基于OFDM系統(tǒng)的Simulink仿真過程研究

季鈺林，劉家威，傅俊杰

(成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610103)

0 引言

隨著人們對手機等其他無線終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要求的不斷提高，通信質(zhì)量和頻譜利用率成為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)和挑戰(zhàn)。而正交頻分復(fù)用系統(tǒng)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）將多個信道分成若干正交子信道，提高信道利用率、對抗頻率選擇性衰落和噪聲提高傳輸質(zhì)量，因此他被認(rèn)為是未來無線系統(tǒng)的最佳選擇。為進一步提高信道利用率和傳輸速率，許多高性能的傳輸方案被引入到無線通信系統(tǒng)中，比如信道估計、MIMO技術(shù)等。

近些年來，國外很多公司企業(yè)都將OFDM技術(shù)應(yīng)用于短波通信，并且開展了多載波傳輸技術(shù)，實驗表明，短波通信中應(yīng)用多載波傳輸技術(shù)可以極大提升通信質(zhì)量。隨著多載波技術(shù)的深入發(fā)展，國內(nèi)很多企業(yè)也陸續(xù)研究基于OFDM技術(shù)的短波通信電臺，以提高短波通信的抗截獲性和傳輸可靠性[1]。本文通過仿真實驗，主要探究了OFDM系統(tǒng)在不同條件下對系統(tǒng)性能的影響，通過對系統(tǒng)性能的分析，得出系統(tǒng)在什么條件下性能最好，對OFDM技術(shù)應(yīng)用于短波通信具有積極作用。

1 OFDM系統(tǒng)的基本原理

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實際上 OFDM是MCM（Multi Carrier Modulation）多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將數(shù)據(jù)流分解成若干個獨立的低速比特流，從頻域上說就是分解成多個子載波，然后調(diào)制到每個子信道上進行并行傳輸。正交信道在接收端采用相關(guān)技術(shù)進行區(qū)分，可以減少子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相干帶寬，因此每個子信道可以看成平坦衰落，從而消除碼間干擾[2]。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的小部分，信道均衡變得相對容易。圖1為OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）系統(tǒng)的原理圖。

圖1 OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）系統(tǒng)原理圖Fig.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Technology) system schematic diagram

2 Simulink仿真過程

在仿真模型中首先隨機產(chǎn)生整數(shù)序列，然后進行串并轉(zhuǎn)換、進行QPSK調(diào)制、插入導(dǎo)頻、進行IFFT運算、插入保護間隔，然后經(jīng)過信道，移除保護間隔、進行FFT運算、加入信道估計、進行QPSK解調(diào)，在進行并串轉(zhuǎn)換，最后進行判決輸出[3]。

2.1 OFDM的循環(huán)保護間隔

OFDM的優(yōu)勢之一可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。在OFDM系統(tǒng)中，為了最大限度的消除符號間干擾，在每個符號之間插入保護間隔（GI），如圖2所示，將N-Ncp之后的數(shù)據(jù)復(fù)制到前端形成循環(huán)前綴，該循環(huán)前綴就是保護間隔，其長度一般要大于無線信道的最大時延拓展，這就使每一個符號的多徑分量不會對下一符號造成干擾。

圖2 循環(huán)前綴原理圖Fig.2 Schematic diagram of cyclic prefix

在實際應(yīng)用中，首先要加入循環(huán)前綴形成保護間隔再送入信道中進行傳輸，這可以有效的對抗碼間串?dāng)_[4]，即在OFDM符號開始部分插入其后部分，形成循環(huán)前綴。在接收端，首先將接收到信號的前綴丟棄，然后對剩余的部分進行傅里葉變換。

2.2 信道估計

在 OFDM 系統(tǒng)的相干檢測中需要對信道進行估計，信道估計的進度將直接影響整個系統(tǒng)的性能。信道預(yù)測方法可分為線性預(yù)測和非線性預(yù)測[5]。非線性預(yù)測算法是將樣值序列分解為信號子空間和噪聲子空間，對信道系數(shù)進行預(yù)測，此類算法復(fù)雜度高、計算量大且不易實現(xiàn)；線性預(yù)測算法抽樣速率低，預(yù)測距離較長，但要求信道的統(tǒng)計特性已知[6]。如圖 3所示的信道估計仿真圖所示，本次研究以 LS信道估計方法對未來時刻進行預(yù)測。

