基于Matlab的OFDM系統(tǒng)仿真

王慧婷

渤海大學(xué)工學(xué)院

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基于Matlab的OFDM系統(tǒng)仿真

王慧婷

渤海大學(xué)工學(xué)院

隨著信息時代的到來，電子通信技術(shù)的不斷進步，移動通信已經(jīng)演變成了4G時代，4G時代中的重要技術(shù)就是OFDM。OFDM是正交頻分復(fù)用的縮寫，OFDM技術(shù)的抗干擾性強，而且頻帶的使用得到了充分的運用，本文主要是基于Matlab的OFDM系統(tǒng)仿真，文中重點介紹了OFDM的基本原理，基本模型，信道參數(shù)的選擇，以及仿真的實現(xiàn)，OFDM在現(xiàn)實中信息領(lǐng)域的應(yīng)用很廣泛，并且具有很大的實用價值與應(yīng)用價值。

OFDM Matlab 仿真

1　引言

OFDM針對的調(diào)制的對象是多載波，頻譜的利用率很高，這里采用了通過多載波進行正交從而實現(xiàn)了在頻帶方面的通過使用效率，同時能夠抵制窄帶所帶來的干擾以及多徑衰落。OFDM作為高速中的一種傳輸?shù)募夹g(shù)，主要的核心思想就是經(jīng)過串并變換后高速的數(shù)據(jù)流就會傳送到不同的子信道中，而且信道中的速率也不會太高，因為各個子信道中會增加符合的周期，所以有利于緩解在無線的信道中由于多徑時延從而帶來系統(tǒng)方面的干擾。OFDM的使用適合于抗干擾和高速這兩種要求。

2　OFDM的特點與現(xiàn)狀

隨著移動4G時代的來臨，關(guān)于OFDM方面的研究越來越多，研究的成果也越來越豐富，OFDM系統(tǒng)在信道的估計以及在頻偏中的估計方面所存在的難點都得到了研究，并且取得了很大的成就。在現(xiàn)今這個信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，實現(xiàn)性能高的OFDM調(diào)制已經(jīng)成為了一種趨勢。OFDM的優(yōu)點顯著，所以出現(xiàn)了很多OFDM技術(shù)的通信標(biāo)準(zhǔn)，這種系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)不是偶然，而是在電子信息技術(shù)不斷發(fā)展的氛圍下產(chǎn)生的，OFDM經(jīng)常被用在無線城域網(wǎng)中。而且此外在傳輸視頻以及以廣播為主的音頻中都占有重要的位置。

OFDM的特點主要如下：

1）OFDM一般的應(yīng)用場合是多徑環(huán)境以及衰落的信道，主要是用來進行高速的傳輸，OFDM可以降低信道之間波形所帶來的干擾；

2）在OFDM中可以引入循環(huán)前綴的方法降低信道間的干擾；

3）應(yīng)用OFDM技術(shù)能夠充分地利用頻譜。

4）可以降低誤碼率，因為OFDM中出現(xiàn)了子載波丟失的情況的話能夠應(yīng)用交織和編碼的方式來進行恢復(fù)。

OFDM作為4G時代中不可或缺的核心，在IEEE802.11ag的標(biāo)準(zhǔn)中都使用了OFDM技術(shù)，目的是通過OFDM技術(shù)可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，OFDM也在物理層方面增強了可靠性，而且在資金投入的成本方面也比較低，同時可以充分利用頻譜，通過將OFDM技術(shù)結(jié)合MIMO技術(shù)可以實現(xiàn)頻譜利用率達到20bits/s/Hz到40bits/s/Hz，這在所有的技術(shù)當(dāng)中是現(xiàn)今唯一一個可以做到的，另一方面在無線的通信中，OFDM的引入可以降低符號間所帶來的干擾，所以以O(shè)FDM技術(shù)的發(fā)展情況來看，在未來OFDM技術(shù)與MIMO的結(jié)合是信息技術(shù)發(fā)展的一種不可改變的趨勢。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸提高了關(guān)于數(shù)據(jù)的傳輸速率的要求，所以鑒于OFDM的優(yōu)點與特性，在未來的發(fā)展趨勢下，OFDM將會有更大的作用，而且涉及到的領(lǐng)域會更寬廣。OFDM技術(shù)的應(yīng)用將會越來越廣泛。

3　OFDM 的基本原理

3.1OFDM 的基本原理模型

OFDM就是從串行到并行的一個轉(zhuǎn)變的過程，轉(zhuǎn)變成的并行數(shù)據(jù)流的特點是數(shù)據(jù)的速率比串行時的速率要低些，然后將產(chǎn)生的子數(shù)據(jù)流分別用在每個正交的子載波中進行調(diào)制，最終輸出的信號就是各個子載波進行疊加后的結(jié)果。OFDM的原理模型圖如圖1所示。

圖1　OFDM 系統(tǒng)基本原理模型

OFDM系統(tǒng)中采用的數(shù)字調(diào)制方式是正交或者采用的是移相鍵控，通常情況下選擇了多進制進行調(diào)制，這樣可以更加充分利用頻譜。

當(dāng)t=ts的時候OFDM符號表達式如下：

3.2OFDM 信號的正交性

OFDM的基本思想就是將數(shù)據(jù)進行一個從串行到并行的變化過程，這個過程中串行的數(shù)據(jù)流是高速的，經(jīng)過了串并之后就生成了速率低的數(shù)據(jù)流，這個過程中最重要的一步就是實現(xiàn)各個子載波的正交性。從串行到并行這不是難點，真正的難點是涉及到正交性的實現(xiàn)。本文針對正交性的實現(xiàn)進行了研究與分析。其中由多個子載波經(jīng)過調(diào)制后產(chǎn)生的合成信號組成了一個OFDM的符號，而且對于這調(diào)制后形成的子載波信號都能夠?qū)崿F(xiàn)正交的幅度調(diào)制以及PSK。

