基于Simulink的改进型OFDM通信系统研究

李亚文

（商洛学院 电子信息工程与电气工程学院，陕西商洛726000）

基于Simulink的改进型OFDM通信系统研究

李亚文

（商洛学院 电子信息工程与电气工程学院，陕西商洛726000）

为了克服现有通信技术中在低信噪比情况下计算复杂度高、误码性能差的缺陷，提出了一种改进型的OFDM通信系统,在Simulink仿真平台中设计了完整的通信系统模型，模拟了多径瑞利衰落信道与加性高斯白噪声信道的OFDM通信完整过程，实验结果表明，改进型的OFDM通信系统对信噪比要求不高，降低了OFDM通信系统中所存在的高峰均比问题，能有效地消除信号多径传播所造成符号干扰并且误码率较低。

正交频分复用；移动通信；多径效应；Simulink

随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的不断需求，并且DSP/FPGA等芯片技术，栅格技术和自适应调制技术的不断发展，使OFDM作为一种有效对抗频率选择性衰落和信号波形间干扰的高速无线通信技术—正交频分复用技术（简称OFDM），逐步进入人们的视野，并引起了广泛关注，现已成为第四代移动通信的主流技术。实际上OFDM[1]是一种多载波数字频率调制技术，它的多个载波信号的频谱是正交的，其使用了无干扰正交载波技术，主要应用于军事无线环境下的高频通信系统。20世纪60年代提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念，将多路基带信号调制到不同频率载波再进行叠加，是复合信号的多路复用技术，将信道带宽进行分解，中间采用频带保护来降低噪声干扰；70年代，人们提出采用DFT/IDFT来实现多个载波的调制，80年代，MCM技术快速发展，大规模和超大规模集成电路的发展，让FFT技术的实现不再是技术难题，使得一些系统结构大大简化，从此OFDM走上了实用通信的舞台[2-3]。目前OFDM通信系统广泛的应用于利用移动调频和单边带（SSB）信道进行高速数据通信[4]、陆地移动通信，高速数字用户环路（HDSL），非对称数字用户环路（ADSL）、数字视频广播（DVB）、高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统。

1 OFDM通信系统工作原理

OFDM通信系统采用离散傅里叶反变换的载波都是频谱正交的，在同一频带内传输彼此是不相关的，将高速传输的信息数据流经过串并转换后，分配给频率较低的若干个频率子信道进行传输，经过信息编码后，再分配给多个相互正交且调制速率较低的载波，由于信道的时间扩散远小于调制后符号的持续间隔[5]，因此对于突发性脉冲干扰下和具有较大失真的数字信号提供有效地保护，OFDM技术对由于多径效应而引起的时延扩散不敏感，若信号占用带宽大于信道相干传输的带宽，则由于多径效应的影响，而出现频率选择性衰落，即迫使信号的一部分频率分量增强，一部分频率分量减弱，OFDM技术利用了信道的频率分集，在信道衰落现象严重的地方添加均衡器，通过信道的频域联合编码和并行分散的数据之间建立映射关系，因此，由部分选择性衰落或噪声干扰而被破坏的数据使用频率分集技术将频率分量增强部分接收到的数据得以完整还原恢复，并把可用通信信道分成许多个适合窄带信号（一般为100-8000）传输的信道，图1表述了OFDM通信系统工作原理框图。

图1 OFDM通信系统工作原理框图

2 改进型的OFDM通信系统工作过程

在原有的OFDM通信系统中加入傅里叶反变换，即IFFT，将输入的比特信息流用调制方式映射到多个载波分路上，建立调制后的信息序列，使用IFFT逆变换将频域的数字频谱变换为时域表示形式，可得OFDM调制后信号的时域抽样序列；再添加符号循环前缀和间隔保护，进行变频处理后，即可得OFDM调制后信号的频带时域序列波形[6-7]。在信宿端，先对接收后的数字信号进行数字变频预处理，去掉波形字符的保护间隔，得到OFDM已调信号的时域抽样序列，并对该抽样序列进行傅里叶变换（FFT）即得到原调制序列信号。

