OFDM通信系統(tǒng)虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計

任魯涌 王作霖

（山東理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255049）

現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展迅猛，各種通信方式層出不窮，手機通信工具成了必備。近幾年的通信產(chǎn)業(yè)在世界上的競爭越來越激烈，4G、5G接連出現(xiàn)。迄今為止，中國在通信工程方面獲得了巨大的成就，為世界做出了巨大的貢獻(xiàn)，如以華為公司為代表的5G的研發(fā)更是處于世界領(lǐng)先水平。而在這背后支撐著的就是通信系統(tǒng)的研發(fā)與實現(xiàn)。OFDM通信系統(tǒng)作為一種通信技術(shù)，由于具有頻譜利用率高、抗多徑及抗窄帶干擾、抗頻率選擇性衰落、抗ISI及抗ICI等眾多優(yōu)點，成為現(xiàn)代移動通信的核心技術(shù)之一，因此OFDM原理以及實際應(yīng)用十分的重要。要掌握OFDM通信系統(tǒng)其理論上的知識，進行其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析是首要一環(huán)，在仿真研究中理解其原理是首要工作。

1 OFDM通信系統(tǒng)組成

OFDM通信系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 OFDM通信系統(tǒng)組成框圖

由圖1可以直觀地看出通信系統(tǒng)中，信號的處理及傳輸過程，首先是由信源產(chǎn)生二進制輸入數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)要先通過信道編碼以提高數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)目煽啃裕诺谰幋a采用的是卷積編碼。但卷積編碼不能有效地避免傳輸過程中的突發(fā)性錯誤，這時就需要通過交織技術(shù)把突發(fā)性錯誤轉(zhuǎn)換成隨機性錯誤，進而通過信道編碼將其解決。之后則需要進行信號調(diào)制，本設(shè)計的通信系統(tǒng)中，采用的調(diào)制方法有QPSK以及16-QAM的調(diào)制方式。再經(jīng)過擴頻、插入導(dǎo)頻等一些關(guān)鍵技術(shù)，并進行數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換，則可以采用IFFT算法進行載波調(diào)制，同時需要利用IFFT算法加入循環(huán)前綴，多載波調(diào)制之后則進入子信道傳輸。載波調(diào)制對應(yīng)的解調(diào)是用FFT算法實現(xiàn)，去循環(huán)前綴用FFT算法，至此發(fā)射機的部分已經(jīng)大致實現(xiàn)。對應(yīng)于接收機的設(shè)計，由圖1框圖可看出，其大多是發(fā)射機部分的逆過程，不同的是在接收機部分加了一個信道均衡模塊，目的是增強系統(tǒng)信道傳輸中的抗衰落的能力。還有通信系統(tǒng)還需要采取同步技術(shù)，保證收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致。此外還需進行信道估計，對數(shù)據(jù)在信道傳輸時產(chǎn)生的誤差進行估計，之后使用信道均衡技術(shù)來避免這些誤差造成過大的影響。在發(fā)射機與接收機之間的信道中存在著對于信號的各種各樣的干擾和衰落，在此設(shè)計中會利用多種信道模型進行設(shè)計，盡量模擬出實際的信道情況。

2 OFDM通信系統(tǒng)的仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

設(shè)計過程采用MATLAB的編寫M文件的方式，對圖1所示的OFDM通信系統(tǒng)的每一個模塊進行編程，形成完整的仿真程序文件，最后通過MATLAB仿真進行實現(xiàn)驗證，并通過調(diào)試盡可能虛擬仿真出符合實際實用的結(jié)果，便于進行分析和驗證理論、理解理論。

OFDM通信系統(tǒng)發(fā)射機的仿真設(shè)計實現(xiàn)：卷積碼，交織技術(shù)，用MATLAB中自帶的函數(shù)來仿真，編寫的仿真程序中卷積碼約束長度為7；調(diào)制采用數(shù)字調(diào)制，選用QPSK及16QAM，QPSK的四種載波相位45°、135°、225°、315°；16QAM采用方形星座；擴頻是將一系列正交的碼字與基帶調(diào)制信號內(nèi)積，插入導(dǎo)頻，注意導(dǎo)頻插入位置十分的重要；串并轉(zhuǎn)換，載波調(diào)制及加入循環(huán)前綴用IFFT算法。

