OFDM无线系统的Simulink实现*

许志斌，谢 萍，雷 源

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471000)



OFDM无线系统的Simulink实现*

许志斌，谢 萍，雷 源

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471000)

正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiple)作为一种多载波数字通信方案，是第四代移动通信的核心技术。它采用串并转换和正交多载波调制技术来使系统获得较高的传输速率和频谱效率。本文基于simulink软件工具来实现OFDM无线系统的仿真。仿真结果给出了通信参数设置不同时的OFDM系统性能。

OFDM；Simulink；正交子载波；串/并转换器

随着不断增加的通信数据量和业务种类，高速的传输速率始终是系统需要实现的重要性能指标，因而高速数据传输技术一直是业界研究的热点。OFDM技术的思想是通过串并转换将信道分为多个子信道，并用相互正交的载波对各子信道信息进行调制，这样各子信道频谱相互重叠，而提高了通信系统的传输速率和频谱效率。由于串并转换是将频率选择性衰落信道转换为平坦衰落信道，于是减弱甚至消除码间串扰，而获得良好的抗噪声和抗多径干扰的能力。因此，该技术在军事通信和商业通信中均有广泛的应用前景和很高的研究价值。目前，它在移动通信、数字传输、计算机网络和电力网络等领域都有较大地发展[1]。

本文利用Matlab中的Simulink工具箱来搭建OFDM无线通信系统，并测试不同通信模块参数设置下的系统性能。

1 OFDM通信系统工作原理

图1是OFDM系统的关键技术构架，OFDM系统发射端的关键技术是利用串/并转换器将给定信道的数据流转换为N路子数据流，再让各子数据流分别去调制N个正交子载波，叠加组合各路调制后的信号并将其送入信道进行传输，即实现并行传输。OFDM系统接收端的关键技术是发射技术的逆过程，即接收端先将信号通过混频和积分而恢复出多路子信道数据，再利用并/串转换器使其恢复成原始信号。

图1 OFDM系统的关键技术架构

在OFDM系统中，各子信道的频谱会相互重叠，鉴于载波的正交性接收端也能无失真恢复各子信道数据。数据流分成N路后把一个宽带频率选择性信道划分为N个窄带平坦衰减信道，这造就了OFDM的一系列优点。此外，又通过在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，以及消除由多径传播所引起的符号间干扰。因此，OFDM系统具有很强的抗多径衰落和降低码间串扰的能力，而特别适用于具有多径衰落特性的移动通信系统中高速数据传输。总之，OFDM技术本质是通过串并变换把串行的高速数据流变成并行的低速数据流，该技术的实现重点是保证各子载波间的正交性。

2 OFDM系统的组成

2.1 OFDM系统具体分析

OFDM通信系统组成框图参考文献[2]。OFDM包含通信系统的三大部分，即发射机、信道以及接收机。

发射机的主要构成如下[3]：

· 信源：随机数发生器(伯努利二进制信号发生器)，即由信源发出的信号为二进制的随机序列。

· 编码器：信源编码和信道编码。为抗击突发干扰，又进行交织处理。

· 串并转换器：将一路高速数据流转换为多路低速数据流。调制映射是多路子数据流与多个正交载波相调制。信道估计有利于提高接收性能。

· 保护间隔：保护间隔时长大于最大时延扩展，可消除码间干扰。保护间隔内循环扩展OFDM符号，能避免多径传播时的子载波间干扰。

信道模型：多径衰落的瑞利信道与高斯白噪声信道相组合。

接收机：发送机工作的逆过程，即执行其反向操作。均衡模块用于消除码间干扰。

OFDM调制解调具有较大的运算量。通常可利用FPGA和高速的DSP等技术，即使用FPGA完成信号的突发检测和定时，并采用DSP完成FFT/IFFT变换和QAM/QPSK调制解调。

