基于Simulink的窄帶OFDM系統設計與仿真

摘 要:為有效提高短波通信系統的數據傳輸速率，可采用正交頻分復用(OFDM)技術。OFDM是一種特殊的多載波數字調制方案，各子載波之間的正交性使得頻譜可重疊從而提高了頻帶的利用率，同時能有效對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。采用Simulink建模對窄帶OFDM系統進行設計并仿真，仿真結果表明，在3 kHz的帶寬內，短波通信系統的數據傳輸速率能夠達到12 800 b/s，而且具有良好的誤碼性能。

關鍵詞:窄帶OFDM; Simulink; 短波通信; 多載波調制

中圖分類號:TN91 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0014-03

Narrow-band OFDM System Design and Simulation Based on Simulink

TAO Yu-zhu，HU Jian-wang，CUI Pei-zhang

(Department of Optics and Electronic Engineering， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China)

Abstract: The OFDM technology can be used to improve the data transmission rate of shortwave communication systems efficiently. OFDM is a special multi-carrier digital modulation scheme， in which the frequency spectra can be overlapped by the orthogonality among all the subcarriers， therefore， the availability of frequency band can be improved and the declination of the frequency selectivity or the interference from the narrow band can be withstanded. The narrow-band OFDM system was designed and simulated with the modeling by Simulink. The simulated results indicate that within 3 kHz bandwidth the data transport rate of the shortwave communication system can be increased to 12 800 bps.

Keywords: narrow-band OFDM; Simulink; shortwave communication; MCM

0 引 言

隨著現代戰爭信息化程度的進一步提高，戰場作戰形式也有了很大的變化。如何更加有效、實時地傳輸各種戰場信息，已經成為能否贏得信息化條件下高技術戰爭的關鍵因素。短波通信作為目前遠距離通信的主要手段之一，在通信的頑存性、機動性和靈活性等方面，具有無可比擬的優勢。因此，短波通信已經成為軍事部門遠距離通信和指揮的重要工具。但是短波信道存在嚴重的多徑衰落現象，帶寬也相對較窄，采用傳統的調制解調體制，頻帶得不到有效利用，從而限制了數據傳輸速率的提高。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術)是一種特殊的多載波傳輸技術，它的各子載波之間保持相互正交，子信道的頻譜互相重疊，可以最大限度地利用頻譜資源。同時它把高速數據通過串并轉換，使得每個子載波上的數據符號持續長度相對增加，降低了子信道的信息速率，將頻率選擇性衰落信道轉換為平衰落信道，從而具有良好的抗噪聲、抗多徑干擾的能力，適于在頻率選擇性衰落信道中進行高速數據傳輸[1]。因此有效地解決了短波通信中存在的問題，應用前景十分廣泛。

1 OFDM的基本原理[2-3]

OFDM是多載波調制(MCM)技術的一種。MCM的基本思想是把數據流串并變換為N路速率較低的子數據流，用它們分別調制N路的子載波后再并行傳輸。因子數據流的速率是原來的1/N，即符號周期擴大為原來的N倍，遠大于信道的最大延遲擴展，這樣MCM就把一個寬帶頻率選擇性的信道劃分為了N個窄帶平坦衰落信道，從而具有較強的抗多徑衰落和抗脈沖干擾的能力，特別適合于高速無線數據的傳輸。OFDM是一種子載波相互混疊的MCM，因此它除了具有上述MCM的優勢外，還具有更高的頻譜利用率。OFDM選擇時域相互正交的子載波，它們雖然在頻域相互正交混疊，卻仍能在接收端被分離出來。OFDM的系統框圖如圖1所示。

OFDM符號可以表示為:



s(t)=∑N-1i=0diexp[ j2πfi(t-ts)] ，

ts≤t≤ts+T

(1)

式中:N表示子載波的個數;T表示OFDM符號的持續時間;di是分配給每個子信道的數據符號;fi是第i個子載波的載波頻率;t≤T/2是矩形函數。若此時令ts=0，對信號s(t)以T/N的速率進行抽樣，則得到式(2):

sk=s(kT/N)=∑N-1i=0diexp(j2πik/N)，0≤k≤N-1

(2)

圖1 OFDM系統框圖

可以看到，sk等效為對di進行IDFT運算。同樣，在接收端，為了恢復出原始的數據信號di，可以對sk進行逆變換DFT得到:

di=∑N-1k=0skexp(-j2πik/N)， 0≤i≤N-1

(3)

