OFDM通信系统虚拟仿真实验系统的设计

任鲁涌 王作霖

（山东理工大学计算机科学与技术学院，山东 淄博 255049）

现代通信技术发展迅猛，各种通信方式层出不穷，手机通信工具成了必备。近几年的通信产业在世界上的竞争越来越激烈，4G、5G接连出现。迄今为止，中国在通信工程方面获得了巨大的成就，为世界做出了巨大的贡献，如以华为公司为代表的5G的研发更是处于世界领先水平。而在这背后支撑着的就是通信系统的研发与实现。OFDM通信系统作为一种通信技术，由于具有频谱利用率高、抗多径及抗窄带干扰、抗频率选择性衰落、抗ISI及抗ICI等众多优点，成为现代移动通信的核心技术之一，因此OFDM原理以及实际应用十分的重要。要掌握OFDM通信系统其理论上的知识，进行其系统的结构设计及仿真分析是首要一环，在仿真研究中理解其原理是首要工作。

1 OFDM通信系统组成

OFDM通信系统的组成框图如图1所示。

图1 OFDM通信系统组成框图

由图1可以直观地看出通信系统中，信号的处理及传输过程，首先是由信源产生二进制输入数据，输入数据要先通过信道编码以提高数据在信道中传输的可靠性，信道编码采用的是卷积编码。但卷积编码不能有效地避免传输过程中的突发性错误，这时就需要通过交织技术把突发性错误转换成随机性错误，进而通过信道编码将其解决。之后则需要进行信号调制，本设计的通信系统中，采用的调制方法有QPSK以及16-QAM的调制方式。再经过扩频、插入导频等一些关键技术，并进行数据串并转换，则可以采用IFFT算法进行载波调制，同时需要利用IFFT算法加入循环前缀，多载波调制之后则进入子信道传输。载波调制对应的解调是用FFT算法实现，去循环前缀用FFT算法，至此发射机的部分已经大致实现。对应于接收机的设计，由图1框图可看出，其大多是发射机部分的逆过程，不同的是在接收机部分加了一个信道均衡模块，目的是增强系统信道传输中的抗衰落的能力。还有通信系统还需要采取同步技术，保证收发双方在时间上步调一致。此外还需进行信道估计，对数据在信道传输时产生的误差进行估计，之后使用信道均衡技术来避免这些误差造成过大的影响。在发射机与接收机之间的信道中存在着对于信号的各种各样的干扰和衰落，在此设计中会利用多种信道模型进行设计，尽量模拟出实际的信道情况。

2 OFDM通信系统的仿真实验系统设计实现

设计过程采用MATLAB的编写M文件的方式，对图1所示的OFDM通信系统的每一个模块进行编程，形成完整的仿真程序文件，最后通过MATLAB仿真进行实现验证，并通过调试尽可能虚拟仿真出符合实际实用的结果，便于进行分析和验证理论、理解理论。

OFDM通信系统发射机的仿真设计实现：卷积码，交织技术，用MATLAB中自带的函数来仿真，编写的仿真程序中卷积码约束长度为7；调制采用数字调制，选用QPSK及16QAM，QPSK的四种载波相位45°、135°、225°、315°；16QAM采用方形星座；扩频是将一系列正交的码字与基带调制信号内积，插入导频，注意导频插入位置十分的重要；串并转换，载波调制及加入循环前缀用IFFT算法。

OFDM通信系统信道的仿真设计实现：设计的信道模型选为高斯白噪声信道模型和瑞利衰落信道模型；瑞利衰落信道模型用来模拟多径信道以及多普勒频移这种由于接收机的移动信号的频率和相位发生改变的情况。选用瑞利信道时，先定义一个单径瑞利信道函数，之后使用这个函数来设计一个二径瑞利信道，对其参数的设置中，使最大多普勒频移为100。

OFDM通信系统接收机的仿真设计实现：包括载波解调及去循环前缀用FFT算法，并串转换、解扩、QPSK以及16-QAM解调、解交织、卷积译码等模块。同时接收机部分要加入信道估计与信道均衡技术实现模块。信道估计是来确定在接收端所收到的信号由于衰落及干扰的影响进而产生的偏差，而信道均衡技术则是根据这种偏差对信号进行相应的补偿，此信道均衡选用线性均衡实现。

3 OFDM通信系统仿真结果分析

OFDM通信系统中各模块的仿真参数的设置在前面的设计过程中已经完成，卷积码约束长度7，调制QPSK或16QAM，系统子载波数53、FFT长度64、循环前缀的长度16、每帧所包含OFDM符号数6、每种信噪比下的仿真帧数1000、信道高斯白噪声或瑞利衰落二经信道。对OFDM通信系统中调制采用QPSK及信道采用高斯白噪声的通信系统的传输可靠性仿真结果如图2所示，由图2的传输发送接收数据图2 a及误比特率曲线（见图2b）可验证系统采用卷积码编译码及扩频技术能有效提高系统的可靠性，设计的虚拟仿真OFDM通信系统实现了数据正确传输功能。对OFDM通信系统中调制采用QPSK和16QAM及信道采用瑞利衰落单经和二经信道通信系统的传输可靠性仿真结果如图3所示，由图3仿真结果可验证：OFDM通信系统中的调制方式的选择是重要的，如QPSK调制方式比16-QAM调制误比特率更低，但16-QAM调制具有更高的传输速率；单径信道和二径信道下的QPSK调制和16-QAM调制系统误码率曲线近似重合，意味着二径信道对于OFDM通信系统的可靠性影响与单径信道并无较大差别，因此验证了OFDM通信系统具有抗多径效应的能力。

图2 OFDM通信系统采用QPSK及高斯噪声信道传输可靠性仿真

4 结语

通过具体利用MATLAB对整个OFDM通信系统中的每一个模块和关键技术分别进行编码与设计完成整个系统的仿真实现、仿真分析并得到正确的结论，重点是OFDM通信系统的仿真分析中研究了关键技术和不同模块对系统性能的所产生的不同影响，使学生直观地看到不同的模块对于通信系统不同的作用，更是容易理解OFDM通信系统的原理知识。同时此仿真实验系统的设计是基于培养学生加深理解OFDM通信系统的理论及实际应用，培养学生能够直观的理解掌握通信系统的设计原理，设计步骤，设计方法以及设计平台，更直观的去研究分析设计结果，更有兴趣投入到通信的学习中来。

图3 OFDM通信系统的抗多径效应的性能仿真