OFDM技术在802.11a WLAN中的应用研究

姚洁

(福州外语外贸学院　信息系，福州　350000)



OFDM技术在802.11a WLAN中的应用研究

姚洁

(福州外语外贸学院信息系，福州350000)

OFDM(正交频分复用)即多载波宽带数字调制技术，它能够有效地解决传输中产生的多径干扰以及消除码间串扰，可以提供54 Mbps的数据传输速率，具备频谱利用率高、信道均衡技术简单、信号调制解调易实现、纠错能力强等优点。OFDM技术的应用使得WLAN技术得到了更进一步的发展。利用MATLAB为开发平台，设计了OFDM仿真系统，实现OFDM系统各个基本环节的仿真算法，通过仿真结果对比分析可知，OFDM技术要比一般的单载波调制技术具有更强的抗多径干扰的能力，在无线局域网中具有较大的应用前景。

OFDM；WLAN；MATLAB；仿真系统

20世纪90年代以来，随着通信产业的发展，各大电信运营商朝着多元化方向发展，电信产业的竞争也由长途网转为本地接入网。宽带无线接入技术由于成本低、速度快、维护简单等优势快速占领市场。而WLAN(无线局域网)作为一种宽带无线接入技术，是计算机网络与通信技术相结合的产物。由于WLAN可移动、不受电缆约束、组网灵活、扩展方便、兼容性强等特点使得受到越来越多的重视。OFDM技术作为WLAN系统的基本实现技术之一，将成为未来的核心技术。

OFDM技术能够将高速串行数据流转化成低速并行数据流,再将得到的并行数据调制在正交子载波上,实现并行数据传输，因此具备频谱利用率高、信道均衡技术简单、信号调制解调易实现、纠错能力强等优点。基于这些优点，802.11a WLAN可采用OFDM技术作为其物理层的调制技术，传输速率范围为6 Mbit/s～54 Mbit/s，因此，研究基于OFDM技术的无线局域网技术具有十分重要的意义。

1　基于OFDM的802.11a WLAN的系统

IEEE802.11a规定1个OFDM符号由52个子载波(其中4个为导频子载波)组成。OFDM信号将调制符号映射到64点IDFT(离散傅立叶逆变换)的子载波上来实现的，而IDFT又可以由IFFT(傅立叶逆变换)算法实现。因此，我们可以由IFFT输出得到1个OFDM符号。为了解决系统的多径衰落，需要在OFDM符号间插入1个循环前缀CP，1个CP时长为0.8 μs，1个OFDM符号时长为4 μs。为了避免ISI，CP长度必须大于信道脉冲的响应长度[1]。

OFDM系统工作原理：数据以二进制形式输入经过卷积、交织、映射转换为复星座符号，接着把这些符号映射到子载波上，经过插入导频，即可得到52个经过调制的子载波，最后经过IFFT，得到OFDM符号。为克服多径衰落，每个OFDM符号之间须插入1个CP间隔。最后经过D/A转换，调制到射频，放大，发送完成整个发送过程。接收过程即在发送过程逆向的基础上增加了同步和校正等处理。如图4～5所示是整个OFDM系统框图[2]。

图1　整个OFDM系统框图

2　OFDM系统的仿真测试分析

本文要实现的是802.11a WLAN中的OFDM物理层仿真，主要是通过仿真OFDM系统实现的。通过改变OFDM仿真系统的信道模型设置中的参数，进行MATLAB仿真，分析仿真结果后可以正确评价OFDM系统存在抗多径干扰性能。

2.1参数选择

在OFDM系统中，首先要确定三个参数即符号周期、保护间隔、子载波数量。这三个参数的选择取决于信道带宽、时延、传输速率，而在实际应用中又要考虑多种冲突因素，因此，我们可以采用折中的办法来确定OFDM系统的各参数。

①保护间隔：可选择时延扩展均方根的2～4倍。

②符号周期：考虑到信息传输过程的损失率、系统的复杂性、峰值平均功率等因素，一般设置长度至少为保护间隔长度的5倍。

③子载波的数量：子载波的数量 = -3dB带宽/子载波间隔(即扣除保护间隔后的符号周期的倒数)；或子载波的数量=需要的比特速率/子信道的比特速率[3]。

2.2OFDM系统的基本实现

OFDM系统仿真主要由串/并转换、并/串转换、IFFT/FFT调制与解调、信道模拟构成。为方便仿真，我们对图1做了一定的变换，省略了加保护间隔、数/模变换、模/数变换等步骤，保留主要环节，如图2所示。保护间隔仅仅是对系统性能的提升，去掉不影响仿真结果，而且还可以缩短仿真时间，提高仿真效率。

