OFDM技術在802.11a WLAN中的應用研究

姚潔

(福州外語外貿學院　信息系，福州　350000)

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OFDM技術在802.11a WLAN中的應用研究

姚潔

(福州外語外貿學院信息系，福州350000)

OFDM(正交頻分復用)即多載波寬帶數(shù)字調制技術，它能夠有效地解決傳輸中產(chǎn)生的多徑干擾以及消除碼間串擾，可以提供54 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，具備頻譜利用率高、信道均衡技術簡單、信號調制解調易實現(xiàn)、糾錯能力強等優(yōu)點。OFDM技術的應用使得WLAN技術得到了更進一步的發(fā)展。利用MATLAB為開發(fā)平臺，設計了OFDM仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)各個基本環(huán)節(jié)的仿真算法，通過仿真結果對比分析可知，OFDM技術要比一般的單載波調制技術具有更強的抗多徑干擾的能力，在無線局域網(wǎng)中具有較大的應用前景。

OFDM；WLAN；MATLAB；仿真系統(tǒng)

20世紀90年代以來，隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各大電信運營商朝著多元化方向發(fā)展，電信產(chǎn)業(yè)的競爭也由長途網(wǎng)轉為本地接入網(wǎng)。寬帶無線接入技術由于成本低、速度快、維護簡單等優(yōu)勢快速占領市場。而WLAN(無線局域網(wǎng))作為一種寬帶無線接入技術，是計算機網(wǎng)絡與通信技術相結合的產(chǎn)物。由于WLAN可移動、不受電纜約束、組網(wǎng)靈活、擴展方便、兼容性強等特點使得受到越來越多的重視。OFDM技術作為WLAN系統(tǒng)的基本實現(xiàn)技術之一，將成為未來的核心技術。

OFDM技術能夠將高速串行數(shù)據(jù)流轉化成低速并行數(shù)據(jù)流,再將得到的并行數(shù)據(jù)調制在正交子載波上,實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸，因此具備頻譜利用率高、信道均衡技術簡單、信號調制解調易實現(xiàn)、糾錯能力強等優(yōu)點?；谶@些優(yōu)點，802.11a WLAN可采用OFDM技術作為其物理層的調制技術，傳輸速率范圍為6 Mbit/s～54 Mbit/s，因此，研究基于OFDM技術的無線局域網(wǎng)技術具有十分重要的意義。

1　基于OFDM的802.11a WLAN的系統(tǒng)

IEEE802.11a規(guī)定1個OFDM符號由52個子載波(其中4個為導頻子載波)組成。OFDM信號將調制符號映射到64點IDFT(離散傅立葉逆變換)的子載波上來實現(xiàn)的，而IDFT又可以由IFFT(傅立葉逆變換)算法實現(xiàn)。因此，我們可以由IFFT輸出得到1個OFDM符號。為了解決系統(tǒng)的多徑衰落，需要在OFDM符號間插入1個循環(huán)前綴CP，1個CP時長為0.8 μs，1個OFDM符號時長為4 μs。為了避免ISI，CP長度必須大于信道脈沖的響應長度[1]。

OFDM系統(tǒng)工作原理：數(shù)據(jù)以二進制形式輸入經(jīng)過卷積、交織、映射轉換為復星座符號，接著把這些符號映射到子載波上，經(jīng)過插入導頻，即可得到52個經(jīng)過調制的子載波，最后經(jīng)過IFFT，得到OFDM符號。為克服多徑衰落，每個OFDM符號之間須插入1個CP間隔。最后經(jīng)過D/A轉換，調制到射頻，放大，發(fā)送完成整個發(fā)送過程。接收過程即在發(fā)送過程逆向的基礎上增加了同步和校正等處理。如圖4～5所示是整個OFDM系統(tǒng)框圖[2]。

圖1　整個OFDM系統(tǒng)框圖

2　OFDM系統(tǒng)的仿真測試分析

本文要實現(xiàn)的是802.11a WLAN中的OFDM物理層仿真，主要是通過仿真OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)的。通過改變OFDM仿真系統(tǒng)的信道模型設置中的參數(shù)，進行MATLAB仿真，分析仿真結果后可以正確評價OFDM系統(tǒng)存在抗多徑干擾性能。

