OFDM技术研究及系统仿真

王永伟

【摘要】 正交频分复用（OFDM）已成为第四代移动通信的核心技术，是LTE的关键技术之一。本文首先介绍了OFDM的基本原理和关键技术。然后，在上述给出的OFDM模型中，通过仿真分析了OFDM系统在高斯白噪声和多径衰落信道的误码率分布曲线，结果表明OFDM系统具有良好的系统性能。

【关键词】 正交频分复用 信道估计 峰均比 同步 误码率

无线通信业务的多媒体化是发展方向之一，业务的多媒体化要求有高速的数据传输来支撑，因而宽带的高速数据传输是无线通信必然的发展趋势。为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代的无线通信中必须采用频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输技术。在当前能提供高速率传输的各种无线方案中，以正交频分复用（OFDM）为代表的多载波调制技术是最有前途的方案之一。目前，人们已经将OFDM技术的良好性能与各自的研究领域结合了起来，在高速无线通信领域得到了广泛应用，已经成为4G移动通信系统的核心技术之一。

一、OFDM的基本原理

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。

二、OFDM关键技术

OFDM系统中包括了诸多的关键技术，主要有如下几点。

（l）信道估计。在无线通信系统中，解调主要可以分为相干解调和差分解调两种。与差分解调相比，相干解调的实现要复杂一些，但是差分解调的信噪比比相干解调要低3个分贝。此外，差分解调还限制了频带利用率，而用相干解调可以使用多振幅调制，提高频带利用率，这些对于提高移动通信的数据传输速率是十分必要的，因此，OFDM系统接收一般都采用相干解调。但它在接收端需要对信道参数进行估计。信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息和位置的选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须周期性地传送。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。在OFDM系统中，信道估计的方法有很多，主要可分为三类：基于导频信号的方法、基于判决反馈的方法和盲估计方法。

（2）降低峰均功率比。OFDM信号是由多个正弦信号合成的。根据中心极限定理，当子载波数较大时，信号的幅度将趋于高斯分布。因此，OFDM 信号的一个主要缺点是峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）较大，高PAPR对系统高功率放大器（HPA）和A/D变换器的线性度提出了很高的要求。如果在高峰值功率时出现非线性，就会产生子载波间的交调干扰和带外辐射，从而大大降低了OFDM系统的性能，影响了OFDM技术的广泛应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号编码技术、选择映射（SLM）技术以及部分传输序列（PTS）技术来减少OFDM系统的PAPR。

（3）时域和频域同步。同步是一个系统的控制核心，对于任何数字传输技术都很关键，对于OFDM系统来说，尤为重要，因为OFDM对于同步误差极其敏感，同步的质量直接涉及到接收机的性能。如图1所示，OFDM系统的同步分为载波同步、符号同步和样值同步。其中载波同步又包括载波频率偏差和载波相位偏差两个方面。不同的同步偏差对于系统会造成不同程度的影响。目前的同步研究进展主要分定时同步方法和载波同步方法。

三、OFDM系统仿真

3.1 OFDM系统仿真原理

要利用Simulink 实现OFDM系统的仿真，需建立一个完整的OFDM系统。首先是要建立系统模型，利用Simulink 进行模型构建，并进行参数设置，然后再对其进行整体仿真。这里我们根据OFDM系统原理框图在通信工具箱中找出相应的模块来连接搭建一个完整的OFDM系统模型。其仿真参数如表1所示。

3.2 仿真结果分析

在多径衰落信道和加性高斯白噪声下，通过改变多径衰落信道和加性高斯白噪声信道的信噪比，我们分别得到了未编码和采用RS编码后的OFDM系统性能曲线可以看出OFDM系统的抗噪声干扰和抗多径干扰的能力。输入序列是随机产生的，每次运算的结果不尽相同，但是其系统的整体变化趋势是不变的。而且，在统一信噪比下的误码率也是在同一个数量级上。在信号较差的情况下，无论是未经RS编码的曲线还是经过了RS编码的曲线，系统依然都可以获得很低的误码率，这充分说明了OFDM系统的优越性。当信噪比达到一定数值时，信噪比的微小增加就会极大地改进OFDM系统的性能，如果分组码的码长足够长的话，曲线急剧下降处的信噪比只比获得同样比特速率的理想信道容量所需的信噪比略大。因此，仿真說明OFDM系统在加性高斯白噪声和多径衰落信道条件下具有良好的抗干扰能力。

四、结论

本文主要研究了OFDM的基本原理以及所用到的主要关键技术，最后利用Simulink构建了OFDM系统模型，并在多径衰落信道和加性高斯白噪声下对其进行了仿真。通过对仿真结果的分析，确定了OFDM系统在抗噪声干扰和抗多径干扰方面都表现出很好的误码率性能。OFDM的一个主要优点就是对抗多径衰落，因此，其主要应用在无线环境中。由于该系统良好的特性，已成为4G时代蜂窝移动通信网络的无线接入技术。OFDM的应用潜力是巨大的，但还有许多问题需要解决，只有对OFDM 进行深入的研究，很好的克服OFDM自身的缺陷，才能使OFDM技术在第四代移动通信等诸多领域发挥更大的作用。