本文的OFDM系统的仿真过程主要分为三部分：发送部分、信道部分、接收部分。主要的性能仿真原理图如图2所示。

图2　OFDM性能仿真原理图

仿真的输入数据为文本文件、音频文件。为了与传统的单载波相比较，仿真过程分别采用了 OFDM和 16-QAM两种调制解调方式，最后给出两种结果的比较。

2.316-QAM原理

本文所用到的QAM调制是数字调制方式。所谓正交振幅调制(QAM)是采用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信号传输。

QAM调制器的原理：发送数据在串-并转换器内被分成两路(为原来两路信号的1/2)，然后分别与一对正交调制分量相乘，求和后输出。接收端完成逆过程。如图3所示。输入端的二进制数据流经串-并变换后变为四路数据。这四路数据再两两结合，再进入电平转换器，最后变成两路4电平数据。例如，00转换成-3，01转换成-1，10转换成1，11转换成3。两路4电平数据g1(t)和g2(t)分别对载波cosωct和载波sinωct进行调制，再相加，即得到16-QAM信号[4]。

图3　16-QAM的调制原理图

2.4系统仿真结果分析

2.4.1系统的基本原理分析

从调制中使用的载波数量看，OFDM为多载波调制， QAM为单载波调制，因此，OFDM系统较QAM系统复杂，OFDM系统实质上用复杂性换取高性能，因此两者都有着广泛的运用。

在OFDM系统仿真过程中，输入的二进制数据流进行调制，就将时域的信号变为复数形式的频域信号，一般采用相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)，本文所设计的仿真程序是将输入的二进制数据流转化为双极性数据流，相当于进行了BPSK调制；而后将双极性数据流经过串/并变换单元，再分配到正交的各子载波之上，进行IFFT变换，实现并行的频域数据的正交调制，输出为时域的并行数据；再通过并/串变换转换为串行数据，并将数据送到信道上传送。仿真的信道部分分为信号截取、多径信道和随机噪声三小部分。接收端进行的是与发送端相反的变换。

在16-QAM系统仿真过程中(并不影响OFDM系统的仿真)，输入的二进制数据流转化双极性数据流，相当于进行了BPSK调制，而后每四比特双极性数据流转化为一个16-QAM符号状态，输出的QAM符号发送到信道上进行传送，此时的信道仿真模型与OFDM系统的信道仿真模型条件一样。接收端进行QAM解调，并把每个QAM符号转化为双极性数据流，双极性数据流再转化为二进制数据流，至此完成了QAM的调制与解调。

仿真原理模块图见图2，整个仿真程序分为四个阶段：系统初始化、QAM仿真系统、OFDM仿真系统以及QAM与OFDM调制技术的分析比较部分，具体的仿真图如下列图形所示。FFT的长度为128，载波数量为32，根据QAM和OFDM系统的不同要求，载波数量不同，如本仿真程序中OFDM系统的子载波数量为32；设定QAM系统和OFDM系统的原始输入数据相同，并设定相同参数条件的仿真信道；同时通过计时代码计算出QAM系统和OFDM系统分别运行一次系统仿真时所用的时间多少，由此可比较出两种调制技术所用的时间长短；通过QAM与OFDM调制技术的分析比较部分，可以得出系统相应的仿真图形，并由此可以计算出分别采用两种不同调制技术的系统，在恢复原始数据时所出现的错误比特的数量，并可计算出误码率，从而分析可比较出两种调制技术的性能优劣。

本文分别将音频文件和文本文件作为信源，将这两种文件分别转换成二进制数据，再进行极性变换，使之成为利于传输的双极性信号，为了体现OFDM的优势，分别进行OFDM和QAM调制，经过多径数目为3的衰落信道，并在接收处恢复出各自信号，最后分别转化成音频文件、文本文件。

2.4.2系统仿真分析

本文所采用的信道有三条传输路径，可以用数学表达式表示成为：

h(t)=δ(t)+0.30δ(t-6)+0.25δ(t-10)

第一条：传输路径延迟为6个单位，衰落系数为0.30；

第二条：传输路径延迟为10个单位，衰落系数是0.25；

接收信号：由上两条路径的信号与无延迟无衰落的信号叠加而成，多径数目为3。图4给出了多径衰落信道的幅频特性曲线及相频特性曲线，从图中可得频率点为0.25等处幅度出现深衰落。

图4　信道的幅频和相频特性曲线图

2.4.3输入数据为文本文件

信号采用OFDM调制的方式，采用的载波数为32。如图5所示是基于FFT变换的OFDM信号的发送与接收仿真图，结合信道幅频特性，采用数字频率。为了方便观察，系统将发送和接收信号均作了FFT变换，再结合信道特性，可得到OFDM能够克服信道的深度衰落。