圖3 信道估計仿真圖Fig.3 Channel estimation simulation diagram

2.3 信道

在通信理論中，常用的仿真信道模型為AWGN和RAYLEIGH。AWGN即為僅含高斯白噪聲的信道，這是在通信理論中無法避免的噪聲，其功率譜密度為均勻函數(shù)，概率密度函數(shù)呈正態(tài)分布[7]。RAYLEIGH信道是一種無線電信號傳播環(huán)境的統(tǒng)計模型。從基站發(fā)出的信號經(jīng)過反射、折射、散射等多條路徑傳播到達(dá)接收機后，總信號的強度服從瑞利分布。同時由于接收機的移動及其他原因，信號強度和相位等特性又在起伏變化，故稱為瑞利衰落，這就使得接收信號的誤碼率大大增加。

3 仿真結(jié)果與分析

本次實驗基于Simulink仿真，得到不同參數(shù)下的仿真數(shù)據(jù)（如下系統(tǒng)參數(shù)值和仿真數(shù)據(jù)）。其中參數(shù)選擇有子載波數(shù)、循環(huán)前綴長度、導(dǎo)頻長度、信道，本次實驗的目的就是對比在不同循環(huán)前綴長度、不同導(dǎo)頻長度、不同信道下對誤碼率的影響[8]。（snr表示信噪比；err表示誤碼率）。

表1和表2表示在高斯信道下循環(huán)前綴長度為8，導(dǎo)頻長度為16下的實驗數(shù)據(jù)，信噪比取0到15，共16組數(shù)據(jù)。

表1 高斯信道系統(tǒng)參數(shù)值Tab.1 Gaussian channel system parameter values

表2 高斯信道系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)Tab.2 Gaussian channel system simulation data

表3和表4表示在瑞利信道下循環(huán)前綴長度為8，導(dǎo)頻長度為16下的實驗數(shù)據(jù)，信噪比取0到15，共16組數(shù)據(jù)。

表3 瑞利信道系統(tǒng)參數(shù)值Tab.3 Rayleigh channel system parameter values

表4 瑞利信道系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)Tab.4 Rayleigh channel system simulation data

表5和表6表示在瑞利信道下不添加循環(huán)前綴，導(dǎo)頻長度為16下的實驗數(shù)據(jù)，信噪比取0到15，共16組數(shù)據(jù)。

表5 不加循環(huán)前綴瑞利信道系統(tǒng)參數(shù)值Tab.5 Rayleigh channel system parameter values without cyclic prefix

表6 不加循環(huán)前綴瑞利信道系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)Tab.6 Simulation data of Ruili channel system without cyclic prefix

表7和表8表示在高斯信道下循環(huán)前綴長度為 8，不添加導(dǎo)頻長度、不采用信道估計下的實驗數(shù)據(jù)，信噪比取0到15，共16組數(shù)據(jù)。

表7 循環(huán)前綴為8時瑞利信道系統(tǒng)參數(shù)值Tab.7 Rayleigh channel system parameter values when the cyclic prefix is 8

表8 循環(huán)前綴為8時瑞利信道系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)Tab.8 Rayleigh channel system simulation data when the cyclic prefix is 8

由上實驗數(shù)據(jù)在MATLAB中得到如圖4的性能圖，橫坐標(biāo)信噪比（SNR）和縱坐標(biāo)誤碼率（BER），其中黑色線表示在不采用信道估計時瑞利信道的實驗數(shù)據(jù)；綠色線表示在不采用循環(huán)前綴時瑞利信道的實驗數(shù)據(jù)；藍(lán)色線表示既采用信道估計也采用循環(huán)前綴下的瑞利信道的實驗數(shù)據(jù)；紅色線表示僅在高斯信道下的實驗數(shù)據(jù)。

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results

4 結(jié)論

通過本次對OFDM系統(tǒng)進行Simulink仿真研究，對OFDM系統(tǒng)中信號的產(chǎn)生、調(diào)制和解調(diào)模塊，在高斯和瑞利信道下進行仿真，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并針對得到的數(shù)據(jù)仔細(xì)研究了誤碼率。通過一系列仿真和分析證實了：（1）對高速數(shù)據(jù)流進行串并轉(zhuǎn)換，增加數(shù)據(jù)符號的比特信噪比，提高對抗多徑時延能力，降低信號在傳輸過程中的誤碼率；（2）采用循環(huán)前綴來填充保護間隔，可以提高對抗多徑傳播帶來的影響，降低信號在傳輸過程中的誤碼率；（3）利用 LS算法對信道進行估計，可以降低信號在傳輸過程中的誤碼率；（4）信號只在高斯信道下傳輸性能是最優(yōu)的。當(dāng)然OFDM系統(tǒng)也存在一定的缺陷，對相位噪聲和載波頻偏非常敏感和存在均峰值過大。這對于我們以后的研究指明了方向。