OFDM通信系統(tǒng)信道的仿真設(shè)計實現(xiàn)：設(shè)計的信道模型選為高斯白噪聲信道模型和瑞利衰落信道模型；瑞利衰落信道模型用來模擬多徑信道以及多普勒頻移這種由于接收機的移動信號的頻率和相位發(fā)生改變的情況。選用瑞利信道時，先定義一個單徑瑞利信道函數(shù)，之后使用這個函數(shù)來設(shè)計一個二徑瑞利信道，對其參數(shù)的設(shè)置中，使最大多普勒頻移為100。

OFDM通信系統(tǒng)接收機的仿真設(shè)計實現(xiàn)：包括載波解調(diào)及去循環(huán)前綴用FFT算法，并串轉(zhuǎn)換、解擴、QPSK以及16-QAM解調(diào)、解交織、卷積譯碼等模塊。同時接收機部分要加入信道估計與信道均衡技術(shù)實現(xiàn)模塊。信道估計是來確定在接收端所收到的信號由于衰落及干擾的影響進而產(chǎn)生的偏差，而信道均衡技術(shù)則是根據(jù)這種偏差對信號進行相應(yīng)的補償，此信道均衡選用線性均衡實現(xiàn)。

3 OFDM通信系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

OFDM通信系統(tǒng)中各模塊的仿真參數(shù)的設(shè)置在前面的設(shè)計過程中已經(jīng)完成，卷積碼約束長度7，調(diào)制QPSK或16QAM，系統(tǒng)子載波數(shù)53、FFT長度64、循環(huán)前綴的長度16、每幀所包含OFDM符號數(shù)6、每種信噪比下的仿真幀數(shù)1000、信道高斯白噪聲或瑞利衰落二經(jīng)信道。對OFDM通信系統(tǒng)中調(diào)制采用QPSK及信道采用高斯白噪聲的通信系統(tǒng)的傳輸可靠性仿真結(jié)果如圖2所示，由圖2的傳輸發(fā)送接收數(shù)據(jù)圖2 a及誤比特率曲線（見圖2b）可驗證系統(tǒng)采用卷積碼編譯碼及擴頻技術(shù)能有效提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計的虛擬仿真OFDM通信系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)正確傳輸功能。對OFDM通信系統(tǒng)中調(diào)制采用QPSK和16QAM及信道采用瑞利衰落單經(jīng)和二經(jīng)信道通信系統(tǒng)的傳輸可靠性仿真結(jié)果如圖3所示，由圖3仿真結(jié)果可驗證：OFDM通信系統(tǒng)中的調(diào)制方式的選擇是重要的，如QPSK調(diào)制方式比16-QAM調(diào)制誤比特率更低，但16-QAM調(diào)制具有更高的傳輸速率；單徑信道和二徑信道下的QPSK調(diào)制和16-QAM調(diào)制系統(tǒng)誤碼率曲線近似重合，意味著二徑信道對于OFDM通信系統(tǒng)的可靠性影響與單徑信道并無較大差別，因此驗證了OFDM通信系統(tǒng)具有抗多徑效應(yīng)的能力。

圖2 OFDM通信系統(tǒng)采用QPSK及高斯噪聲信道傳輸可靠性仿真

4 結(jié)語

通過具體利用MATLAB對整個OFDM通信系統(tǒng)中的每一個模塊和關(guān)鍵技術(shù)分別進行編碼與設(shè)計完成整個系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)、仿真分析并得到正確的結(jié)論，重點是OFDM通信系統(tǒng)的仿真分析中研究了關(guān)鍵技術(shù)和不同模塊對系統(tǒng)性能的所產(chǎn)生的不同影響，使學(xué)生直觀地看到不同的模塊對于通信系統(tǒng)不同的作用，更是容易理解OFDM通信系統(tǒng)的原理知識。同時此仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計是基于培養(yǎng)學(xué)生加深理解OFDM通信系統(tǒng)的理論及實際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生能夠直觀的理解掌握通信系統(tǒng)的設(shè)計原理，設(shè)計步驟，設(shè)計方法以及設(shè)計平臺，更直觀的去研究分析設(shè)計結(jié)果，更有興趣投入到通信的學(xué)習(xí)中來。

圖3 OFDM通信系統(tǒng)的抗多徑效應(yīng)的性能仿真