OFDM通信系統虛擬仿真實驗系統的設計

任魯涌 王作霖

（山東理工大學計算機科學與技術學院，山東 淄博 255049）

現代通信技術發展迅猛，各種通信方式層出不窮，手機通信工具成了必備。近幾年的通信產業在世界上的競爭越來越激烈，4G、5G接連出現。迄今為止，中國在通信工程方面獲得了巨大的成就，為世界做出了巨大的貢獻，如以華為公司為代表的5G的研發更是處于世界領先水平。而在這背后支撐著的就是通信系統的研發與實現。OFDM通信系統作為一種通信技術，由于具有頻譜利用率高、抗多徑及抗窄帶干擾、抗頻率選擇性衰落、抗ISI及抗ICI等眾多優點，成為現代移動通信的核心技術之一，因此OFDM原理以及實際應用十分的重要。要掌握OFDM通信系統其理論上的知識，進行其系統的結構設計及仿真分析是首要一環，在仿真研究中理解其原理是首要工作。

1 OFDM通信系統組成

OFDM通信系統的組成框圖如圖1所示。

圖1 OFDM通信系統組成框圖

由圖1可以直觀地看出通信系統中，信號的處理及傳輸過程，首先是由信源產生二進制輸入數據，輸入數據要先通過信道編碼以提高數據在信道中傳輸的可靠性，信道編碼采用的是卷積編碼。但卷積編碼不能有效地避免傳輸過程中的突發性錯誤，這時就需要通過交織技術把突發性錯誤轉換成隨機性錯誤，進而通過信道編碼將其解決。之后則需要進行信號調制，本設計的通信系統中，采用的調制方法有QPSK以及16-QAM的調制方式。再經過擴頻、插入導頻等一些關鍵技術，并進行數據串并轉換，則可以采用IFFT算法進行載波調制，同時需要利用IFFT算法加入循環前綴，多載波調制之后則進入子信道傳輸。載波調制對應的解調是用FFT算法實現，去循環前綴用FFT算法，至此發射機的部分已經大致實現。對應于接收機的設計，由圖1框圖可看出，其大多是發射機部分的逆過程，不同的是在接收機部分加了一個信道均衡模塊，目的是增強系統信道傳輸中的抗衰落的能力。還有通信系統還需要采取同步技術，保證收發雙方在時間上步調一致。此外還需進行信道估計，對數據在信道傳輸時產生的誤差進行估計，之后使用信道均衡技術來避免這些誤差造成過大的影響。在發射機與接收機之間的信道中存在著對于信號的各種各樣的干擾和衰落，在此設計中會利用多種信道模型進行設計，盡量模擬出實際的信道情況。

2 OFDM通信系統的仿真實驗系統設計實現

設計過程采用MATLAB的編寫M文件的方式，對圖1所示的OFDM通信系統的每一個模塊進行編程，形成完整的仿真程序文件，最后通過MATLAB仿真進行實現驗證，并通過調試盡可能虛擬仿真出符合實際實用的結果，便于進行分析和驗證理論、理解理論。

OFDM通信系統發射機的仿真設計實現：卷積碼，交織技術，用MATLAB中自帶的函數來仿真，編寫的仿真程序中卷積碼約束長度為7；調制采用數字調制，選用QPSK及16QAM，QPSK的四種載波相位45°、135°、225°、315°；16QAM采用方形星座；擴頻是將一系列正交的碼字與基帶調制信號內積，插入導頻，注意導頻插入位置十分的重要；串并轉換，載波調制及加入循環前綴用IFFT算法。

OFDM通信系統信道的仿真設計實現：設計的信道模型選為高斯白噪聲信道模型和瑞利衰落信道模型；瑞利衰落信道模型用來模擬多徑信道以及多普勒頻移這種由于接收機的移動信號的頻率和相位發生改變的情況。選用瑞利信道時，先定義一個單徑瑞利信道函數，之后使用這個函數來設計一個二徑瑞利信道，對其參數的設置中，使最大多普勒頻移為100。

OFDM通信系統接收機的仿真設計實現：包括載波解調及去循環前綴用FFT算法，并串轉換、解擴、QPSK以及16-QAM解調、解交織、卷積譯碼等模塊。同時接收機部分要加入信道估計與信道均衡技術實現模塊。信道估計是來確定在接收端所收到的信號由于衰落及干擾的影響進而產生的偏差，而信道均衡技術則是根據這種偏差對信號進行相應的補償，此信道均衡選用線性均衡實現。

3 OFDM通信系統仿真結果分析

OFDM通信系統中各模塊的仿真參數的設置在前面的設計過程中已經完成，卷積碼約束長度7，調制QPSK或16QAM，系統子載波數53、FFT長度64、循環前綴的長度16、每幀所包含OFDM符號數6、每種信噪比下的仿真幀數1000、信道高斯白噪聲或瑞利衰落二經信道。對OFDM通信系統中調制采用QPSK及信道采用高斯白噪聲的通信系統的傳輸可靠性仿真結果如圖2所示，由圖2的傳輸發送接收數據圖2 a及誤比特率曲線（見圖2b）可驗證系統采用卷積碼編譯碼及擴頻技術能有效提高系統的可靠性，設計的虛擬仿真OFDM通信系統實現了數據正確傳輸功能。對OFDM通信系統中調制采用QPSK和16QAM及信道采用瑞利衰落單經和二經信道通信系統的傳輸可靠性仿真結果如圖3所示，由圖3仿真結果可驗證：OFDM通信系統中的調制方式的選擇是重要的，如QPSK調制方式比16-QAM調制誤比特率更低，但16-QAM調制具有更高的傳輸速率；單徑信道和二徑信道下的QPSK調制和16-QAM調制系統誤碼率曲線近似重合，意味著二徑信道對于OFDM通信系統的可靠性影響與單徑信道并無較大差別，因此驗證了OFDM通信系統具有抗多徑效應的能力。

圖2 OFDM通信系統采用QPSK及高斯噪聲信道傳輸可靠性仿真

4 結語

通過具體利用MATLAB對整個OFDM通信系統中的每一個模塊和關鍵技術分別進行編碼與設計完成整個系統的仿真實現、仿真分析并得到正確的結論，重點是OFDM通信系統的仿真分析中研究了關鍵技術和不同模塊對系統性能的所產生的不同影響，使學生直觀地看到不同的模塊對于通信系統不同的作用，更是容易理解OFDM通信系統的原理知識。同時此仿真實驗系統的設計是基于培養學生加深理解OFDM通信系統的理論及實際應用，培養學生能夠直觀的理解掌握通信系統的設計原理，設計步驟，設計方法以及設計平臺，更直觀的去研究分析設計結果，更有興趣投入到通信的學習中來。

圖3 OFDM通信系統的抗多徑效應的性能仿真