图5　基于FFT变换的OFDM信号的发送与接收仿真图

而后，接着考虑QAM方式下的传输，系统采用相同信道。如图6所示是基于FFT变换的QAM信号的发送与接收仿真图，仿照上例相同环境，可由图6看出，在信道深度衰落处，信号有较大的畸变(即0.25点)，说明QAM方式下对信道多径衰落较为敏感。

图6　基于FFT变换的QAM信号的发送与接收仿真图

图7　OFDM符号的发送与接收仿真图

图8　QAM符号的发送与接收仿真图

图7与图8所示是OFDM符号与QAM符号的发送与接收仿真图，仿真结果可显示出OFDM符号与QAM符号通过信道传输之后所出现的变化，采用OFDM技术得到的符号前后变化不大，但采用QAM技术得到的符号则会出现较大的失真。

通过图5、图6、图7与图8的比较可知，在原始数据一致、信道参数条件相同的两种系统中，OFDM技术能够较无失真地恢复出原始数据，而QAM技术在恢复数据时波形会出现较大的失真。

如图9、图10和图11所示是输入的原始文本文件与分别通过OFDM和QAM调制后所得到的文本文件的对比图，通过图中数据的对比，可知OFDM调制技术能够无差错地恢复原始文本文件，而QAM调制技术则会出现较多的差错。

图9　输入的原始文本文件text.txt

图10　输出的OFDM_out_text.txt文本文件

图11 输出的QAM_out_text.txt文本文件

信号分别采用OFDM和QAM调制的方式，输入名为shortest. wav的音频文件，经仿真，可得OFDM方式得到的音频文件和信源区别很小，QAM方式得到的音频文件存在一些杂声干扰(噪声所致)。虽效果不同，但两种方式都能够得到可辨识的音频。仿真图如下所示。

图12　输入名为shortest. wav的音频文件

图13　输出为OFDM_out. wav的音频文件

图14　输出为QAM_out. wav的音频文件

经过计算得出：OFDM调制下，仿真所用的时间为1.282 s，误比特数为0；QAM调制下，仿真所用的时间为1.344 s，误比特数为675。因此两者的误码率(BER)在OFDM调制下近似为0，在16-QAM调制方式下约为21.9 %。由上可得，在相同信道条件下，OFDM要比一般单载波技术具备更强的抗多径干扰能力，在信道的传输中具有更满意的通信质量。

3　结语

本文要实现的是802.11a WLAN中的OFDM物理层仿真，主要是通过仿真OFDM系统实现的。据此，本文主要进行的是OFDM系统的仿真分析，首先给出OFDM系统的基本参数的选择规则，而后给出了OFDM系统的基本实现原理及框图，接着通过对分别采用OFDM和QAM两种调制技术的系统的仿真对比，得出结论，那就是在相同的信道条件下，OFDM技术要比普通的单载波调制技术具备更强的抗多径干扰能力和更小的误码率。

[1]王旭,卫鸿涛, 陈赞.扩频调制和OFDM技术在电力线通信中的应用简介[J].通信世界,2016,22(2):63.

[2]邓密文, 阳佳,郭苏岭,等.浅析OFDM技术在移动通信系统中的应用[J].通信世界,2016.22(1):30-31.

[3]李萌,王琼,武兴佩.OFDM技术在LTE系统中的应用[J].信息通信,2016,29(1):206-207.

[4]陈丹.正交频分复用技术OFDM在应急通讯系统中的应用[J].硅谷,2014,13(21):62-68.

Research on the Application of OFDM Technology in WLAN 802.11a

YAO Jie

(Fuzhou College of Foreign Studies and Trade, Fuzhou 350000, China)

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), a multi-carrier wideband digital modulation technology, which can effectively solve the transmission in multi-path interference and eliminate inter-symbol interference (ISI), can provide up to 54 Mbps data transmission rate, has the advantage of high spectrum utilization rate, of simple channel equalization technique, of being easy to implement signal modulation and demodulation, and of a strong error correction ability. With the application of OFDM technology, the WLAN technology has been further developed. Using MATLAB as a development platform, the design of simulation of OFDM systems, all aspects of the basic simulation algorithm under OFDM system are realized. By comparing the results of the simulation analysis, we know that OFDM technology to ability is stronger than that of the other single carrier modulation technology of anti-multipath interference, which has great application prospects in wireless local area network (LAN).

OFDM; WLAN; MATLAB; simulation system

2016-05-16

姚洁(1983—)，女，福建宁德人，讲师，硕士，主要从事通信技术研究。

TN911

A

1009-0312(2016)05-0056-07