3 OFDM的仿真综述

3.1 OFDM总体系统的实现

OFDM无线系统的Simulink模块化仿真实现框图[4]如图2所示。与OFDM系统各部分组成对应，仿真系统也分为3部分：发射机、信道和接收机。发送机关键模块：编码交织模块、IFFT映射和加入循环前缀模块。参考工作流程，采用Simulink仿真软件搭建OFDM系统的仿真平台，仿真实现模块搭建步骤如下：

伯努利二进制信号发生器→编码→基带信号调制并加入循环前缀→插入保护间隔→串并转换→瑞利衰落信道→高斯信道→删除保护间隔→解调并删除循环前缀→信道估计→信道补偿→移除零补偿→解调→解码→误码率计算。

图2 基于Simulink仿真的OFDM无线系统

3.2 主要模块设置

3.2.1 发射部分

信号源选用的是服从伯努利分布的二进制信号发生器，采样速率为36 Mbps，每帧144 bit数据流，数据格式是Boolean。调制采用的是矩形16QAM调制。192行的二进制流变为48行的经16QAM调制符号流，然后归一化处理。最后将信号送入OFDM Transmitter。

图3 OFDM发射机实现框图

3.2.2 信道部分

信道设置为加性高斯白噪声信道，信道输出端平均信噪比设置为15 dB。

3.2.3 接收部分

OFDM接收机主要实现功能为：去循环前缀，正向快速傅里叶变换，去填零，归一化操作，16QAM解调，解通用块交织，解矩阵交织，填零以实现解结缩短操作，经过维特比解卷积编码，最终得到二进制基带信号。接收机实现框图可参考文献[4]。

3.3 仿真结果显示与分析

发射机中，信号未经OFDM技术处理前具有标准且规则的调制星座图，而经OFDM技术处理后的信号星座图如图4，图5表示仿真长度为256的发射部分IFFT变换后的信号频谱。

图4 OFDM技术采用后

图5 仿真长度为256

图6 交织编码参数不同

图6表示采用不同交织编码参数所获得的性能曲线，实线和加点实线分别表示参数更改前后的特性。即将仿真系统中原来的部分差错控制的矩阵交织参数16行12列更改为8行24列。由图可知更改过的系统信噪比有2 dB的优势。图7表示调制方式不同时的性能曲线，图中曲线从左至右分别表示采用64QAM、128QAM和256QAM调制方式下的系统特性，由图可知，采用MQAM调制方式时，当M越小，系统性能会越差。

图7 调制方式不同

4 结束语

本文借助MATLAB中的Simulink工具箱，搭建了OFDM无线通信系统并对其进行了仿真测试，验证其组成模块的功能特点。仿真结果显示了调制方式，交织参数，IFFT长度，卷积参数等对系统传输特性的影响。

[1] 魏瑞.基于MATLAB的OFDM通信系统的仿真[J].科技广场,2011(6):45-47.

[2] 明艳，李强，胡庆.基于Simulink的正交频分复用系统仿真[J].实验室研究与探索，2011(10)：63-67.

[3] 曹晓峰，陈利学，秦勃.基于Simulink的OFDM系统设计与仿真[J].信息技术，2011(10):150-152.

[4] 徐明远，邵玉斌.MATLAB仿真在现代通信中的应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

Simulink Implementation of OFDM Wireless System

Xu Zhibin,Xie Ping,Lei Yuan

(InformationEngineeringInstitute，HenanUniversityofScienceandTechnology,LuoyangHenan471000,China)

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is a multi-carrier digital communication scheme,and is the core technology of 4G mobile communication systems.The system can provide higher transmission rate and spectrum efficiency by exploiting OFDM,which use serial-to-parallel conversion and orthogonal multi-carrier modulation technique.By using Simulink software tools,the simulation of OFDM wireless system is realized in this paper.The simulation results show that the OFDM system performance is not the same as the communication parameter setting.

OFDM; Simulink; orthogonal subcarrier; serial-to-parallel convertor

2016-05-24

2016-09-30

河南科技大学大学生训练项目(SRTP2015040)

许志斌(1993-)，男，河南郑州人，本科在读，专业方向：信息工程。

1674-4578(2016)05-0052-03

TN919

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