OFDM無線系統(tǒng)的Simulink實(shí)現(xiàn)*

許志斌，謝 萍，雷 源

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

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OFDM無線系統(tǒng)的Simulink實(shí)現(xiàn)*

許志斌，謝 萍，雷 源

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

正交頻分復(fù)用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiple)作為一種多載波數(shù)字通信方案，是第四代移動通信的核心技術(shù)。它采用串并轉(zhuǎn)換和正交多載波調(diào)制技術(shù)來使系統(tǒng)獲得較高的傳輸速率和頻譜效率。本文基于simulink軟件工具來實(shí)現(xiàn)OFDM無線系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果給出了通信參數(shù)設(shè)置不同時的OFDM系統(tǒng)性能。

OFDM；Simulink；正交子載波；串/并轉(zhuǎn)換器

隨著不斷增加的通信數(shù)據(jù)量和業(yè)務(wù)種類，高速的傳輸速率始終是系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的重要性能指標(biāo)，因而高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)一直是業(yè)界研究的熱點(diǎn)。OFDM技術(shù)的思想是通過串并轉(zhuǎn)換將信道分為多個子信道，并用相互正交的載波對各子信道信息進(jìn)行調(diào)制，這樣各子信道頻譜相互重疊，而提高了通信系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜效率。由于串并轉(zhuǎn)換是將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)換為平坦衰落信道，于是減弱甚至消除碼間串?dāng)_，而獲得良好的抗噪聲和抗多徑干擾的能力。因此，該技術(shù)在軍事通信和商業(yè)通信中均有廣泛的應(yīng)用前景和很高的研究價值。目前，它在移動通信、數(shù)字傳輸、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域都有較大地發(fā)展[1]。

本文利用Matlab中的Simulink工具箱來搭建OFDM無線通信系統(tǒng)，并測試不同通信模塊參數(shù)設(shè)置下的系統(tǒng)性能。

1 OFDM通信系統(tǒng)工作原理

圖1是OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)架，OFDM系統(tǒng)發(fā)射端的關(guān)鍵技術(shù)是利用串/并轉(zhuǎn)換器將給定信道的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為N路子數(shù)據(jù)流，再讓各子數(shù)據(jù)流分別去調(diào)制N個正交子載波，疊加組合各路調(diào)制后的信號并將其送入信道進(jìn)行傳輸，即實(shí)現(xiàn)并行傳輸。OFDM系統(tǒng)接收端的關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)射技術(shù)的逆過程，即接收端先將信號通過混頻和積分而恢復(fù)出多路子信道數(shù)據(jù)，再利用并/串轉(zhuǎn)換器使其恢復(fù)成原始信號。

圖1 OFDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)

在OFDM系統(tǒng)中，各子信道的頻譜會相互重疊，鑒于載波的正交性接收端也能無失真恢復(fù)各子信道數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流分成N路后把一個寬帶頻率選擇性信道劃分為N個窄帶平坦衰減信道，這造就了OFDM的一系列優(yōu)點(diǎn)。此外，又通過在OFDM符號之間插入保護(hù)間隔來保證頻域子信道之間的正交性，以及消除由多徑傳播所引起的符號間干擾。因此，OFDM系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗多徑衰落和降低碼間串?dāng)_的能力，而特別適用于具有多徑衰落特性的移動通信系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳輸?？傊?，OFDM技術(shù)本質(zhì)是通過串并變換把串行的高速數(shù)據(jù)流變成并行的低速數(shù)據(jù)流，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)是保證各子載波間的正交性。

2 OFDM系統(tǒng)的組成

2.1 OFDM系統(tǒng)具體分析

OFDM通信系統(tǒng)組成框圖參考文獻(xiàn)[2]。OFDM包含通信系統(tǒng)的三大部分，即發(fā)射機(jī)、信道以及接收機(jī)。

發(fā)射機(jī)的主要構(gòu)成如下[3]：

· 信源：隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(伯努利二進(jìn)制信號發(fā)生器)，即由信源發(fā)出的信號為二進(jìn)制的隨機(jī)序列。

· 編碼器：信源編碼和信道編碼。為抗擊突發(fā)干擾，又進(jìn)行交織處理。

· 串并轉(zhuǎn)換器：將一路高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為多路低速數(shù)據(jù)流。調(diào)制映射是多路子數(shù)據(jù)流與多個正交載波相調(diào)制。信道估計有利于提高接收性能。

· 保護(hù)間隔：保護(hù)間隔時長大于最大時延擴(kuò)展，可消除碼間干擾。保護(hù)間隔內(nèi)循環(huán)擴(kuò)展OFDM符號，能避免多徑傳播時的子載波間干擾。

信道模型：多徑衰落的瑞利信道與高斯白噪聲信道相組合。

接收機(jī)：發(fā)送機(jī)工作的逆過程，即執(zhí)行其反向操作。均衡模塊用于消除碼間干擾。

OFDM調(diào)制解調(diào)具有較大的運(yùn)算量。通常可利用FPGA和高速的DSP等技術(shù)，即使用FPGA完成信號的突發(fā)檢測和定時，并采用DSP完成FFT/IFFT變換和QAM/QPSK調(diào)制解調(diào)。

