基于OFDM技術的有線傳輸系統(tǒng)仿真

魏敬和，鄒家軒，張 榮，錢黎明，張科新

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著通訊及數(shù)字信號處理技術的不斷發(fā)展、互聯(lián)網技術的不斷革新以及計算機處理速度的持續(xù)提升，各國的主干線傳輸網已基本上實現(xiàn)了由光纖化、無線數(shù)字微波和衛(wèi)星化。但由于用戶接入線的接入速率受到限制，也很難真正享受到高速的通信服務。究其原因，就是我們當時的用戶環(huán)路仍然是模擬環(huán)路，只有用戶環(huán)路實現(xiàn)了數(shù)字化，才能使用戶真正跨上信息高速公路。用戶環(huán)路數(shù)字化的技術有很多，xDSL就是其中主要的一種。

xDSL技術主要有HDSL、ADSL、VDSL等三種，由這三種派生出的多種xDSL技術，如SDSL（單用戶線高速數(shù)字用戶環(huán)路技術）、UDSL（超高速數(shù)字用戶環(huán)路技術）、IDSL（ISDN DSL）等。由于采用的信號處理技術、調制解調技術和線路碼型的不同，故它們的線路速率、傳輸距離也不同。

xDSL技術的調制解調方式很多，其中20Mbps以下的載波調制解調技術主要是QAM和DMT兩種[1,2]，而20Mbps以上高速載波調制方式最主流的是多音頻調制技術（DMT），也被稱為正交頻分復用 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex），是一種多載波調制方式，通過減小和消除碼間串擾的影響來克服信道的頻率選擇性衰落。它的基本原理是將信號分割為N個子信號，然后用N個子信號分別調制N個相互正交的子載波。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。OFDM系統(tǒng)的一個重要優(yōu)點就是可以利用快速傅里葉變換實現(xiàn)調制和解調，從而可以大大簡化系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度。

近幾年來數(shù)字信號處理（DSP）技術和超大規(guī)模集成（VLSI）電路技術的發(fā)展解決了大量復雜運算和高速存儲的問題，促進了OFDM的實用化。

本文通過高速載波調制解調技術原理及其實現(xiàn)技術的研究，建立信道模型及噪聲模型，并進行系統(tǒng)級仿真，仿真結果證明OFDM調制解調技術可應用于1553這樣的高速有線傳輸系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)應用環(huán)境

本系統(tǒng)的應用場景，系統(tǒng)的傳輸介質是符合MIL-STD-1553A/B標準的差分電纜，通過變壓器組將設備需要接入總線，通過上層協(xié)議可實現(xiàn)半雙工通信。本系統(tǒng)硬件由基帶信號處理和線纜驅動兩部分組成，基帶信號處理提供可同時收發(fā)的模擬接口，而線纜驅動部分則和總線的變壓器組相連接，實現(xiàn)物理上的半雙工控制。

圖1 1553總線應用環(huán)境

3 OFDM基本原理

正交頻分復用是一種特殊的多載波傳輸方案，它既可以被看作是一種調制技術，也可以被當作一種復用技術。OFDM的基本原理是將整個信道分成若干個相互正交的子信道，在每個子信道進行調制和傳輸。這樣在每個子載波上的符號持續(xù)時間都比信號通過信道最大延遲長，從而容易消除ISI的影響。同時，在OFDM系統(tǒng)中各個子信號的頻譜是互相交疊的，在頻域上可以很好地保證不同的子載波信號的正交性，而沒有信道間干擾（ICI）發(fā)生，也提高了信號頻帶利用率[3,4]。

設一個OFDM信號由頻率間隔為Δf 的N個子載波構成，系統(tǒng)總帶寬B被分為N個等間距子載波，所有子載波在間隔長度為Ts=1/Δf 的時間內相互正交。在第K個子載波信號上加上一個長度為TG的保護間隔，則所有OFDM組構成的時間連續(xù)信號是：

在符號持續(xù)時間T比信道的相干時間小得多的情況下，每一個調制符號Sn,k的持續(xù)時間內無線信道傳輸函數(shù)H（f，t）可以認為是恒定的。接收到的調制符號在FFT變換之后為：

式（3）中Nn,k是對應子信道上加性噪聲。

OFDM高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為發(fā)送端和接收端兩大部分，一個完整的OFDM系統(tǒng)框圖如圖2所示。

4 傳輸方案的驗證

4.1 系統(tǒng)驗證規(guī)劃

為驗證所設計傳輸系統(tǒng)的可行性，分析傳輸系統(tǒng)的性能，在Matlab Simulink仿真平臺上對所設計傳輸系統(tǒng)的各處理模塊進行了仿真分析。根據(jù)在仿真模型中功能的不同，頂層仿真模塊可以分為三類：

（1）仿真參數(shù)初始化模塊。用于仿真開始時可配置參數(shù)的初始化，包括：信道信噪比（Channel SNR），定義高斯白噪聲信道模塊輸出端的信噪比；信道延時（Channel Delay），用戶可控制的固定信道傳輸延時；頻偏（Frequency Offset），系統(tǒng)收發(fā)端的頻率偏差；相偏（Phase Offset），系統(tǒng)收發(fā)端的相位偏差。