根據以上分析可以看到，OFDM系統的調制和解調可以分別由IDFT和DFT來代替。在實際應用中，可以采用更加方便快捷的IFFT/FFT來降低系統的復雜度。

2 OFDM系統的軟件設計

OFDM系統的軟件設計框圖如圖2所示[4]。

圖2 OFDM系統軟件設計框圖

要傳送的數據先被轉換成二進制序列，然后進入RS編碼模塊進行糾錯編碼。它是一種性能優良的線性分組碼，在同樣編碼冗余度下，RS碼具有最強的糾錯能力[5]。編碼后的數據由數字調制模塊完成編碼映射形成復數序列，提供幅度和相位信息。這時插入一個串并變換器，將高速串行的比特流轉換成若干路低速數據流，映射到OFDM符號的不同子載波上進行傳輸，這樣增加了單個碼字的持續時間，從而降低了ISI干擾。插入導頻是為了解決同步問題而提出的。對于OFDM系統來說，頻率偏移會破壞子載波間的正交性，產生信道間干擾，影響系統性能。因此，同步是OFDM系統中非常重要的技術，同步性能的好壞直接關系到OFDM技術能否廣泛應用于無線通信領域。隨后該OFDM碼被送到快速傅里葉逆變換模塊，進行IFFT變換。IFFT變換是把頻域的數據轉換為時域的數據。在計算出快速傅里葉逆變換樣值之后，一個循環前綴被添加到樣值之前，形成一個循環拓展的OFDM信息碼字。循環拓展信息碼的樣值再經過一個并串轉換器模塊，然后按照串行的方式通過信道。這里用瑞利衰落信道和加性高斯白噪聲信道來模擬短波信道的特性。接收器端按照相反的過程即可將原始信號恢復。這里需要注意一個問題，就是為了克服無線信道對OFDM系統的影響，接收端必須根據發送端的導頻信息進行信道估計[6-7]，獲得所有子載波上的參考相位和幅值，從而正確恢復出原始數據。

3 OFDM系統的仿真實現

在完成OFDM 系統的仿真之前，首先需要確定以下參數:符號周期、保護間隔以及子載波數量。這些參數的選擇取決于給定信道的帶寬、時延擴展以及所要求的信息傳輸速率。根據經驗，一般選擇保護間隔的時間長度為時延擴展的2~4倍。考慮到保護間隔所帶來的信息傳輸效率的損失和系統的實現復雜度以及系統的峰均平均功率比等因素，在實際系統中，一般選擇符號周期長度至少是保護間隔長度的5倍。這樣由于插入保護比特所造成的信噪比損耗只有l dB左右[8]。子載波的數量可以直接利用-3 dB 帶寬除以子載波間隔(即去掉保護間隔之后的符號周期的倒數)得到，也可以利用所要求的比特速率除以每個子信道的比特速率來確定子載波的數量。每個子信道中傳輸的比特速率由調制類型、編碼速率以及符號速率來確定。在選定了以上參數之后，還要保證在 FFT/IFFT 運算時間內和符號間隔內的采樣數量必須為整數，如不能滿足要求，可適當改變以上參數，以滿足采樣數量為整數的要求。

為了在3 kHz的信道帶寬內實現12 800 b/s的數據傳輸速率，同時保證良好的誤碼率性能，OFDM系統的仿真參數設置如表1所示。

選定了OFDM系統的參數之后，即可在Simulink環境下，利用通信工具箱和信號處理工具箱里的給定模塊建立系統的仿真模型了。該模型的具體實現如圖3所示。

表1 OFDM系統的仿真參數設置

參數名稱參數設置

時延擴展1.1 ms

保護間隔(循環前綴)4.4 ms

符號周期22 ms

IFFT/FFT長度64

子載波間隔56.82 Hz

子載波數量60

信道編碼方式RS(15，11)

信號調制映射方式256QAM

4 仿真結果分析

運行OFDM系統的Simulink仿真模型。觀察二進制數字碼元在發送前、經過信道后以及接收后的星座情況，如圖4所示。

由圖4可以看出，短波信道對信號產生的干擾非常嚴重，而通過接收到的數據星座可以發現，OFDM系統確實可以有效抵抗短波信道帶來的頻率選擇性衰落等干擾的影響，從而可以很好地恢復原始數據。

圖3 OFDM系統仿真實現框圖

圖4 數據傳輸的星座映射圖

下面就該系統在不同的信噪比以及有無經過RS編碼的情況進行仿真，如圖5所示。

圖5 OFDM系統誤碼率性能分析

由圖5可以看出，RS編解碼模塊對系統的誤碼性能有很大改善作用，經過RS編譯碼后的系統可以在信噪比達到8 dB以上時，將誤碼率控制在10-5以下，有良好的可靠性，能夠滿足實際應用的要求。

5 結 語

OFDM技術以其良好的性能和獨特的優勢，已經在數字音頻廣播(DAB)等寬帶無線通信領域得到了廣泛的應用，但在窄帶短波通信領域的實用化水平還不高。因此，如將OFDM技術應用到短波通信系統，充分發揮其抗多經干擾能力強、頻譜利用效率高的優勢，尤其是將其引入到軍用短波電臺的技術改進體制當中來，對提高我軍裝備的信息化水平以及遠距離高效輸出作戰能力，都將具有重大的現實意義。

本文通過Simulink建模，實現了窄帶OFDM系統的設計與仿真，在3 kHz的頻帶內，使系統的可靠數據傳輸速率達到了12 800 b/s，有效提高了短波通信系統的性能。但在具體設計當中，還有一些更復雜的問題需要解決，尤其是同步問題[9]和對高峰均功率比[10](PAPR)的抑制，尋找更好的同步方式和抑制高PAPR的高效算法將是下一步重點研究的內容。

參考文獻

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