2.1 调制过程

如图2所示为调制过程框图。设OFDM系统中多载波的子信道有N个，其中，设第k个子信道采用的子载波为：

式中：Bk是第k路子信道的载波振幅，xk为第k路子信道的前端的输入数据，受基带码元信号调制；fk为第k路子载波频率；φk为第k路信道的子载波初始相位,则此系统中的N路多载波信道中的子信号之和可表示为：

一个码元时间内任意两个子载波正交条件：

为了使N路载波的子信道信号在接收端能够完全分离，要求各路载波之间必须满足相互正交的条件，即要求最小的子载频间隔为：

图2 OFDM系统的调制

2.2 解调过程

当接收机检测到N个支路的信号到达时，首先分别用各个载波混频和积分，进行同步和信道估计[8]，恢复出各个支路的子信号，当完成时间帧同步、位同步、小数倍频偏估计和码元检错和纠错后，经过FFT变换，再进行整数倍频偏估计和纠正、并/串变换和QAM或QPSK的解调后就能恢复出基带码元信息，进而就可得到数字信号比特流。图3为OFDM通信系统的解调框图，OFDM系统中各路载波根据信道的实际情况可以采取不同的调制方式，因此在解调的时候各个子信道也会选取相应的解调方式，使得频带利用率和误码率平衡，子信道进行解调的过程中，需要计算相应子载波频率的最大值，寻找其他支路中子载波的频谱值恰好为零的地方，这样，可以不受到其他路支载波子信道的干扰，从多路互相重叠的通信子信道中提取每个子信道的数字符号，而其中OFDM通信系统各支路子载波的频谱特性，根据子载波正交性质，可以恢复出原始数据符号dk,n，对xk进行逆变换及FFT得到：

图3 OFDM系统的解调

3 实验仿真

Simulink作为平台设计了OFDM通信系统的仿真模型，上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路，整个系统包含信道编/解码、数字调制/解调、IFFT/FFT、加/去保护间隔和数模变换。如图4所示，建立OFDM通信系统仿真框图，其中主要的模块包括：伯努利二进制信号发生器，RS编码模块，QPSK调制与解调模块，导频产生模块，串并转换模块，多径瑞利衰落信道模块，信道估计模块，信道补偿模块，误码率计算模块。

图4 基于Simulink的OFDM通信系统模型

实验仿真分析了发射端的基带信号和接受端的恢复的信号，其中，图5和图6是发射端的信源信号，图7和图8是接受端的信号。

图5 发射端信号的实部

图6 发射端信号的虚部

图7 接收端信号的实部

图8 接收端信号的虚部

将发射端和接受端的信号功率谱密度进行归一化比较，如图9和图10所示。

图9 发射端信号归一化功率谱密度图

图10 接收端信号归一化功率谱密度图

4 实验结果分析

通过实验仿真通信系统信源和信宿端的信号，对比实验结果，主要从3个方面分析影响OFDM系统性能的因素。

4.1 普勒效应对OFDM系统性能的影响

普勒效应[9]是指当发射源与接收机之间存在相对运动时，接收机所接收到的信号(由发射源发送)与发射源发射的信号的频率不相同，二者之差即为多普勒效应。当两者距离越来越远时，接收信号的频率与发射信号频率相比较低；当两者之间距离减小时，接收信号的频率与发射信号频率相比较高。由无线信道的时变性引起的接收信号频谱展宽称为多普勒扩展。在无线信道上由于多普勒效应的影响，当发射机发送一个频率为f0的正弦波时，接收信号频谱被展宽，将包含频率为f0-fd～fd+f0的频率分量。如图11所示为普勒效应对OFDM系统性能的影响，当信噪比相同时，多普勒频移越大，OFDM系统的误比特率的越大，导致OFDM系统的性能较差。