2.1參數(shù)選擇

在OFDM系統(tǒng)中，首先要確定三個參數(shù)即符號周期、保護間隔、子載波數(shù)量。這三個參數(shù)的選擇取決于信道帶寬、時延、傳輸速率，而在實際應用中又要考慮多種沖突因素，因此，我們可以采用折中的辦法來確定OFDM系統(tǒng)的各參數(shù)。

①保護間隔：可選擇時延擴展均方根的2～4倍。

②符號周期：考慮到信息傳輸過程的損失率、系統(tǒng)的復雜性、峰值平均功率等因素，一般設置長度至少為保護間隔長度的5倍。

③子載波的數(shù)量：子載波的數(shù)量 = -3dB帶寬/子載波間隔(即扣除保護間隔后的符號周期的倒數(shù))；或子載波的數(shù)量=需要的比特速率/子信道的比特速率[3]。

2.2OFDM系統(tǒng)的基本實現(xiàn)

OFDM系統(tǒng)仿真主要由串/并轉換、并/串轉換、IFFT/FFT調制與解調、信道模擬構成。為方便仿真，我們對圖1做了一定的變換，省略了加保護間隔、數(shù)/模變換、模/數(shù)變換等步驟，保留主要環(huán)節(jié)，如圖2所示。保護間隔僅僅是對系統(tǒng)性能的提升，去掉不影響仿真結果，而且還可以縮短仿真時間，提高仿真效率。

本文的OFDM系統(tǒng)的仿真過程主要分為三部分：發(fā)送部分、信道部分、接收部分。主要的性能仿真原理圖如圖2所示。

圖2　OFDM性能仿真原理圖

仿真的輸入數(shù)據(jù)為文本文件、音頻文件。為了與傳統(tǒng)的單載波相比較，仿真過程分別采用了 OFDM和 16-QAM兩種調制解調方式，最后給出兩種結果的比較。

2.316-QAM原理

本文所用到的QAM調制是數(shù)字調制方式。所謂正交振幅調制(QAM)是采用兩個獨立的基帶波形對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調制，利用這種已調信號在同一帶寬內頻譜正交的性質來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信號傳輸。

QAM調制器的原理：發(fā)送數(shù)據(jù)在串-并轉換器內被分成兩路(為原來兩路信號的1/2)，然后分別與一對正交調制分量相乘，求和后輸出。接收端完成逆過程。如圖3所示。輸入端的二進制數(shù)據(jù)流經(jīng)串-并變換后變?yōu)樗穆窋?shù)據(jù)。這四路數(shù)據(jù)再兩兩結合，再進入電平轉換器，最后變成兩路4電平數(shù)據(jù)。例如，00轉換成-3，01轉換成-1，10轉換成1，11轉換成3。兩路4電平數(shù)據(jù)g1(t)和g2(t)分別對載波cosωct和載波sinωct進行調制，再相加，即得到16-QAM信號[4]。

圖3　16-QAM的調制原理圖

2.4系統(tǒng)仿真結果分析

2.4.1系統(tǒng)的基本原理分析

從調制中使用的載波數(shù)量看，OFDM為多載波調制， QAM為單載波調制，因此，OFDM系統(tǒng)較QAM系統(tǒng)復雜，OFDM系統(tǒng)實質上用復雜性換取高性能，因此兩者都有著廣泛的運用。

在OFDM系統(tǒng)仿真過程中，輸入的二進制數(shù)據(jù)流進行調制，就將時域的信號變?yōu)閺蛿?shù)形式的頻域信號，一般采用相移鍵控(PSK)或者正交幅度調制(QAM)，本文所設計的仿真程序是將輸入的二進制數(shù)據(jù)流轉化為雙極性數(shù)據(jù)流，相當于進行了BPSK調制；而后將雙極性數(shù)據(jù)流經(jīng)過串/并變換單元，再分配到正交的各子載波之上，進行IFFT變換，實現(xiàn)并行的頻域數(shù)據(jù)的正交調制，輸出為時域的并行數(shù)據(jù)；再通過并/串變換轉換為串行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送到信道上傳送。仿真的信道部分分為信號截取、多徑信道和隨機噪聲三小部分。接收端進行的是與發(fā)送端相反的變換。