3 OFDM的仿真綜述

3.1 OFDM總體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

OFDM無線系統(tǒng)的Simulink模塊化仿真實(shí)現(xiàn)框圖[4]如圖2所示。與OFDM系統(tǒng)各部分組成對應(yīng)，仿真系統(tǒng)也分為3部分：發(fā)射機(jī)、信道和接收機(jī)。發(fā)送機(jī)關(guān)鍵模塊：編碼交織模塊、IFFT映射和加入循環(huán)前綴模塊。參考工作流程，采用Simulink仿真軟件搭建OFDM系統(tǒng)的仿真平臺，仿真實(shí)現(xiàn)模塊搭建步驟如下：

伯努利二進(jìn)制信號發(fā)生器→編碼→基帶信號調(diào)制并加入循環(huán)前綴→插入保護(hù)間隔→串并轉(zhuǎn)換→瑞利衰落信道→高斯信道→刪除保護(hù)間隔→解調(diào)并刪除循環(huán)前綴→信道估計→信道補(bǔ)償→移除零補(bǔ)償→解調(diào)→解碼→誤碼率計算。

圖2 基于Simulink仿真的OFDM無線系統(tǒng)

3.2 主要模塊設(shè)置

3.2.1 發(fā)射部分

信號源選用的是服從伯努利分布的二進(jìn)制信號發(fā)生器，采樣速率為36 Mbps，每幀144 bit數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)格式是Boolean。調(diào)制采用的是矩形16QAM調(diào)制。192行的二進(jìn)制流變?yōu)?8行的經(jīng)16QAM調(diào)制符號流，然后歸一化處理。最后將信號送入OFDM Transmitter。

圖3 OFDM發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖

3.2.2 信道部分

信道設(shè)置為加性高斯白噪聲信道，信道輸出端平均信噪比設(shè)置為15 dB。

3.2.3 接收部分

OFDM接收機(jī)主要實(shí)現(xiàn)功能為：去循環(huán)前綴，正向快速傅里葉變換，去填零，歸一化操作，16QAM解調(diào)，解通用塊交織，解矩陣交織，填零以實(shí)現(xiàn)解結(jié)縮短操作，經(jīng)過維特比解卷積編碼，最終得到二進(jìn)制基帶信號。接收機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖可參考文獻(xiàn)[4]。

3.3 仿真結(jié)果顯示與分析

發(fā)射機(jī)中，信號未經(jīng)OFDM技術(shù)處理前具有標(biāo)準(zhǔn)且規(guī)則的調(diào)制星座圖，而經(jīng)OFDM技術(shù)處理后的信號星座圖如圖4，圖5表示仿真長度為256的發(fā)射部分IFFT變換后的信號頻譜。

圖4 OFDM技術(shù)采用后

圖5 仿真長度為256

圖6 交織編碼參數(shù)不同

圖6表示采用不同交織編碼參數(shù)所獲得的性能曲線，實(shí)線和加點(diǎn)實(shí)線分別表示參數(shù)更改前后的特性。即將仿真系統(tǒng)中原來的部分差錯控制的矩陣交織參數(shù)16行12列更改為8行24列。由圖可知更改過的系統(tǒng)信噪比有2 dB的優(yōu)勢。圖7表示調(diào)制方式不同時的性能曲線，圖中曲線從左至右分別表示采用64QAM、128QAM和256QAM調(diào)制方式下的系統(tǒng)特性，由圖可知，采用MQAM調(diào)制方式時，當(dāng)M越小，系統(tǒng)性能會越差。

圖7 調(diào)制方式不同

4 結(jié)束語

本文借助MATLAB中的Simulink工具箱，搭建了OFDM無線通信系統(tǒng)并對其進(jìn)行了仿真測試，驗(yàn)證其組成模塊的功能特點(diǎn)。仿真結(jié)果顯示了調(diào)制方式，交織參數(shù)，IFFT長度，卷積參數(shù)等對系統(tǒng)傳輸特性的影響。

[1] 魏瑞.基于MATLAB的OFDM通信系統(tǒng)的仿真[J].科技廣場,2011(6):45-47.

[2] 明艷，李強(qiáng)，胡慶.基于Simulink的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011(10)：63-67.

[3] 曹曉峰，陳利學(xué)，秦勃.基于Simulink的OFDM系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].信息技術(shù)，2011(10):150-152.

[4] 徐明遠(yuǎn)，邵玉斌.MATLAB仿真在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

Simulink Implementation of OFDM Wireless System

Xu Zhibin,Xie Ping,Lei Yuan

(InformationEngineeringInstitute，HenanUniversityofScienceandTechnology,LuoyangHenan471000,China)

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is a multi-carrier digital communication scheme,and is the core technology of 4G mobile communication systems.The system can provide higher transmission rate and spectrum efficiency by exploiting OFDM,which use serial-to-parallel conversion and orthogonal multi-carrier modulation technique.By using Simulink software tools,the simulation of OFDM wireless system is realized in this paper.The simulation results show that the OFDM system performance is not the same as the communication parameter setting.

OFDM; Simulink; orthogonal subcarrier; serial-to-parallel convertor

2016-05-24

2016-09-30

河南科技大學(xué)大學(xué)生訓(xùn)練項目(SRTP2015040)

許志斌(1993-)，男，河南鄭州人，本科在讀，專業(yè)方向：信息工程。

1674-4578(2016)05-0052-03

TN919

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