道在頻域內(nèi)分成若干正交的子信道，將高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流并調(diào)制到等頻率間隔的相互正交的子載波上進(jìn)行并行傳輸，使每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)速率大大降低，這樣盡管總的信道具有頻率選擇性衰落，但每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，在每個(gè)子信道上傳輸?shù)氖钦瓗盘?hào)，因此可以克服頻率選擇性衰落對(duì)信號(hào)的影響。圖1為OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 OFDM結(jié)構(gòu)框圖

其中為了便于分析仿真結(jié)果，省去了信道交織編碼和解碼，本系統(tǒng)是在基帶進(jìn)行的傳輸，所以載波調(diào)制和解調(diào)也不在仿真范圍之內(nèi)。

2 Simulink仿真

Simulink是一種用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真的軟件工具，它提供了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建模與動(dòng)態(tài)仿真工作平臺(tái)，可以通過(guò)模塊組合使用戶快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，對(duì)于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)效果更為明顯。另外，Simulink還提供了S函數(shù)，通過(guò)特殊的語(yǔ)法規(guī)則使S函數(shù)能夠被Simulink模塊或模型調(diào)用，使之具有更強(qiáng)的處理能力，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的強(qiáng)有力工具。本文利用Simulink 6對(duì)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。仿真參數(shù)如表1所示，圖2為OFDM系統(tǒng)的仿真模塊圖。

表1 仿真參數(shù)表

圖2 Simulink仿真模塊圖

（1）Bermoull Binary

信源為等概的0、1隨機(jī)序列，由二進(jìn)制伯努利序列產(chǎn)生器（Bermoull Binary）產(chǎn)生，碼元持續(xù)時(shí)間為t=0.1us，其速率為10MB/s（A點(diǎn)），通過(guò)Bit to Integer Converter模塊，將四個(gè)二進(jìn)制碼元Bi轉(zhuǎn)換成一個(gè) 16 進(jìn)制碼元 Bk（0，1，…15），碼元持續(xù)時(shí)間為 T，則 T=4t=0.4us（B 點(diǎn)），碼元速率為 2.5MB/s。

（2）Rectangular QAM

編碼映射模塊（Rectangular QAM）將信源產(chǎn)生的16進(jìn)制碼元Bk（0，1，…15）根據(jù)16QAM星座映射關(guān)系，計(jì)算出與Bk相對(duì)應(yīng)的同相分量和正交分量，模塊中設(shè)定為格雷碼映射，得到輸出的星座圖如圖3所示。

圖3 輸出星座圖

（3）串并轉(zhuǎn)換

將OFDM調(diào)制到600路子載波上，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后速率變?yōu)樵瓉?lái)的1/600，數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間變?yōu)樵瓉?lái)的600倍，這樣可以更好地抵抗由多徑傳播所帶來(lái)的符號(hào)間干擾，對(duì)于頻率選擇性衰落有更強(qiáng)的承受能力。

（4）OFDM Baseband Modulator

基帶調(diào)制，即完成IFFT運(yùn)算，在使用IFFT/FFT來(lái)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，通常在K（子載波數(shù)）個(gè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上補(bǔ)零（虛子載波），使得IFFT輸入為2的整數(shù)次冪（相當(dāng)于在時(shí)域進(jìn)行過(guò)采樣）。在本例中，K=600，中間補(bǔ)零進(jìn)行1024點(diǎn)的IFFT，仿真觀察到的頻譜圖如圖4所示。

圖4 頻譜結(jié)構(gòu)圖

頻率范圍為（-fs/2，fs/2），理論上 1024*T'=KT，從圖4中可以看出，抽樣頻率約為4MHz，與理論基本一致。由以上分析可知，在基帶處理中使用IFFT來(lái)實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制，不需要振蕩器組，降低了OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。

（5）加入CP

在OFDM符號(hào)前后插入循環(huán)前后綴CP，只要CP的長(zhǎng)度大于最大時(shí)延擴(kuò)展長(zhǎng)度，就可以完全消除碼間干擾（ISI）；另一方面，在保護(hù)間隔內(nèi)對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行循環(huán)擴(kuò)展，可以避免子載波間干擾（ICI）。

仿真時(shí)，a（1：1024）為一個(gè)完整 1024 點(diǎn) IFFT后的 OFDM 符號(hào)，則 b（1：1230）=［a（922：1024），a（1：1024），a（1：103）］為增加前后綴的 OFDM 符號(hào)。為了保持原信息傳輸率不變，信號(hào)的抽樣速率應(yīng)提高到原來(lái)的 1+206/1024=1．2 倍，即 1．2*4．26=5．12MHz。

（6）并串轉(zhuǎn)換

將并行數(shù)據(jù)變?yōu)榇袛?shù)據(jù)再進(jìn)行RF調(diào)制發(fā)送到無(wú)線信道中。在基帶發(fā)射部分，經(jīng)過(guò)串并和并串轉(zhuǎn)換，使得數(shù)據(jù)可以低速處理，高速發(fā)射。經(jīng)過(guò)基帶處理的數(shù)據(jù)，輸出為復(fù)數(shù)信號(hào)，分實(shí)部、虛部作D/A變換，然后分別使用正弦和余弦載波調(diào)制，再分別傳輸。

信道采用高斯白噪聲信道，加入一定的信噪比。

在基帶系統(tǒng)接收端，進(jìn)行相反的操作，首先將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后去掉循環(huán)前后綴，然后進(jìn)行FFT運(yùn)算，將FFT輸出轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)后進(jìn)行16QAM數(shù)字解調(diào)，輸出16進(jìn)制碼元Bi’，再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)輸出。

3 結(jié)論

本文基于Simulink對(duì)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，包括二進(jìn)制數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、16QAM調(diào)制解調(diào)、IFFT/FFT運(yùn)算、CP的加入和去除以及調(diào)制信號(hào)頻譜，在沒(méi)有噪聲加入時(shí)，解調(diào)出的數(shù)據(jù)的誤碼率為0，理論分析和得到的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了建立模塊的正確性，為對(duì)OFDM系統(tǒng)的下一步開(kāi)發(fā)如進(jìn)行同步/信道估計(jì)等研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］汪裕民．OFDM關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［2］Shi，K．Serpedin，E．Ciblat，P．Decision-directed fine synchronization for coded OFDM systems．IEEE International Conference on Acoustics，Speech，and Signal Processing，2004［C］．Proceedings．（ICASSP'04），2005（4）：365-368．

［3］H．G．Ryu，Y．S．Li，and J．S．Park，Nonlinear Analysis of the Phase Noise in the OFDM Communication System［J］．IEEE Trans．Consumer Electron，2004，50（1）：54-62．

［4］YASAMIN M，DONALD C C．A robust timing synchronization design in OFDM system-part I：lowmobility cases［J］．IEEE Trans on Wireless Commum，2007，6（12）：4329-4339．