在16-QAM系統(tǒng)仿真過程中(并不影響OFDM系統(tǒng)的仿真)，輸入的二進制數(shù)據(jù)流轉化雙極性數(shù)據(jù)流，相當于進行了BPSK調制，而后每四比特雙極性數(shù)據(jù)流轉化為一個16-QAM符號狀態(tài)，輸出的QAM符號發(fā)送到信道上進行傳送，此時的信道仿真模型與OFDM系統(tǒng)的信道仿真模型條件一樣。接收端進行QAM解調，并把每個QAM符號轉化為雙極性數(shù)據(jù)流，雙極性數(shù)據(jù)流再轉化為二進制數(shù)據(jù)流，至此完成了QAM的調制與解調。

仿真原理模塊圖見圖2，整個仿真程序分為四個階段：系統(tǒng)初始化、QAM仿真系統(tǒng)、OFDM仿真系統(tǒng)以及QAM與OFDM調制技術的分析比較部分，具體的仿真圖如下列圖形所示。FFT的長度為128，載波數(shù)量為32，根據(jù)QAM和OFDM系統(tǒng)的不同要求，載波數(shù)量不同，如本仿真程序中OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)量為32；設定QAM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)的原始輸入數(shù)據(jù)相同，并設定相同參數(shù)條件的仿真信道；同時通過計時代碼計算出QAM系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)分別運行一次系統(tǒng)仿真時所用的時間多少，由此可比較出兩種調制技術所用的時間長短；通過QAM與OFDM調制技術的分析比較部分，可以得出系統(tǒng)相應的仿真圖形，并由此可以計算出分別采用兩種不同調制技術的系統(tǒng)，在恢復原始數(shù)據(jù)時所出現(xiàn)的錯誤比特的數(shù)量，并可計算出誤碼率，從而分析可比較出兩種調制技術的性能優(yōu)劣。

本文分別將音頻文件和文本文件作為信源，將這兩種文件分別轉換成二進制數(shù)據(jù)，再進行極性變換，使之成為利于傳輸?shù)碾p極性信號，為了體現(xiàn)OFDM的優(yōu)勢，分別進行OFDM和QAM調制，經(jīng)過多徑數(shù)目為3的衰落信道，并在接收處恢復出各自信號，最后分別轉化成音頻文件、文本文件。

2.4.2系統(tǒng)仿真分析

本文所采用的信道有三條傳輸路徑，可以用數(shù)學表達式表示成為：

h(t)=δ(t)+0.30δ(t-6)+0.25δ(t-10)

第一條：傳輸路徑延遲為6個單位，衰落系數(shù)為0.30；

第二條：傳輸路徑延遲為10個單位，衰落系數(shù)是0.25；

接收信號：由上兩條路徑的信號與無延遲無衰落的信號疊加而成，多徑數(shù)目為3。圖4給出了多徑衰落信道的幅頻特性曲線及相頻特性曲線，從圖中可得頻率點為0.25等處幅度出現(xiàn)深衰落。

圖4　信道的幅頻和相頻特性曲線圖

2.4.3輸入數(shù)據(jù)為文本文件

信號采用OFDM調制的方式，采用的載波數(shù)為32。如圖5所示是基于FFT變換的OFDM信號的發(fā)送與接收仿真圖，結合信道幅頻特性，采用數(shù)字頻率。為了方便觀察，系統(tǒng)將發(fā)送和接收信號均作了FFT變換，再結合信道特性，可得到OFDM能夠克服信道的深度衰落。

圖5　基于FFT變換的OFDM信號的發(fā)送與接收仿真圖

而后，接著考慮QAM方式下的傳輸，系統(tǒng)采用相同信道。如圖6所示是基于FFT變換的QAM信號的發(fā)送與接收仿真圖，仿照上例相同環(huán)境，可由圖6看出，在信道深度衰落處，信號有較大的畸變(即0.25點)，說明QAM方式下對信道多徑衰落較為敏感。

圖6　基于FFT變換的QAM信號的發(fā)送與接收仿真圖

圖7　OFDM符號的發(fā)送與接收仿真圖

圖8　QAM符號的發(fā)送與接收仿真圖

圖7與圖8所示是OFDM符號與QAM符號的發(fā)送與接收仿真圖，仿真結果可顯示出OFDM符號與QAM符號通過信道傳輸之后所出現(xiàn)的變化，采用OFDM技術得到的符號前后變化不大，但采用QAM技術得到的符號則會出現(xiàn)較大的失真。

