基于MATLAB的OFDM通信系统仿真设计

张 宾

（山东科技大学 电子通信与物理学院，山东 青岛 266510）

基于MATLAB的OFDM通信系统仿真设计

张 宾

（山东科技大学 电子通信与物理学院，山东 青岛 266510）

OFDM是一种无线环境下的高速数据传输技术，具有很强的抗干扰、抗衰落能力及较高的频谱利用率。文章介绍了OFDM的基本原理和关键技术，建立了基本的OFDM系统模型，应用MATLAB对其仿真，分析了不同信道、不同技术下系统的误码特性。

OFDM；关键技术；MATLAB仿真

OFDM技术是由多载波调制（Multi Carrier Modulation，MCM）技术发展而来，MCM原理最早在20世纪60年代中期由Collins Kineplex［1］提出，早期主要应用在军事方面。OFDM技术具有抗干扰、抗多径衰落能力强，频谱利用率高等优点，在移动通信系统中发挥着至关重要的作用。随着OFDM技术的不断发展，其不仅应用在4G移动通信系统中，也广泛应用于光通信、水声通信、矿井通信、电力线通信等方面［2］。

1　OFDM系统基本模型

OFDM系统的基本框图如图1所示。在OFDM系统发射端，将信道划分为若干子信道，然后将高速串行数据转换为并行的低速数据流，再将其分配到子信道上进行调制，这样每个子载波上的数据符号周期相对增加，有效地减少了由无线信道的时间弥散性所带来的影响。信号经过IFFT运算后，在每个OFDM符号之间添加保护间隔，只要保证保护间隔的长度大于信道的最大时延，就可以消除多径效应带来的符号间干扰。在实际设计中，系统采用循环前缀代替保护间隔，这样就减少了由信道多径效应所带来的信道间干扰。最后信号经过并串转换、D/A转换后发射出去。在系统接收端，接收到的信号经过A/D转换后，进行串并转换、去除保护间隔、FFT运算、并串转换后，恢复出原始数据。

图1　OFDM系?统的基本框图

2　OFDM关键技术

OFDM系统的关键技术包括同步技术、信道估计技术、峰值功率控制技术等，只有解决这些关键技术，才能提高OFDM系统的性能，提高稳定性。

（1）同步技术。同步技术是OFDM系统的重要部分，如果同步出错将影响到接收端所有信息的解调、解码。OFDM系统的同步主要包括3个部分：时间同步、载波频率同步、采样率偏移。

时间同步的目的在于找到 FFT窗函数的正确的起始位置。载波频率同步的目的在于消除载波间干扰（ICI），保持子载波间的正交性。采样率偏移主要是估计并补偿系统接收端采样定时的不准确性。目前大部分文献提出的同步算法主要分为基于特殊辅助数据的算法和基于非特殊辅助数据的算法。基于特殊辅助数据的算法主要是在OFDM符号中插入特殊序列，一般为训练序列或导频，虽然这些序列会降低系统的通信速率，但是这种算法同步性能好、算法简单、易于实现。而基于非特殊辅助数据的算法主要包括基于CP的最大似然法和盲同步法，这类算法不会影响系统的通信速率，但是算法复杂度较高，实现比较困难。

（2）信道估计技术。OFDM系统的相干检测需要进行信道估计，其目的是能在接收端准确的恢复发射端的发送信号，它的精度将直接影响整个系统的性能。信道估计算法有两种：基于训练序列的估计算法和盲估计算法，前者的基本思想是利用发射端和接收端都己知的序列进行信道估计；后者则是利用传输数据的内在数学信息。

（3）峰值功率控制技术。OFDM符号是由多个独立的已调子载波信号相加合成的，因为每路子载波信号的相位无法估测，如果某些子载波信号的相位相同，信号的幅度相互叠加后将产生很大的峰值。这要求系统内的功率放大器具有较大的线性范围，增加了系统成本，使得非线性失真的可能性变大。解决这一问题的主要技术有限幅技术、编码技术、概率类技术。限幅类技术直接限制信号的幅度，使其低于某个预设值，方法简单有效；编码技术选择幅度峰值功率较低的码字用于传输，从而避开了信号峰值，虽然这种方法效果最好，但是可使用的编码图样少，而且降低了信息传输速率，并且解码非常复杂；概率类技术主要包括选择性映射（SLM）、部分传输序列（PTS）、冲击整形（PS）等，它不是降低信号幅度的最大值，而是降低峰值出现的概率，这样不会引起信号的畸变，效果较好，但是算法比较复杂，计算量大。

3　MATLAB仿真分析

通过MATLAB对OFDM系统进行仿真，得到如图2-4所示的系统误码率曲线。

从图2中可以看出，OFDM技术可以降低干扰带来的影响，减小通信系统的误码率，但是在多径干扰下系统误码率比高斯白噪声干扰下的误码率高，这主要是因为多径时延引起的码间串扰影响了系统的误码特性。

图2　高斯信道和多径信道下系统误码率

图3为多径信道中循环前缀对OFDM系统的影响，由图3可以看出添加循环前缀可以有效降低系统误码率，提高系统性能。在信噪比较低的情况下，两条曲线相差不大，说明循环前缀对系统性能影响不大；信噪比较大时，添加循环前缀后系统的误码率更低。原因可能是信噪比较低时，高斯白噪声是系统的主要干扰，当信噪比提高后，系统的干扰以多径衰落干扰为主，因此添加循环前缀对系统性能改善明显。

图4为均衡技术对OFDM系统的影响，表明均衡技术可以降低OFDN系统的误码率，但是改善效果不大。可能是因为进行OFDM系统仿真时使用的训练序列是随机序列，均衡方法为最小均方算法。接下来可以使用其它的训练序列和均衡算法进行仿真，分析OFDM系统的性能。

4　结语

本文主要对OFDM技术进行仿真研究，首先建立了OFDM系统基本模型，介绍了OFDM系统的关键技术及相关算法，最后对OFDM系统进行MATLAB仿真，并且根据仿真结果对系统的性能进行了分析。表明了OFDM技术可以有效地降低系统误码率，提高系统可靠性。

图3　循环前缀对OFDM系统的影响

图4　均衡技术对OFDM系统的影响

［1］ERICH C.Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM）Tutorial and Analysis［M］.Virginia：Northern Virginia Center，2001.

［2］汪晓岩，樊昊，易浩勇，等.基于OFDM技术的电力线通信系统的MATLAB模拟［J］.电力系统通信，2002（2）：2-6.

［3］王文博.宽带无线通信OFDM技术［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［4］尹泽明.精通MATLAB6［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［5］佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2003.

Simulation and Design of OFDM Communication System Based on MATLAB

Zhang Bin （Shandong University of Science and Technology， College of Electronic Communication and Physical， Qingdao 266510， China）

OFDM is a kind of high speed data transmission technology in wireless environment.It has anti-jamming and anti-multipath capability and high utilization of the spectrum.Beginning with brief introduction for the basic principle and crucial technique of OFDM，this paper establishes the basic model of OFDM system and simulates by MATLAB.We analysis error rate of the system with different channel and technical.

OFDM； key technology； MATLAB simulation

张宾（1990-），男，山东聊城，硕士研究生；研究方向：无线通信技术。