基于Simulink的OFDM-FH通信系統仿真

摘 要:在介紹基于正交頻分復用技術的跳頻系統(OFDM-FH)原理的基礎上，利用Matlab/Simulink工具搭建了基于OFDM-FH系統的仿真鏈路平臺。通過分析在Rayleigh多徑衰落信道和高斯噪聲信道下的仿真結果，比較了OFDM-FH系統與常規OFDM系統、傳統跳頻系統的誤碼率性能。

關鍵詞:跳頻; 正交頻分復用; Simulink; Rayleigh多徑衰落

中圖分類號:TN911 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0050-03

Simulation on OFDM-FH Communication System Based on Simulink

CHEN Chang-xing， GONG Lin-yu， NIU De-zhi

(Science Institute， Air Force Engineering University， Xi’an 710051， China)

Abstract: The theory of OFDM technique and FH communication system are introduced firstly， then the Matlab/Simulink toolbox is used to set up a simulation model for OFDM-FH system simulation. The model is validity proved by the simulation results in Rayleigh and AWGN channels condition. The preferences among OFDM-FH system， traditional OFDM system，MFSK-FH system are compared.

Keywords: hopping frequency; OFDM; Simulink; Rayleigh multi-path fading

跳頻系統具有優良的抗干擾能力和多址組網能力，在軍用和民用無線抗干擾通信領域獲得了廣泛的研究和應用。然而，傳統的跳頻系統采用串行調制方式，其數據傳輸速率低，頻帶利用率小，難以適應寬帶無線通信傳輸大容量數據的要求[1，2]。OFDM技術通過串/并轉化，將高速數據流分配到速率相對較低的若干個子信道中同時傳輸，可以減弱甚至消除符號間干擾(ISI)的影響[3，4]，本文利用Matlab/Simulink工具，搭建了OFDM-FH系統的仿真鏈路平臺，通過仿真，分析了該系統在多徑瑞利衰落信道和高斯白噪聲信道下的誤碼率性能。

1 仿真平臺的建立

1.1 系統仿真鏈路

Simulink提供了豐富的通信模塊庫，充分利用這些模塊可以搭建起OFDM-FH通信系統的鏈路級模型，如圖1所示[5，6]。

仿真流程:由信源產生隨機二進制符號序列，經過Reed-Solomon編碼和正交相移鍵控(QPSK)模塊進行星座映射后被OFDM調制。調制后的輸出為每幀256個符號，加入64個符號的循環前綴后，每幀的符號數增加到320個。然后將并行信號轉換為串行信號后與跳頻載波相乘，完成頻率的跳變。經過跳頻調制后的信號在不同時刻有不同的跳變頻率，因此能夠有效地對抗無線干擾，同時瑞利衰落信道的衰落谷點因頻率的不同而存在于不同的地點，采用跳頻起到了頻率分集的作用。

仿真主要參數設置為:信號速率為3.52 Mb/s，糾錯編碼方式為RS(15，11)，采用QPSK方式進行星座映射，OFDM運算點數為256，加入64個符號的循環前綴，跳頻載波頻率為300 MHz，最小跳頻間隔為5 kHz，跳速為10 000跳/s，可用跳頻數位1 024個。

圖1 系統仿真結構圖

1.2 OFDM子系統的設計

OFDM子系統主要完成信號的OFDM調制以及插入訓練序列和保護間隔的工作，整個子系統的內部鏈路如圖2所示。

圖2 OFDM子系統結構圖

這里的PN序列發生器用來產生隨機的訓練序列，與串/并變換后插入導頻符號的信號序列一起被擴展成每幀256位的數據符號后，進行離散傅里葉逆變換，實現OFDM調制。為了消除符號間干擾，還要在每個OFDM符號之間加入保護間隔(GI)。一般選擇符號周期長度為保護間隔長度的5倍，這樣由于插入保護比特所造成的信噪比損失只有1 dB左右[7]。本文的仿真中，采用循環前綴(CP)作為保護間隔，循環前綴的長度為64位，正好為整個OFDM符號(320位)的1/5。

1.3 跳頻載波發生器子系統

跳頻載波發射器由PN碼序列發生器和壓控振蕩器構成，其內部鏈路如圖3所示。

圖3 跳頻子系統結構圖

采用Simulink中的偽隨機序列發生器，系數參數設置為(1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1)，這樣可實現本原多項式為f(x)=x10+x3+1的10位m序列作為跳頻序列的偽隨機序列碼。將其變換成整數后，饋送到壓控振蕩器以控制輸出載波。圖4為m序列經變換得到的隨機整數和對應壓控振蕩器產生的跳頻載波圖。

圖4 跳頻器產生的隨機整數和對應的載波頻率圖

1.4 信道估計子系統

在接收端，本文采用最小平方(Least-Square，LS)法搭建信道估計子系統。LS算法就是以最小平方為目的的信道估計方法，其表達式為[8]:

h-LS=X-1#8226;Y

其原理框圖如圖5所示。圖中的原始訓練序列由PN序列發生器產生，插入的位置取決于訓練序列的設計。此模型的工作需要在階躍模塊輸出控制信號下完成，而求逆運算、乘法器只需從Simulink/Math庫中調取即可。

圖5 信道估計子系統內部鏈路圖

2 仿真結果分析

運行圖1所示的仿真系統模型，可得到如下的仿真結果。

文獻[9，10]從理論上證明，隨著子載波個數的增大，OFDM符號的幅頻特性逼近于理想低通濾波器。顯然，圖6所示發送端OFDM調制信號的歸一化幅頻特性圖與一個低通濾波器的頻譜圖基本吻合，由此說明本文建立的仿真系統模型是正確的。

圖6 發射端OFDM調制后的信號幅頻特性

從圖7 可以看出，OFDM-FH系統性能總體上優于常規OFDM系統性能，在低信噪比條件下表現更明顯，但在大信噪比時性能差別不大。單頻干擾對兩種系統的誤碼率性能影響都比較大，增加信噪比能夠給常規OFDM系統帶來明顯的性能提升，但是對OFDM-FH系統的提升作用不大，這再次說明 了OFDM-FH系統對信噪比要求不高，因此可以大大節省發射功率。

仿真中，傳統的跳頻系統使用二進制頻移鍵控(BFSK)調制技術，最小頻率間隔設為5 kHz。從仿真結果(圖8)可以看出，OFDM-FH系統比起傳統的MFSK-FH系統具有更好的誤碼率性能，尤其在信噪比比較低時，仍然有很好的性能表現。而且，OFDM-FH系統能夠更好地對抗無線信道的多徑衰落，增加多徑數帶來的性能下降很小，相對來說，MFSK-FH系統對多徑衰落的敏感性比較高，增加多徑數會帶來明顯的誤碼率增加。另外，增加信噪比并沒有給OFDM-FH系統帶來顯著的性能增益，說明 OFDM-FH系統對信噪比要求不高，因此可以大大節省發射功率。

圖7 OFDM-FH與常規OFDM性能比較

圖8 OFDM-FH與傳統跳頻系統比較

3 結 語

利用Simulink構建了OFDM-FH系統的仿真模型，在Rayleigh多徑衰落信道和高斯信道下，對其進行了仿真。通過對仿真結果的分析，確定了所建立模型的正確性。同時利用該仿真平臺，研究了OFDM-FH系統與常規OFDM系統、傳統跳頻系統的性能對比，肯定了OFDM技術對跳頻系統的性能提升作用。論文的研究為OFDM-FH通信系統的鏈路層研究提供了可行的系統模型，對復雜電磁環境下的新一代寬帶抗干擾通信技術做出了積極的探索和工程應用準備。

參考文獻

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