图11 多普勒频移对OFDM差错性能的影响

4.2 RS编码对OFDM系统性能的影响

在相同信噪比下，经过RS编码[9]的误比特率比未经过RS编码时偏小，说明RS编码可以对OFDM系统性能有一定的改善作用；当信噪比到达一定数值约28 dB,经过RS编码的误码率急剧下降，通信系统性能急剧变差，通过实验分析可知，信噪比的细小变化，都会引起系统性能的较大变化。虽然RS编码可以在一定程度上改善系统的性能，但当信噪比到达一定程度后，想继续提高系统差错性能，显然就要改变编码方式，如图12所示，为RS编码对OFDM系统差错性能的影响。

图12 RS编码对OFDM系统差错性能的影响

4.3 OFDM系统的误码分析

图13和图14分别取仿真时间t=0.1 s和t= 1 s对OFDM通信系统的误码率进行分析。

图13 仿真时间t=0.1s系统的误码性曲线

图14 仿真时间t=1s系统的误码性曲线

5 结语

本文使用simulink建立了OFDM通信系统模型，并对该系统模型的通信全过程进行仿真分析，实验结果主要从普勒效应、RS编码和误码率等3个方面分析其影响OFDM通信系统性能，可看出OFDM可以有效地消除信号多径传播所造成符号干扰(ISI)，尤其是适合高层建筑物和居民居住密集的地方，OFDM通信系统的抗频率选择性衰落和窄带干扰[10]，使得它在很多领域得到了广泛的应用，人们也纷纷开始了对无线OFDM的相关研究，随着无线通信技术发展，OFDM必将成为未来数字移动通信的核心技术组成部分。

[1]佟学俭,罗 涛.OFDM移动通信技术原理及应用[M].北京：人民邮电出版社,2003：56-63.

[2]Lee J,Miller L E.CDMA System Engineering Handbook [M].London：Artech House,1998：112-117.

[3]谭 波.OFDM系统的仿真技术研究[D].北京：北京工业大学,2009：23-25.

[4]徐明远,邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,2006：78-84.

[5]胡永乐.OFDM通信系统中关键技术的研究[D].桂林：广西大学,2004：13-14.

[6]束 锋,罗 琳,吴乐南.OFDM通信系统中的一种通用的信道估计模型[J].电路与系统学报,2001,13(2)：39-43.

[7]朱春梅,徐 菲,王 瑜,等.第三代移动通信系统中分组数据业务模型的研究[J].重庆邮电学院学报：自然科学版,2002,24(30)：9-14.

[8]周 龙,刘海萍.无线通信系统信道模型研究[J].光机电信息,2010,8(4)：26-30.

[9]傅延增,张海林,王育民.正交频分复用中的符号同步技术[J].西安：电子科技大学学报,2000(3)：335-339.

[10]刘 宝.OFDM通信系统中同步技术的研究与实现[D].重庆：电子科技大学,2013：21-23.

（责任编辑：李堆淑）

A Simulink-basde Study on Im proved OFDM Communication System

LI Ya-wen
(College of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo 726000,Shaanxi)

In order to overcome the existing communication technology under the condition of low SNR in high computational complexity error performance of defects,an improved OFDM communications system is proposed and a complete communication system model in Simulink is designed,to simulate the multipath Rayleigh fading channel with additive white gaussian noise channel of OFDM communication complete process,the results show that the improved OFDM communication systems on signal-to-noise ratio is not high,reducing the OFDM communication system in the high PAR problem,effectively eliminating the signal interference caused by multipath propagation symbol and Lower error rate.

orthogonal frequency division multiplexing;mobile communication;multipath effect;Simulink

TN919.3

：A

：1674-0033（2014）06-0028-05

10.13440/j.slxy.1674-0033.2014.06.009

2014-09-05

商洛学院科研基金项目（14SKY001）

李亚文，女，陕西渭南人，硕士，讲师