通過圖5、圖6、圖7與圖8的比較可知，在原始數(shù)據(jù)一致、信道參數(shù)條件相同的兩種系統(tǒng)中，OFDM技術能夠較無失真地恢復出原始數(shù)據(jù)，而QAM技術在恢復數(shù)據(jù)時波形會出現(xiàn)較大的失真。

如圖9、圖10和圖11所示是輸入的原始文本文件與分別通過OFDM和QAM調制后所得到的文本文件的對比圖，通過圖中數(shù)據(jù)的對比，可知OFDM調制技術能夠無差錯地恢復原始文本文件，而QAM調制技術則會出現(xiàn)較多的差錯。

圖9　輸入的原始文本文件text.txt

圖10　輸出的OFDM_out_text.txt文本文件

圖11 輸出的QAM_out_text.txt文本文件

信號分別采用OFDM和QAM調制的方式，輸入名為shortest. wav的音頻文件，經(jīng)仿真，可得OFDM方式得到的音頻文件和信源區(qū)別很小，QAM方式得到的音頻文件存在一些雜聲干擾(噪聲所致)。雖效果不同，但兩種方式都能夠得到可辨識的音頻。仿真圖如下所示。

圖12　輸入名為shortest. wav的音頻文件

圖13　輸出為OFDM_out. wav的音頻文件

圖14　輸出為QAM_out. wav的音頻文件

經(jīng)過計算得出：OFDM調制下，仿真所用的時間為1.282 s，誤比特數(shù)為0；QAM調制下，仿真所用的時間為1.344 s，誤比特數(shù)為675。因此兩者的誤碼率(BER)在OFDM調制下近似為0，在16-QAM調制方式下約為21.9 %。由上可得，在相同信道條件下，OFDM要比一般單載波技術具備更強的抗多徑干擾能力，在信道的傳輸中具有更滿意的通信質量。

3　結語

本文要實現(xiàn)的是802.11a WLAN中的OFDM物理層仿真，主要是通過仿真OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)的。據(jù)此，本文主要進行的是OFDM系統(tǒng)的仿真分析，首先給出OFDM系統(tǒng)的基本參數(shù)的選擇規(guī)則，而后給出了OFDM系統(tǒng)的基本實現(xiàn)原理及框圖，接著通過對分別采用OFDM和QAM兩種調制技術的系統(tǒng)的仿真對比，得出結論，那就是在相同的信道條件下，OFDM技術要比普通的單載波調制技術具備更強的抗多徑干擾能力和更小的誤碼率。

[1]王旭,衛(wèi)鴻濤, 陳贊.擴頻調制和OFDM技術在電力線通信中的應用簡介[J].通信世界,2016,22(2):63.

[2]鄧密文, 陽佳,郭蘇嶺,等.淺析OFDM技術在移動通信系統(tǒng)中的應用[J].通信世界,2016.22(1):30-31.

[3]李萌,王瓊,武興佩.OFDM技術在LTE系統(tǒng)中的應用[J].信息通信,2016,29(1):206-207.

[4]陳丹.正交頻分復用技術OFDM在應急通訊系統(tǒng)中的應用[J].硅谷,2014,13(21):62-68.

Research on the Application of OFDM Technology in WLAN 802.11a

YAO Jie

(Fuzhou College of Foreign Studies and Trade, Fuzhou 350000, China)

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), a multi-carrier wideband digital modulation technology, which can effectively solve the transmission in multi-path interference and eliminate inter-symbol interference (ISI), can provide up to 54 Mbps data transmission rate, has the advantage of high spectrum utilization rate, of simple channel equalization technique, of being easy to implement signal modulation and demodulation, and of a strong error correction ability. With the application of OFDM technology, the WLAN technology has been further developed. Using MATLAB as a development platform, the design of simulation of OFDM systems, all aspects of the basic simulation algorithm under OFDM system are realized. By comparing the results of the simulation analysis, we know that OFDM technology to ability is stronger than that of the other single carrier modulation technology of anti-multipath interference, which has great application prospects in wireless local area network (LAN).

OFDM; WLAN; MATLAB; simulation system

2016-05-16

姚潔(1983—)，女，福建寧德人，講師，碩士，主要從事通信技術研究。

TN911

A

1009-0312(2016)05-0056-07