正交的過程中一般情況下OFDM的輸出信號選擇的是復(fù)等效的基帶信號，OFDM符合的同相是用輸出信號的實部進行表示的，而OFDM符號的正交變量是用輸出信號的虛部進行表示的。而OFDM信號的產(chǎn)生是通過將OFDM的同相與子載波的余弦值進行相乘獲得，然后再將OFDM的正交分量與子載波的正弦值進行相乘。

3.3添加循環(huán)前綴

由于OFDM可以大大減少多徑時延對系統(tǒng)造成的影響，所以O(shè)FDM的應(yīng)用很廣泛，將輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過一個從串行到并行的變換過程，分別將生成的信號傳送到N個彼此之間相互并行的子信道中，從而用來對子載波進行調(diào)制的信號的周期會擴大成初始信號周期的N倍。

通常情況下會在OFDM的符號中間加入保護的間隔，目的是為了減少符號之間所帶來的干擾性，但是這個保護的間隔是有約束條件的，就是間隔的長度要比無線信道中的時延擴展的最大值要大，只有如此符號所產(chǎn)生的多徑分量才不會對其他的符號帶來影響，這個保護間隔里面不存在其他的信號，也就是說這里面的時段僅僅只是空置的?？紤]到多徑傳播的因素，所以會造成信道之間的干擾，也就是指子載波的正交性會被破壞。

針對多徑道的解決方案是將循環(huán)的前綴信號加入到保護的間隔中，這樣當(dāng)保護的間隔值大于時延的時候調(diào)制中不會產(chǎn)生信道之間的干擾。原本最初始關(guān)于保護間隔中用空的數(shù)據(jù)，以此來避免信道之間的干擾，但是這樣帶來的后果是信道間的正交性被破壞了，所以Ruiz和Peled就此提出了保護間隔中采用循環(huán)前綴的方式進行填充，所謂的循環(huán)前綴的原理指的就是把從Y個樣值中的尾部取出M個作為數(shù)據(jù)填充保護間隔，用到的知識是循環(huán)卷積，當(dāng)信道的沖激響應(yīng)的長度是小于循環(huán)前綴的長度的時候，信道的正交性就不會被破壞。而符號的周期就是原來的周期加上保護時隙。

3.4OFDM的仿真實現(xiàn)與分析

按照OFDM的原理，進行OFDM的仿真實現(xiàn)，通過基于Matlab的仿真可以對OFDM的實現(xiàn)過程可以更加深入的了解，對于深刻理解OFDM的相關(guān)知識是很有必要的，而且同時通過基于Matlab的仿真可以得出仿真中信號的誤碼率。

3.4.1OFDM 的參數(shù)選擇

OFDM系統(tǒng)中的參數(shù)選擇也是有約束條件的，選擇的限制因素考慮到的是信息的傳輸速率，時延擴展，以及信道中的頻帶寬度等等，而OFDM中的參數(shù)主要包括了保護間隔，子載波的數(shù)目以及符號的周期等等。下面介紹的就是OFDM中參數(shù)的選擇：

1）選擇合適的保護間隔。通常情況下保護的間隔選擇的值取得是時延擴展的2倍到4倍左右。這是來自于OFDM方面的研究經(jīng)驗總結(jié)。

2）子載波的數(shù)目要進行確定。子載波的數(shù)量的求得可以通過將-3dB的帶寬與子載波的間隔進行除法運算，也可以通過將所要求的比特速率與子信道的速率進行除法運算。

3）符號周期選取。通常在實際的應(yīng)用中，選擇的符號周期是保護間隔的5倍，這是最小的值，甚至還可以取得更大些。當(dāng)相關(guān)的參數(shù)選擇了之后，另外一個需要考慮的因素就是確保采樣的數(shù)量值是一個整數(shù)，如果不是整數(shù)的話，可以通過對這3個參數(shù)進行調(diào)整，直到符合要求為止。

3.4.2仿真參數(shù)設(shè)計

仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)表

仿真結(jié)果如圖2所示，圖2中表示的波形圖分別是發(fā)射端和接收端，從圖形可以看出OFDM系統(tǒng)能夠通過解調(diào)恢復(fù)到原來的信號，而且誤碼率很低。

圖2　發(fā)射端信號及接收端信號波形

4　結(jié)語

正交頻分復(fù)用技術(shù)是針對多載波進行的調(diào)制方式，相對于其他的調(diào)制方式而言，其頻帶率高，而且抵抗多徑信道的干擾能力比較強，鑒于這些優(yōu)點，所以在無線的通信技術(shù)中應(yīng)用很廣泛，本文主要是圍繞著基于Matlab對OFDM系統(tǒng)進行了仿真，通過仿真可以進一步了解關(guān)于OFDM的基本原理，基本模型，對Matlab的知識也進一步深入了解，通過分析可以知道對OFDM系統(tǒng)的仿真與研究是很有必要的。

［1］ 呂愛琴，田玉敏，朱明華.基于MATLAB的OFDM系統(tǒng)仿真及性能分析［J］.計算機仿真，2005，22（10）：165- 168

［2］ 郭梯云，鄔國揚，李建東.移動通信［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005：77- 80