基于OFDM系統的Simulink仿真過程研究

季鈺林，劉家威，傅俊杰

(成都信息工程大學，四川 成都 610103)

0 引言

隨著人們對手機等其他無線終端網絡設備要求的不斷提高，通信質量和頻譜利用率成為未來無線通信網絡的主要目標和挑戰。而正交頻分復用系統（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）將多個信道分成若干正交子信道，提高信道利用率、對抗頻率選擇性衰落和噪聲提高傳輸質量，因此他被認為是未來無線系統的最佳選擇。為進一步提高信道利用率和傳輸速率，許多高性能的傳輸方案被引入到無線通信系統中，比如信道估計、MIMO技術等。

近些年來，國外很多公司企業都將OFDM技術應用于短波通信，并且開展了多載波傳輸技術，實驗表明，短波通信中應用多載波傳輸技術可以極大提升通信質量。隨著多載波技術的深入發展，國內很多企業也陸續研究基于OFDM技術的短波通信電臺，以提高短波通信的抗截獲性和傳輸可靠性[1]。本文通過仿真實驗，主要探究了OFDM系統在不同條件下對系統性能的影響，通過對系統性能的分析，得出系統在什么條件下性能最好，對OFDM技術應用于短波通信具有積極作用。

1 OFDM系統的基本原理

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復用技術，實際上 OFDM是MCM（Multi Carrier Modulation）多載波調制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將數據流分解成若干個獨立的低速比特流，從頻域上說就是分解成多個子載波，然后調制到每個子信道上進行并行傳輸。正交信道在接收端采用相關技術進行區分，可以減少子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相干帶寬，因此每個子信道可以看成平坦衰落，從而消除碼間干擾[2]。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的小部分，信道均衡變得相對容易。圖1為OFDM（正交頻分復用技術）系統的原理圖。

圖1 OFDM（正交頻分復用技術）系統原理圖Fig.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Technology) system schematic diagram

2 Simulink仿真過程

在仿真模型中首先隨機產生整數序列，然后進行串并轉換、進行QPSK調制、插入導頻、進行IFFT運算、插入保護間隔，然后經過信道，移除保護間隔、進行FFT運算、加入信道估計、進行QPSK解調，在進行并串轉換，最后進行判決輸出[3]。

2.1 OFDM的循環保護間隔

OFDM的優勢之一可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環境和衰落信道中的高速數據傳輸。在OFDM系統中，為了最大限度的消除符號間干擾，在每個符號之間插入保護間隔（GI），如圖2所示，將N-Ncp之后的數據復制到前端形成循環前綴，該循環前綴就是保護間隔，其長度一般要大于無線信道的最大時延拓展，這就使每一個符號的多徑分量不會對下一符號造成干擾。

圖2 循環前綴原理圖Fig.2 Schematic diagram of cyclic prefix

在實際應用中，首先要加入循環前綴形成保護間隔再送入信道中進行傳輸，這可以有效的對抗碼間串擾[4]，即在OFDM符號開始部分插入其后部分，形成循環前綴。在接收端，首先將接收到信號的前綴丟棄，然后對剩余的部分進行傅里葉變換。

2.2 信道估計

在 OFDM 系統的相干檢測中需要對信道進行估計，信道估計的進度將直接影響整個系統的性能。信道預測方法可分為線性預測和非線性預測[5]。非線性預測算法是將樣值序列分解為信號子空間和噪聲子空間，對信道系數進行預測，此類算法復雜度高、計算量大且不易實現；線性預測算法抽樣速率低，預測距離較長，但要求信道的統計特性已知[6]。如圖 3所示的信道估計仿真圖所示，本次研究以 LS信道估計方法對未來時刻進行預測。

圖3 信道估計仿真圖Fig.3 Channel estimation simulation diagram

2.3 信道

在通信理論中，常用的仿真信道模型為AWGN和RAYLEIGH。AWGN即為僅含高斯白噪聲的信道，這是在通信理論中無法避免的噪聲，其功率譜密度為均勻函數，概率密度函數呈正態分布[7]。RAYLEIGH信道是一種無線電信號傳播環境的統計模型。從基站發出的信號經過反射、折射、散射等多條路徑傳播到達接收機后，總信號的強度服從瑞利分布。同時由于接收機的移動及其他原因，信號強度和相位等特性又在起伏變化，故稱為瑞利衰落，這就使得接收信號的誤碼率大大增加。

3 仿真結果與分析

本次實驗基于Simulink仿真，得到不同參數下的仿真數據（如下系統參數值和仿真數據）。其中參數選擇有子載波數、循環前綴長度、導頻長度、信道，本次實驗的目的就是對比在不同循環前綴長度、不同導頻長度、不同信道下對誤碼率的影響[8]。（snr表示信噪比；err表示誤碼率）。

表1和表2表示在高斯信道下循環前綴長度為8，導頻長度為16下的實驗數據，信噪比取0到15，共16組數據。

表1 高斯信道系統參數值Tab.1 Gaussian channel system parameter values

表2 高斯信道系統仿真數據Tab.2 Gaussian channel system simulation data

表3和表4表示在瑞利信道下循環前綴長度為8，導頻長度為16下的實驗數據，信噪比取0到15，共16組數據。

表3 瑞利信道系統參數值Tab.3 Rayleigh channel system parameter values

表4 瑞利信道系統仿真數據Tab.4 Rayleigh channel system simulation data

表5和表6表示在瑞利信道下不添加循環前綴，導頻長度為16下的實驗數據，信噪比取0到15，共16組數據。

表5 不加循環前綴瑞利信道系統參數值Tab.5 Rayleigh channel system parameter values without cyclic prefix

表6 不加循環前綴瑞利信道系統仿真數據Tab.6 Simulation data of Ruili channel system without cyclic prefix

表7和表8表示在高斯信道下循環前綴長度為 8，不添加導頻長度、不采用信道估計下的實驗數據，信噪比取0到15，共16組數據。

表7 循環前綴為8時瑞利信道系統參數值Tab.7 Rayleigh channel system parameter values when the cyclic prefix is 8

表8 循環前綴為8時瑞利信道系統仿真數據Tab.8 Rayleigh channel system simulation data when the cyclic prefix is 8

由上實驗數據在MATLAB中得到如圖4的性能圖，橫坐標信噪比（SNR）和縱坐標誤碼率（BER），其中黑色線表示在不采用信道估計時瑞利信道的實驗數據；綠色線表示在不采用循環前綴時瑞利信道的實驗數據；藍色線表示既采用信道估計也采用循環前綴下的瑞利信道的實驗數據；紅色線表示僅在高斯信道下的實驗數據。

圖4 仿真結果Fig.4 Simulation results

4 結論

通過本次對OFDM系統進行Simulink仿真研究，對OFDM系統中信號的產生、調制和解調模塊，在高斯和瑞利信道下進行仿真，得到相應的數據，并針對得到的數據仔細研究了誤碼率。通過一系列仿真和分析證實了：（1）對高速數據流進行串并轉換，增加數據符號的比特信噪比，提高對抗多徑時延能力，降低信號在傳輸過程中的誤碼率；（2）采用循環前綴來填充保護間隔，可以提高對抗多徑傳播帶來的影響，降低信號在傳輸過程中的誤碼率；（3）利用 LS算法對信道進行估計，可以降低信號在傳輸過程中的誤碼率；（4）信號只在高斯信道下傳輸性能是最優的。當然OFDM系統也存在一定的缺陷，對相位噪聲和載波頻偏非常敏感和存在均峰值過大。這對于我們以后的研究指明了方向。