（2）傳輸系統(tǒng)算法仿真模塊。實現(xiàn)仿真激勵數(shù)據(jù)的產生，發(fā)送端信號處理過程，信道特性模擬和接收端信號處理過程的模塊。發(fā)送端仿真模型完成發(fā)送端所有處理流程的模擬，包括以下10個模塊：隨機整數(shù)發(fā)生，RS編碼，矩陣交織，64QAM調制，導頻插入和子載波映射，OFDM調制，CP插入和加窗，峰均比抑制，同步信號發(fā)生，數(shù)據(jù)幀成幀和物理幀成幀。

圖2 OFDM系統(tǒng)框圖

傳輸信道仿真模型主要完成白噪聲加入、頻偏和相偏加入、信道衰落特性的加入、信道傳輸延時和群延時特性的加入以及AD采樣偏移特性的加入等功能，包括以下7個模塊：上變頻模塊，高斯白噪聲模塊，低通濾波幅頻衰落模塊，橢圓濾波群延時模塊，信道傳輸延時模塊，下變頻模塊，信道幅度衰落（Channel Fading）模塊。

接收端仿真模型完成接收端所有處理功能的仿真，包括以下7個模塊：時間同步模塊，相差計算模塊，頻率補償和OFDM解調模塊，信道估計模塊，64QAM解調模塊，解交織模塊，RS譯碼器模塊。

（3）性能測試模塊。完成發(fā)送端數(shù)據(jù)和接收端數(shù)據(jù)的實時比較，完成錯誤特性的實時統(tǒng)計。 包括4個模塊和多個數(shù)據(jù)顯示器。由于接收端時間同步模塊恢復的數(shù)據(jù)幀在時間上可能存在一個時鐘的偏差，因此接收端恢復的數(shù)據(jù)幀有效指示信號間的間隔可能是非均勻的，而發(fā)送端則一定是均勻的，這使得收發(fā)端的數(shù)據(jù)幀指示信號存在不對齊的情況，此時很難使用標準的統(tǒng)計模塊進行誤差統(tǒng)計。仿真中采用的誤碼率統(tǒng)計模塊其實現(xiàn)時序和原理如圖3所示。

圖3 誤碼率統(tǒng)計模塊的時序

在S1時鐘周期，本地恢復數(shù)據(jù)幀有效，將本地有效數(shù)據(jù)幀緩存，設置DES_RDY信號為1，指示本地數(shù)據(jù)準備好。此時，由于源數(shù)據(jù)幀尚未到達，源數(shù)據(jù)準備好信號SRC_RDY為0，所以不進行數(shù)據(jù)比較。

在S2時鐘周期，源數(shù)據(jù)有效，將源有效數(shù)據(jù)緩存，設置SRC_RDY為1。程序檢測到SRC_RDY和DES_RDY均為1，增加符號計數(shù)器值，進行數(shù)據(jù)比較，根據(jù)數(shù)據(jù)存在多少不同更新錯誤符號計數(shù)器和誤符號率。最后，清零SRC_RDY和DES_RDY信號。

S3和S4重復S1和S2過程。S2出現(xiàn)在S1前的時序和上述的一樣。由于幀有效指示信號之間的間隔較大，而本地恢復的幀有效指示信號的抖動很小，不會出現(xiàn)發(fā)送端/接收端連續(xù)兩個幀有效指示信號之間沒有接收端/發(fā)送端幀有效指示信號的錯誤情況。

4.2 系統(tǒng)仿真結果分析

使用Simulink仿真，對接收模塊中QAM解調模塊輸出和RS譯碼器輸出端的誤符號率性能進行了統(tǒng)計分析。信道僅加入高斯白噪聲時系統(tǒng)接收端的誤符號率性能如圖4所示，由圖可知，此時只要信道信噪比高于22dB，系統(tǒng)的誤符號率性能就能夠優(yōu)于10-5。

信道引入高斯白噪聲和通帶內幅頻衰減時，系統(tǒng)接收端的誤符號率性能如圖5所示。比較圖4和圖5，由于采用多載波技術，即使在通帶內引入了10個dB左右的幅頻衰減，系統(tǒng)的性能也不會有非常明顯的下降。當信道信噪比高于22dB時，系統(tǒng)的誤符號率性能優(yōu)于10-5。

圖4 誤碼率性能（白噪聲）

圖5 誤碼率性能（白噪聲+通帶內幅頻衰減）

通過仿真驗證，得到如下結論：

（1）在64QAM調制時需要22dB以上的工作信噪比；

（2）通帶內的幅頻衰減特性對系統(tǒng)性能影響不大，可以通過頻域信道估計解決。

5 結論

本文通過對OFDM調制解調技術的研究，并將該技術應用于實際的1553高速總線傳輸系統(tǒng)。通過對該系統(tǒng)物理傳輸介質的測試，得到該系統(tǒng)信道物理特性參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)，建立系統(tǒng)模型進行仿真，仿真結果顯示OFDM技術在有線傳輸系統(tǒng)上信號傳輸可以獲得可接受的較低誤碼率。

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[4] Koen Vanbleu, Geert Ysebaert, Gert Cuypers, Marc Mooonen.On Time- Domain and Frequency Domain MMSE Based TEQ Design for DMT Transmission [J].IEEE Trans. On signal process, 2005,53(8).